不同水泥对脱硫建筑石膏胶凝材料性能和微观结构的影响.pdf

2 0 1 3年第 1 1 期 1 1月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 3 No ． 1 1 No v e r n b e r 不同水泥对脱硫建筑石膏胶凝材料 性能和微观结构的影响 劳有盛 ， 杨久俊 1 ,2 ， 张 磊 ， 王 雪平 ， 余海燕 1 ． 天津城建大学材料科学与工程学院， 3 0 0 3 8 4 ； 2 ． 天津市软土特性与 工 程环 境重点 试验 室 ． 3 0 0 3 8 4 摘要 主要研 究铝 酸盐水泥 Ac 、 普通硅 酸盐水泥 op c 对脱硫建筑石 膏胶凝 材料 水化后微观结构 与性 能 的影响。试验结果表 明， 单掺 A C初 、 终凝 时间最高分别延长至 5 4 ． 5 mi n和 6 4 mi n ， 抗折强度和抗压强度 最高可分别 增加到 1 5 ． 3 MP a 和 4 3 ． 6 MP a ； 单掺 OP C初 、 终凝 时间最短分别 为 4 mi n和 5 ．5 mi n ， 抗折 强度和抗压强度 可分 别最高 增加到 1 4 ． 3 MP a 和 3 6 ． 3 MP a ；复合掺杂两种水泥的凝结时 间，抗折 强度 和抗 压强度介 于单掺 两者之 间。XRD 和 S E M 的研 究结果表 明， 掺 水泥后形成 了钙矾石和团聚状 c s H凝胶 ， 钙矾石的填充作用和 C - S H 凝胶 的胶结作 用是复合胶凝材料增 强的原 因。 关键词 脱硫石 膏； 高铝水泥 ； 普通硅酸 盐水泥 ； 力学性能 ； 微观 结构 ； 钙矾石 ； C s H凝胶 Ab s t r a c t T h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d mi c r o s t r u c t u r e o f fl u e g a s d e s u l f u r i z a t i o n g y p s u m d o p e d wi t h a l u mi n a t e c e me n t A C a n d o r d i n a r y P o r t l a n d c e me n t O P C a r e i n v e s t i g a t e d ． R e s u l t s s h o w t h a t t h e i n i t i a l a n d fi n a l s e t t i n g t i m e a r e p r o l o n g e d t o 5 4 ． 5 mi n a n d 6 4 mi n r e s p e c t i v e l y ， t h e fl e x u r a l s t r e n g t h a n d c o mp r e s s i v e s t r e n gth a r e i n c r e a s e d u p t o 1 5 ． 3 MP a a n d 4 3 ． 6 MP a r e s p e c t i v e l y d o p e d wi t h AC． An d t h e i n i t i a l a n d fi n a l s e t t i n g t i me a r e o n l y 4 mi n a n d 5 ． 5 mi n r e s p e c t i v e l y ． t h e fl e x u r a l s tr e n g t h a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a r e i n c r e a s e d u p t o 1 4 ． 3 MP a a n d 3 6 ． 3 MP a r e s p e c t i v e l y d o p e d w i t h OP C． T h e s e t t i n g t i me ， fl e x u r a l s t r e n g t h a n d c o mp r e s s i v e s tre n g t h a r e r a n g e d b e t w e e n s i n g l e d o p e d wh e n t h e s e t wo k i n d s o f c e me n t a r e d o p e d a t t h e s a m e t i m e ． n e e t t r i n g i t e A F t a n d C S H g e l a r e o b s e r v e d i n a l l s a m p l e s ． F i l l i n g t h e r o l e o f A F t a n d c e me n t a t i o n o f C - S - H g e l a y e t h e r e a s o n f o r t h e c o mp o s i t e c e me n t i t i o u s ma t e ri a l r e i n f o r c e d ． Ke y wo r d s F l u e g a s d e s u l f u r i z a t i o n g y p s u m；A l u mi n a t e c e me n t ；P o r t l a n d c e me n t ；Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；Mi c r o s t r u c t u r e ； Et t r i n g i t e ； C S H g e l 中图分类号 T Q1 7 7 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 6 3 7 2 0 1 3 1 1 0 6 0 4 0前言 石膏制品具有质轻 、 保温隔热、 易于加工 、 调节 湿度等功能 ， 在建材领域已得 到广泛应用 。