硫鋁酸鹽水泥對氟石膏的改性研究

1、硫鋁酸鹽水泥對氟石膏的改性研究摘要：以硫鋁酸鹽水泥為激發(fā)劑對氟石膏進行改性，實驗表明：硫鋁酸鹽水泥的加入可 以提高氟石膏的水化活性，縮短氟石膏的凝結(jié)時間，使試件的耐水性及強度均有較大幅度的 提髙。通過控制硫鋁酸鹽水泥&./+在氟石膏屮的摻量可以取得最佳效果。關(guān)鍵1:氟石膏；硫鋁酸鹽水泥；強度；耐水性1刖5氟石膏是氫氟酸制備過程中的副產(chǎn)品，我國無水hf產(chǎn)暈每年約為6.5萬t,而制造每噸 i1f產(chǎn)生氟石膏約3.51,總計氟石膏產(chǎn)生量每年約為23萬i。氟石膏主要為/ cas（）4）因其難 溶于水水化緩慢、凝結(jié)能力差，且不具有早期強度。用其成型的試樣強度低、吸水率大，吸 水后的強度保留率低，不

2、能滿足建材制品生產(chǎn)的要求，因此不能直接用于建材制品的生產(chǎn)。 目前，部分氟石膏用作水泥的外加劑，而大部分氟石膏在稍加屮和處理后就作為一種固體廢 棄物堆存。直接堆存不僅占有土地，還污染土壤和地下水環(huán)境。如果通過某些措施來激發(fā);，: 氛石膏的活性，提高其強度和耐水性能，將改性后的氟石膏應用于生產(chǎn)中，既有利于保護環(huán) 境，又能節(jié)約能源和資源符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。本實驗以硫鋁酸鹽水泥對氟石膏進行改性通過調(diào)整氟石膏中硫鋁酸鹽水泥摻量，得到氟 石膏膠凝材料的最佳配比，利用掃描電鏡分析膠結(jié)料的水化過程和微觀結(jié)構(gòu)。2原材料與實驗2.1原材料2.1.1氟石膏本實驗所使用的氟石膏是山東某化工廠提供的，其化學成分、組

3、成見表1、表2。氛石膏的化學成分%組分caos03 alo, caf2ilo40. 2357. 14 0.351.630. 60衣2氟石石的組成%組分chso4 ccao casod 2h：0aho,94. 92 1.63 0. 212.870.35從表1、表2中可看出，氟石膏中無水石膏gag）的純度很高,可達94.92%,還有少量未反應完全的（：af2°2.1.2硫鋁酸鹽水泥（r sac）«采用某特種水泥廠生產(chǎn)的,525#快硬硫鋁酸鹽水泥其成分見表（3）。組成si(haboif5ca()mg<)ti(hso,它雜質(zhì)含量4. 2839. 391.0137. 110.

4、62l9813. 771842.2實驗本次實驗擬考察不同摻加量的硫鋁酸鹽水泥對氟石膏水化產(chǎn)物耐水性能的影響。在氟石 膏屮分別摻入2%、5%、1()%、15%的硫鋁酸鹽水泥進行實驗。分別測定標準稠度后，澆 注成型出尺寸為期)n,m % 40 mm x 160 mn>的標準試件，每個配合比成型6個試件，在實 驗室條件下自然養(yǎng)護3(1、7小，再于.wo ±2八:烘至絕干后分別測試試件的抗壓、抗折 強度、軟化系數(shù)等基本物理性能。以上實驗均按照中華人民共和國國家標準 (；b9776 - 1988建筑石膏進行。對摻有硫鋁酸鹽水泥和未摻硫鋁酸鹽水泥的氛石膏 試樣微觀形貌進行掃描電鏡分析。3.

