郭兵，程冠吉，胡涛，郝建英*
（太原科技大学材料科学与工程学院，山西 太原，030024）
作者简介：郭兵（1993— ），男，硕士。研究方向：固废资源化利用。
摘要
文章通过研究矿粉对石膏基自流平砂浆性能的影响，如流动度、凝结时间、强度、耐水性和泌水性等，并通过微观检测其水化产物形貌，确定矿粉的最佳掺量。结果表明，随着矿粉的掺加，石膏基自流平砂浆的初始流动度可以得到提升，经时损失减小，凝结时间先减小后增大，强度、耐水性先增大后减小，泌水性逐渐减小。当矿粉掺量为10%时，综合性能达到最佳，产品等级达到G20。
关键词
脱硫石膏；石膏基自流平砂浆；矿粉
引言
脱硫石膏是工业烟气在脱硫过程中形成的工业副产物，属于一种固体废弃物。烟气脱硫过程是利用石灰-石灰石吸收工厂燃煤后产生二氧化硫的技术，其产生的工业副产物若不妥善处理，还会造成二次污染[1]。自流平材料根据基体材料主要分为两大类，分别为水泥基自流平砂浆和石膏基自流平砂浆。目前，对于水泥基自流平砂浆的研究应用较广且成熟，但会出现空鼓、开裂及成本过高等问题[2]。而石膏基自流平砂浆的优点是石膏基体材料水化时由于低膨胀率可以有效避免水泥基自流平砂浆的缺陷，不会产生收缩开裂，并且具有保温隔热、成本低廉的优点[3]。
2021年，行业标准《石膏基自流平砂浆》（JC/T 1023—2021）[4]修订后正式实施。Moonen等[5]以脱硫石膏为主要胶凝材料制备石膏基自流平砂浆，并对其性能进行研究与应用。Amathieu等[6]将高铝水泥、硫酸盐水泥以及硫酸钙混合起来制备水泥基自流平砂浆，为钙矾石的生成提供了基础。
01
原材料及试验方案
1.1 原材料
脱硫石膏取自山西太原第二热力发电厂石灰砂浆，P·O 42.5水泥取自山西晋牌水泥集团有限公司，普通矿粉取自太原钢铁（集团）有限公司，其化学成分见表1。
脱硫石膏经煅烧处理后制备出脱硫建筑石膏（β-CaSO4·H2O），其性能见表2。聚羧酸减水剂，粉末状，减水率36.8%；缓凝剂，植物蛋白；保水剂，羟丙基甲基纤维素醚（HPMC），黏度10万；可再分散乳胶粉，工业级；消泡剂，工业级有机硅类；碱性激发剂，氧化钙。
1.2 试验方案
胶凝材料体系为建筑石膏粉、P·O 42.5水泥和矿粉，其中P·O 42.5水泥占5%，石膏粉和矿粉合占95%。矿粉从5%开始至25%代替建筑石膏内掺，同时建筑石膏从90%减至70%。其它添加剂按占胶凝材料总质量百分比进行外掺，用量为氧化钙0.5%、减水剂0.25%、缓凝剂0.15%、保水剂0.08%、乳胶粉1.0%、消泡剂0.1%，水灰比为0.44。
1.3 试验方法
石膏基自流平砂浆制备过程和自流平砂浆浆体性能（砂浆流动度、凝结时间）及力学性能（强度）测试按照《石膏基自流平砂浆》（JC/T 1023—2021）[4]标准进行。将料浆按固定水灰比充分搅拌均匀，对砂浆浆体性能进行测试，然后将浆体倒入模具中，试件成型脱模后在标准条件下进行养护，分别测试24 h、绝干强度。耐水性能需将两个试块进行养护，龄期为28 d。第一块试块置于水中24 h，温度控制为（21±2）℃，取出后擦掉试块表面水分；第二块试块放在鼓风干燥箱进行养护，温度为（43±2）℃，恒重时取出，软化系数为第一块和第二块试块抗压强度的比值。泌水性实验：称取一定量配好的材料加固定量水，倒入干燥量筒充分搅拌均匀，置于电子天秤并记录质量，此时开始观察浆体体积，将泌出上层水用注射器吸入量筒中，再次记录总质量，可算出泌水率。
02
结果与讨论
2.1 流动度与凝结时间
图1为矿粉掺量对石膏基自流平砂浆的流动度的影响。石膏基自流平砂浆中掺入少量矿粉后，流动度明显改善，与Van[7]报道的一致。当矿粉掺量为10%时，初始流动度为146 mm，经时损失仅为1 mm。继续增加矿粉，砂浆流动度继续呈上升趋势，与逄鲁峰等[8]的研究结果吻合。表3为不同矿粉掺量制备的石膏基自流平砂浆的凝结时间，分析得出，随着矿粉掺量增加，凝结时间逐渐下降。由于体系中掺有水泥，水泥中高活性的C3A（3CaO·Al2O3）在水化时反应迅速，有大量的水化热放出。此外，C3A还会与石膏中的硫酸钙发生反应，生成较多的水化铝酸钙。因此，在石膏基自流平材料中掺入一定量的水泥所生产的自流平砂浆有胶凝材料水硬性和气硬性的双重属性，对材料的各项性能都会起到良好作用，并且水化后产生的Ca（OH）2给体系提供碱性环境，促进矿粉解体，从而使凝结时间缩短。当矿粉掺量为15%时，凝结时间最短，初凝时间和终凝时间分别为137 min、161 min。继续增加矿粉石灰砂浆，自流平砂浆的凝结时间逐渐增加，与陈瑜等[9]的结果一致。石膏凝结硬化过程是由一定数量的二水化合物粒子受到范德华引力和化学键力的作用而积聚，当矿粉取代建筑石膏，会缩短凝结硬化时间。