但作为 气硬性胶凝材料 。 石膏及其制品均又存在力学强度 较低 、 耐水性较差等问题 ， 又大大地 限制 了它 的应 用范围。 为了提高石膏制品的强度和耐水性 ， 前人曾做 了大量的研究工作 ， 其 中掺杂改性是一个重要 的研 究方面【 】 - 5 1 。所谓掺杂 ， 就是在石膏中掺人一定量具 有水化 、 胶结能力而发挥增强 、 抗水功 能的无机或 有机 物质 ．其 中应用 较 多 的为普通 硅 酸盐水 泥 O P C 和铝酸盐水泥 A C 同 。目前在其增强抗水机 理 的认识 上 尚不 一 致 ， 大 多认 为 ， O P C 中的 C 3 S 、 C 2 s 基金 项 目 国家科技 支撑 计划课 题 2 0 1 2 B A J 0 2 B 0 1 0 5 、 天 津市科技 支撑计划重点项 目 1 2 Z C Z D S F 1 5 0 0 。 一 6 一 水化 形 成 的 C S H 凝 胶 发 挥 填 充 胶 结 增 强 作 用 C A与硫酸钙反应形成钙矾石发挥增强作用I ～ 0 1 。同 时钙矾石生成反应 比较快 ， 对浆体早期强度提高有 利 ； 而 AC水化硬化更快 ， C 含量较高 ， 也可形成 更多的钙矾石。但上述研究， 较多集中在天然石膏 ， 而对 目前 因燃煤 电厂脱硫 而大量产生的脱硫石 膏 却研究较少 ， 就现有关于脱硫石膏资源化利用 的研 究报道分析 ， 脱硫石膏 主要用作水 泥添加剂 ， 且掺 人率也 偏低【 “ 司 。与天然石 膏相 比， 脱硫 石 膏的主 要 成分也为二水石膏 ． 且纯度更高 ， 因此 ， 其完全也可 作为一种优质资源加以利用。 本文试图在前期研究 的基础上 。通过掺人 A C 和 O P C ， 研究其对大掺量 8 0 ％以上 脱硫 建筑石膏 增强抗水改性作用及其改性机理 ， 探索大掺量应用 脱硫建筑石膏生产轻质 、 高强 、 抗水建材制 品的可 行性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 劳有盛 ， 杨久俊 ， 张磊 ， 等不同水泥对脱硫建筑石膏胶凝材料性能和微观结构的影响 1 试验 1 ． 1 试 验原 材料 及处 理 采用 的脱硫 石 膏 来 自天 津 某 建材 有 限公 司 。 通 过 X R D分析可知其主要含有二水石膏 ，含水率为 5 ． 3 ％。先将脱硫石膏在烘箱 中用 4 0 ℃烘至恒重 ， 为 排除脱硫石膏颗粒团聚的影响 ， 对脱硫石膏进行粉 磨至全部通过 2 0 0 1 m筛 。 然后将脱硫石膏在空气经 过 1 8 0 12 高温烘干 6 h获得脱硫建筑石膏 ， 主要成分 为 B 一 半水石膏。为了降低复合胶凝材料的水胶 比， 采用天津某外加剂厂生产的聚羧酸减水剂 ， 减水剂 固含量 4 0 ％。减水率 2 5 ％～ 3 0 ％。脱硫石 膏 F G D g y p s u m 、铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥 的化学组 成 见表 1 。 ． 1 ． 2 试 验设计 和方 法 试验采用脱硫建筑石膏掺量在 8 0 ％以上 ， 水胶 比为 0 ． 4 5 ， 聚羧酸减水剂掺量为 0 ． 5 ％。试验方案设 表 1 脱硫石膏 、 铝 酸盐水泥 和普通硅 酸盐水泥 的化学组成 ％ 计如表 2所示。 表 2 试验方案设计 按 照 以 上 配 方 在 室 温 条 件 下 成 型 4 0 m m 4 0 mmx l 6 0 m m试块 ， 在 自然养护下至规定龄期 1 ～ 6 0 d 。 根据 G B ／ T 1 7 6 6 9 ． 3 1 9 9 9 建 筑石 膏力 学性 能 的测定 测定相应 龄期 内抗折和抗压强度 。采 用 R i g a k u生产 的 X射线衍射仪对原料和水化后样 品 进行检测 ，采用 F E I 公 司生产 的 Q u a n t a 2 0 0环境扫 描 电镜 E S E M 观察试块成型后 2 8 d水化产物的微 观 形貌 。 2试验 结果 与 分析 2 ． 1 对 凝结 时 间的影 响 图 1为试验试样凝结时间对 比图。脱硫建筑石 膏标准 稠度 为 0 ． 5 8 ，初凝 时间 1 7 m i n ，终凝 时间 2 1 ． 5 m i n ， 当水膏比降低至 0 ． 4 5时 ， 初凝时间缩短至 9 ． 5 rai n ， 终凝时间为 1 1 ． 5 mi n 。单掺 AC时 ， 凝结时间 延长 ，当掺量 为 2 0 ％时初 、终凝 时 间分 别达 到 5 4 ． 5 m i n和 6 4 m i n 。