硫鋁酸鹽水泥對(duì)氟石膏的改性研究

1、硫鋁酸鹽水泥對(duì)氟石膏的改性研究摘要：以硫鋁酸鹽水泥為激發(fā)劑對(duì)氟石膏進(jìn)行改性，實(shí)驗(yàn)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(shí)間，使試件的耐水性及強(qiáng)度均有較大幅度的 提髙。通過(guò)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(qiáng)度；耐水性1刖5氟石膏是氫氟酸制備過(guò)程中的副產(chǎn)品，我國(guó)無(wú)水hf產(chǎn)暈每年約為6.5萬(wàn)t,而制造每噸 i1f產(chǎn)生氟石膏約3.51,總計(jì)氟石膏產(chǎn)生量每年約為23萬(wàn)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(qiáng)度。用其成型的試樣強(qiáng)度低、吸水率大，吸 水后的強(qiáng)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(guò)某些措施來(lái)激發(fā);，: 氛石膏的活性，提高其強(qiáng)度和耐水性能，將改性后的氟石膏應(yīng)用于生產(chǎn)中，既有利于保護(hù)環(huán) 境，又能節(jié)約能源和資源符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。本實(shí)驗(yàn)以硫鋁酸鹽水泥對(duì)氟石膏進(jìn)行改性通過(guò)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(guò)程和微觀結(jié)構(gòu)。2原材料與實(shí)驗(yàn)2.1原材料2.1.1氟石膏本實(shí)驗(yàn)所使用的氟石膏是山東某化工廠提供的，其化學(xué)成分、組

3、成見表1、表2。氛石膏的化學(xué)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(wú)水石膏gag）的純度很高,可達(dá)94.92%,還有少量未反應(yīng)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(shí)驗(yàn)本次實(shí)驗(yàn)擬考察不同摻加量的硫鋁酸鹽水泥對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分別測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)稠度后，澆 注成型出尺寸為期)n,m % 40 mm x 160 mn>的標(biāo)準(zhǔn)試件，每個(gè)配合比成型6個(gè)試件，在實(shí) 驗(yàn)室條件下自然養(yǎng)護(hù)3(1、7小，再于.wo ±2八:烘至絕干后分別測(cè)試試件的抗壓、抗折 強(qiáng)度、軟化系數(shù)等基本物理性能。以上實(shí)驗(yàn)均按照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) (；b9776 - 1988建筑石膏進(jìn)行。對(duì)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(jìn)行掃描電鏡分析。3.

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.1基本物理性能測(cè)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(cè)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(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度低，3(1抗壓強(qiáng)度只有3. so ipa>,試樣吸水率大，吸水后的強(qiáng)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(qiáng)度比沒(méi)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(duì)氟石膏凝結(jié)性能、吸 水率及軟化系數(shù)、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)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(cè)試結(jié)果sac 含 t：/%標(biāo)準(zhǔn)稠度/坯初凝/min終凝/miri -吸水率/強(qiáng)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(duì)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(shí)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(shí)，使氟 石膏的初、終凝時(shí)間下降到3 h以下，已經(jīng)基本符合膠凝材料対初、終凝時(shí)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(shí)間與終凝吋間均呈縮短趨勢(shì)，硫鋁酸鹽水泥摻 加量為15%時(shí),初凝時(shí)間可以達(dá)到l()5 mi叫 終凝時(shí)間可以達(dá)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(duì)械右仔礙結(jié)時(shí)問(wèn)的影響 圖2 銘鋁酸硅k尼就對(duì)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(shí)，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小；當(dāng)摻量超過(guò)10%時(shí)，軟化系數(shù)有所下降，吸水率有所增 大。實(shí)驗(yàn)表明，硫鋁酸鹽水泥摻量為10%時(shí)，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(qiáng)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(qiáng)度增加，摻暈超過(guò)10%后抗折強(qiáng)度有下降趨勢(shì)，硫鋁酸鹽水泥摻暈在10% 時(shí)其抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值。比較3d和7d的抗折強(qiáng)度隨硫鋁酸鹽水泥摻量增加而變化的折線 的斜率，7d對(duì)應(yīng)的折線斜率略微大于3d對(duì)應(yīng)的折線斜率，可以看出硫鋁酸

9、鹽水泥摻量的增 加對(duì)7d抗折強(qiáng)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(duì)緘仃ft抗折強(qiáng)度的論響圖4 硫鋁酸鹽水泥儈肚對(duì)緘仃疔抗壓強(qiáng)度的妙響3(和7d的抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與抗折強(qiáng)度基本相同，如圖4所示。當(dāng)摻加10%的硫 鋁酸鹽水泥吋，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。實(shí)驗(yàn)表明，摻加硫鋁酸鹽水泥后使氟石膏試樣的耐水性及強(qiáng)度均有提高，但并不是成 正比增加。隨硫鋁酸鹽水泥增加，強(qiáng)度性能和耐水性指標(biāo)上升到一定程度后，又出現(xiàn)了下降 的趨勢(shì)。由以上實(shí)驗(yàn)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(dá)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(cè)試與分析用掃描電鏡觀察硫鋁酸鹽水泥摻量為5%和10%時(shí)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(shí)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(shí)由于各組分的水化反應(yīng)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(guò)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(duì)制品起 到增強(qiáng)作用，從而使石膏基混合膠材料的強(qiáng)度產(chǎn)生較大幅度的提高。在硫鋁酸鹽水泥摻量少時(shí)，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(duì)抗壓、抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)的作用；隨著摻 量的進(jìn)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(shí)將導(dǎo)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(qiáng)度的 下降。同吋硫鋁酸鹽水泥摻量過(guò)大吋，水分容易進(jìn)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(dǎo)致石膏制品的體積膨脹，濕抗壓強(qiáng)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(bǔ)了石膏結(jié)晶體的高洛解性，可以使氟石膏的凝結(jié)時(shí)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(qiáng)度有