2.2 强度
石膏基自流平砂浆24 h和绝干抗折与抗压强度见图2。矿粉掺量的增加使得砂浆的抗折与抗压强度先升高后下降。矿粉掺量为10%时，强度达到最大值，24 h抗折与抗压强度分别为2.9 MPa和7.0 MPa，绝干抗折与抗压强度分别为6.8 MPa和22.4 MPa，相较于未掺矿粉的砂浆强度分别提高了13.3%和35.75%。矿粉掺量从10%增至25%时，抗折与抗压强度明显下降。在石膏—矿粉—水泥三元体系中，矿粉掺量较少时，水泥和矿粉能相互促进水化反应，而矿粉具有火山灰活性，在碱和硫酸盐的共同作用下，会将活性SiO2和Al2O3激发出来。硅酸盐水泥中的主要成分是铝酸三钙、硅酸三钙、硅酸二钙，与水反应生成C-S-H凝胶，会对短柱状的二水石膏晶体及与硫酸盐反应生成AFt晶体组成的骨架接触点进行包裹，晶体间的间隙被填充，使其微结构得到改善，从而使其力学性能提高[10-11]。矿粉掺量的增加会降低水泥胶合剂整体刚度，从而使得水泥胶合剂抑制变形的能力降低。同时，矿粉掺量过多改变了水泥胶合剂的孔结构，将水泥胶合剂内部大量存在的胶凝孔和毛细孔转化为更细的孔，造成砂浆强度下降。
2.3 耐水性与泌水性
表4为不同矿粉掺量对砂浆耐水性与泌水性的影响。随着矿粉掺量的增加，石膏基自流平砂浆吸水率先上升后下降网赚项目，软化系数逐渐上升，与黎良元等[12]报道的一致，但泌水率逐渐降低。当矿粉掺量为15%时，吸水率达到峰值19%，随后吸水率不断降低。当矿粉掺量为10%时，软化系数为0.51，与不掺矿粉相比，提高了24.4%；泌水率为1.35%，与不掺矿粉相比，降幅达14.56%。之后，软化系数和泌水率趋于平稳。矿粉在水化后形成的水化产物致密性好、吸水率低，填充在石膏砂浆内部孔隙中会阻止自由水进入材料内部，有效降低吸水率[13]。矿粉主要由钙、硅和少量的铝组成，在碱性激发剂的作用下，发生水化反应生成C-S-H凝胶和少量AFt，能够完善结构网络骨架，形成致密水化硬化体，且C-S-H凝胶包裹二水石膏，可以阻止二水石膏与水的接触，从而提高脱硫石膏基自流平材料的耐水性和泌水性[14]。
2.4 水化产物的SEM分析
不同矿粉掺量下24 h水化产物的SEM图见图3。从图3（a）可以看出，未掺矿粉时，半水石膏水化产物形貌以短柱状和板状为主，与权刘权等[15]的报道相似，还存在许多无定形C-S-H胶凝物质和孔隙。图3（b）中矿粉掺量为5%时，薄板状物增多，晶体有长大的迹象，孔隙仍然较多，还有细针状的钙矾石（AFt）晶体存在，粗大晶体与AFt晶体使得试样强度提升。图3（c）中矿粉掺量为10%时，可以看出其显微结构以块状和板状为主，除了二水石膏晶体之外，较多的C-S-H胶凝物包裹着晶体，晶体之间的孔隙中明显有针状的AFt晶体，使其结构致密，强度更高。图3（d）中矿粉掺量达到20%时，晶体表面的C-S-H胶凝物增多，块状和板状晶体明显减少，柱状晶体也变得较短，强度自然也会降低。相较于空白样，掺加矿粉的石膏基自流平砂浆微观结构中晶粒发育较好，晶体尺寸较粗较长，体现在宏观物理性能上，添加适量矿粉能改善脱硫石膏基自流平砂浆的力学性能[16]。综合图1、图2和表4的结果，确定最佳的矿粉添加量为10%。
03
结论
①适当掺加矿粉能够改善脱硫石膏基自流平砂浆的流动度，缩短凝结时间，改善其工作性能。②随着矿粉在脱硫石膏基自流平砂浆中掺量的增加，自流平材料结构致密，软化系数逐渐增加，泌水性逐渐降低。当矿粉掺量为10%时，24 h抗折与抗压强度分别为2.9 MPa和7.0 MPa，绝干抗折与抗压强度分别为6.8 MPa和22.4 MPa。③在建筑石膏—水泥—矿粉体系中，矿粉能够增强自流平材料的水化作用，同时生成的C-S-H、AFt可以降低自流平材料的收缩性，改善其力学性能。
参考文献
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