而单掺 O P C和复合掺杂 A C与 O P C的试样 中， 凝结时间缩短了。 单掺 O P C时 ， 掺量 越高 ， 凝结时间越短 ； 掺量为 2 0 ％时 ， 初 、 终凝时 间 分别为 4 mi n和 5 m i n 。复合掺杂 A C和 O P C的试样 凝结时间也随着 O P C含量的增加而缩短。 蛊 厘 茁 姆 GO1 CO Gl G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 F1 F 2 F 3 F 4 F5 F 6 F 7 F 8 F 9 编号 图 1 水泥掺量对 脱硫建筑石膏凝结 时间的影响 2 ． 2 对力学性能的影响 图 2为不同水泥及掺量对抗折强度的影响。纯 石膏和掺 水泥后试样抗 折强度 随着龄期增 长 ， 在 1 4 d时达到最大值 ， 而后略有下降。 纯石膏抗折强度 在 1 3 d时增长 比较缓慢 ， 3 ～ 7 d基本不增加 ，在 7 ～ 1 4 d时增长趋势明显 。 并达到了最大值 。 图 2 a 是单掺 A C的抗折强度示意图。由图可 见 ， 掺人 A C之后抗折强度 明显提高 ， 但并不与 A C 掺量呈 正 比 ， A C掺量 为 1 0 ％时抗 折强度最 大 ， 为 1 5 ． 3 MP a 。图 2 b 为掺入 O P C抗折强度示意图 ， 掺 人 O P C后 抗 折 强 度 在 3 d前 增 长 比 较 缓 慢 ， 3 - 1 4 d 一 7 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 1 l期 混凝土与水泥制品 总第 2 l 1 期 善 髓 嘿 括 善 骥 龄期， d a A C掺量 5 ％、 1 0 ％、 1 5 ％、 2 0 ％ 龄 期 『 d b O P C掺量 5 ％、 1 0 ％、 1 5 ％、 2 0 ％ 图 2 A C和 O P C对复合胶凝材料抗折强度的影响 后迅速增加并达到最大值。掺杂了水泥后 ， 抗折强 度出现 的变化主要是因为脱硫建筑石膏水泥的水 化产物强度 比较高， 起到了增加强度的作用。A C与 O P C相 比， 前者对提高抗折强度的影响更大。复合 掺杂两种水泥试样 F 1 一 F 9 ， 抗折强度介 于单掺两 种水泥之间。 单掺 A C时水泥的凝结时间最长 ， 较长 的凝结时间有利于石膏 水化产物二水石膏晶体 的 慢慢长大 ， 使得晶体相互交叉搭接更 紧密 ， 从而强 度更高 。 图 3为不同水泥及掺量对抗压强度的影响。从 图中可以看出 ， 抗压强度随龄期不断增长 。掺杂了 水泥后 。 抗压强度 比对 比试样提高了。 图 3 a 为单掺 A C对抗压强度影响示意图 ， 掺 量为 1 0 ％时 2 8 d抗压强度达到最大值为 4 3 ． 6 MP a 。 图 3 b 中为单掺 O P C抗压强度发展 ， 强度发展趋 势与对 比试样基本相同 。抗压强度 比对 比试样提 高 ， 但增加幅度不大 。复合掺杂两种水泥试样 F 1 一 F 9 的抗 压 强度 也 介 于单掺 两 种水 泥之 间 。掺 杂 水 泥后 ， 水泥的水化产物起主要增强作用。 单掺 A C比 单掺 O P C和复掺两种水泥对提高抗压强度的效果 好。 这是因为单掺 A C的凝结时间增加， 有利于二水 石膏晶体的成核 、 长大以及水泥水化产物的增加。 2 ． 3 微观结构分析 图 4为单掺 A C的水化产物 X R D分析图。 由图 一 8 一 善 酸 幽 憩 出 1 3 7 1 4 2 8 6 0 龄期／ d a A C掺量 5 ％、 1 0 ％、 1 5 ％、 2 0 ％ 龄 期 ／ d b O P C掺量 5 ％、 1 0 ％、 1 5 ％、 2 0 ％ 图 3 A C和 O P C对复合胶凝材料抗压强度的影响 可见 ， 水化产物主要还是二水石膏。 随着 A C掺量增 加 ， 钙 矾 石 特 征 峰 2 0 9 ． 1 1 。 、 1 5 ． 8 。 、 2 2 ． 9 。 、 3 5 ． 0 。 的 强度越 明显 ，说明水化产物 中钙矾石数量逐渐增 加。 掺杂了 O P C和复合掺杂两种水泥试样中也观察 到了钙矾石 的特征衍射 峰 。 但其强度较小 ， 说明生 成量不大。铝酸盐水泥的早期水化 比较快 ， 掺入了 铝酸盐水泥的试样凝结时间 比其他试样更长 ， 因而 早期水化形成的钙矾石含量更高。 L ， 止 l 璺 BB 一 钙 矾 石 I l1 ～ ⋯ ． I _l L lI～ 一 ． ． ． 一． ．I ．1 h ． ． ～ l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 2 0 ／ 。 图 4不 同 A C掺量下 的水化产物 X R D图 图 5为经过 2 8 d自然养护 后 的 S E M 图 。 纯石 膏 试样内部的石膏晶体呈长柱状 ， 长度在 5 ～ 1 5 m。这 些晶体相互交叉搭接 ， 构成了石膏强度来源。掺杂 2 0 ％A C试样 中观察到大量团聚状 C S H凝胶 以及 钙矾石晶体 。掺杂 2 0 ％O P C试样的 C S H凝胶状 ∞ 勰 ∞ 2 Um9 8 76 54 32 舭 加 加 2H U 9876 5432 ％ ％ ％ 殇 殇 苫鼍 ％ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m