5、實驗結(jié)果與分析3.1基本物理性能測試結(jié)果與分析在氟石膏屮摻入2%、5%、1()%、15%的硫鋁酸鹽水泥試樣，其基本性能測試結(jié)果見 表4。從表4屮數(shù)據(jù)可以看出，所使用的氟石膏粉料有一定的水化能力，但其水化速度慢， 凝結(jié)時間長，強度低，3(1抗壓強度只有3. so ipa>,試樣吸水率大，吸水后的強度保留率 低，不能滿足建材制品生產(chǎn)的要求，故不能直接用于建材制品的生產(chǎn)。摻入 2%.5%,10% j5%硫鋁酸鹽水泥的試樣，其抗折、抗彎強度比沒有添加激發(fā)劑的試樣都 得到了顯著的提高，吸水率下降明顯。由表4分別繪制硫鋁酸鹽水泥對氟石膏凝結(jié)性能、吸 水率及軟化系數(shù)、抗折強度、抗壓強度影響的折線圖，如

6、圖i、圖2、圖3、圖4,& 4 摻加莫鋁酸鹽水泥的氟4ift基木性能測試結(jié)果sac 含 t：/%標準稠度/坯初凝/min終凝/miri -吸水率/強軟化系數(shù)3d7<13<17<100. 670. 733.804.6528. 762531521794. 324.6523.9824. 8523.80. 585551471684. 655.0226. 2428. m20.90.6510571211465.055. 8529. 5632. 1219.60. 7115601051304.415. 6525. 3428. 1121.30.61通常對建筑膠凝材料的凝結(jié)吋間要求，要能

7、夠滿足操作工藝吋間的需要，一般情況下凝 結(jié)時間在6() 1x() min比較適宜。由圖1可以看出，硫鋁酸鹽水泥的摻量大于2%時，使氟 石膏的初、終凝時間下降到3 h以下，已經(jīng)基本符合膠凝材料対初、終凝時間的要求。隨著 硫鋁酸鹽水泥摻加量的增加，氟石膏的初凝時間與終凝吋間均呈縮短趨勢，硫鋁酸鹽水泥摻 加量為15%時,初凝時間可以達到l()5 mi叫 終凝時間可以達到130 min。掘鋁綏鹽水泥拚/%一初曲班粥腹社水泥慘量八6420864202221 丨 iii圖i銘鋁酸鹽水泥含量對械右仔礙結(jié)時問的影響 圖2 銘鋁酸硅k尼就對緘仃律軟化系數(shù)及吸水率的影響試樣7d抗折軟化系數(shù)及吸水率與硫鋁酸鹽水泥摻

8、量的關(guān)系如圖2所示。從圖2可看 出，在硫鋁酸鹽水泥摻量小于10%時，軟化系數(shù)隨硫鋁酸鹽水泥摻量增加而增大，吸水率 隨硫鋁酸鹽水泥摻量增加而減??；當摻量超過10%時，軟化系數(shù)有所下降，吸水率有所增 大。實驗表明，硫鋁酸鹽水泥摻量為10%時，氟石膏制品的耐水性能最好。由圖3可以看 出，氟石膏試樣3d和7d的抗折強度隨硫鋁酸鹽水泥摻量變化的規(guī)律相似。隨著硫鋁酸鹽水 泥摻量的增加其強度增加，摻暈超過10%后抗折強度有下降趨勢，硫鋁酸鹽水泥摻暈在10% 時其抗折強度達到最大值。比較3d和7d的抗折強度隨硫鋁酸鹽水泥摻量增加而變化的折線 的斜率，7d對應的折線斜率略微大于3d對應的折線斜率，可以看出硫鋁酸

9、鹽水泥摻量的增 加對7d抗折強度的增加效果更加顯著。o 56.5.1. u11114r1216硫鎧漲鹽水泥摟量從圖3 硫鋁酸鹽水泥儈肚對緘仃ft抗折強度的論響圖4 硫鋁酸鹽水泥儈肚對緘仃疔抗壓強度的妙響3(和7d的抗壓強度的變化趨勢與抗折強度基本相同，如圖4所示。當摻加10%的硫 鋁酸鹽水泥吋，其抗壓強度達到最大值。實驗表明，摻加硫鋁酸鹽水泥后使氟石膏試樣的耐水性及強度均有提高，但并不是成 正比增加。隨硫鋁酸鹽水泥增加，強度性能和耐水性指標上升到一定程度后，又出現(xiàn)了下降 的趨勢。由以上實驗結(jié)果得出，硫鋁酸鹽水泥的摻量控制在8%-15%范圍內(nèi)比較適宜，在此 摻量范圍內(nèi)，氟石膏試樣的性能達到了建筑

10、材料的要求，從而使氟石膏可以作為一種生產(chǎn)建 筑材料的原材料。3.2微觀形貌測試與分析用掃描電鏡觀察硫鋁酸鹽水泥摻量為5%和10%時的試樣，膠凝材料水化產(chǎn)物的電鏡照片如圖5、圖6所示。從圖5和圖6中可以看到，二水石膏結(jié)晶中存在的大量的c-s-h 凝膠，即水化硅酸鈣。在以石膏為主的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)中，起到了填充的作用。圖5 水泥摻竝為5%時的電鏡照片圖6 水泥摻量為10%的電鏡做片氟石膏基膠凝材料水化時由于各組分的水化反應速度不同，首先形成二水石膏結(jié)晶結(jié) 構(gòu)網(wǎng)，其次是水泥各組分的水化，由于處在過飽和的氟石膏漿體中，硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn) 物除水化硅酸鈣凝膠、鋁膠、鐵膠外，大部分是高硫型的水化硫鋁酸鈣 鈣銳

11、石，而水化硅酸鈣的溶解度僅為xxl（） 4 mol/l，鈣銳石的溶解度還要小，即鈣帆石幾乎不溶于水。這些溶解性小的水化產(chǎn)物，包覆在石膏結(jié)晶體的表面，降低其溶解性，且均勻的分布于膠結(jié) 料中，所以降低了制品的吸水率，使石膏的耐水性得到了提高。摻加水泥后形成了鈣帆石，其針狀結(jié)構(gòu)（如圖6）與其它物質(zhì)的交叉、共生對制品起 到增強作用，從而使石膏基混合膠材料的強度產(chǎn)生較大幅度的提高。在硫鋁酸鹽水泥摻量少時，形成少量的鈣銳石與水化硅酸鈣，由于分布在石膏結(jié)晶體 內(nèi)，水化硅酸鈣以凝膠出現(xiàn)，鈣銳石以針狀晶體11!現(xiàn)，在以石膏為主的結(jié)品結(jié)構(gòu)網(wǎng)中，起到 了填充、交叉共存的作用，隨著硫鋁酸鹽水泥摻加量的增加，這種填充、

12、交叉共存的作用更 趨明顯，宏觀上表現(xiàn)為對抗壓、抗折強度的增長的作用；隨著摻 量的進一步增大，水化硅酸鈣的數(shù)量增多，形成的鈣饑石的數(shù)暈也增多，由于鈣饑石的體積 大，此時將導致石膏結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)的破壞，內(nèi)部微裂紋增多，宏觀上表現(xiàn)為抗折、抗壓強度的 下降。同吋硫鋁酸鹽水泥摻量過大吋，水分容易進入由鈣銳石膨脹破壞石膏結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)而形 成的微裂紋中，導致石膏制品的體積膨脹，濕抗壓強度減小，軟化系數(shù)降低。4結(jié)論（1）硫鋁酸鹽水泥加入氟石膏后，在飽和的氟石膏漿體屮水化生成微溶性的水化硅 酸鈣與鈣銳石，彌補了石膏結(jié)晶體的高洛解性，可以使氟石膏的凝結(jié)時間大大縮短。（2）硫鋁酸鹽水泥摻量少吋，形成的針狀鈣銳石晶體與水化硅酸鈣凝膠，在以石膏 為主的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)屮，起到了填充、交叉共存的作用，使氟石膏制品的耐水性及強度有