脫硫石膏理化性質(zhì)及其在水泥基建材中的應用

燕 可 翀

(太原理工大學環(huán)境科學與工程學院，山西 太原 030024)

脫硫石膏理化性質(zhì)及其在水泥基建材中的應用

燕 可 翀

(太原理工大學環(huán)境科學與工程學院，山西 太原 030024)

在系統(tǒng)分析了工業(yè)脫硫石膏顆粒形貌、粒徑分布、化學組分等理化性質(zhì)的基礎上，重點針對其應用于水泥基建筑材料的研究進展進行了歸納總結(jié)，以期為我國工業(yè)脫硫石膏的建材化利用提供一定的技術指導。

脫硫石膏，顆粒形貌，粒徑分布，水泥基建材

0 引言

工業(yè)脫硫石膏是燃煤電廠燃燒含硫煤所生成的煙氣在進行工業(yè)脫硫過程中所得到的一種副產(chǎn)物。截至目前，我國工業(yè)脫硫石膏的產(chǎn)生量已超過8 000萬t。大量的工業(yè)脫硫石膏堆存且得不到有效處置，不僅造成了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，而且造成了一定程度上的資源浪費。工業(yè)脫硫石膏，亦屬于石膏的一種，與天然石膏相類似，它們的主要化學成分相一致，均為二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)。但不同之處表現(xiàn)在工業(yè)脫硫石膏和天然石膏具有差異化的顆粒形貌、粒徑分布和化學成分，特別是就工業(yè)脫硫石膏中雜質(zhì)成分含量上明顯高于天然石膏。正是由于這些差異的存在，導致了工業(yè)脫硫石膏與天然石膏在后續(xù)資源化利用過程中表現(xiàn)出不同的特性。大量研究結(jié)果表明，工業(yè)脫硫石膏可用于建筑、建材、化學化工及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等眾多領域，是一種重要的工業(yè)原材料。特別是就其用于水泥基建筑材料的應用已有廣泛報道，是其處置利用的有效方式和適宜途徑。本文系統(tǒng)分析了工業(yè)脫硫石膏顆粒形貌、粒徑分布、化學組分等理化性質(zhì)，重點針對其應用于水泥基建筑材料的國內(nèi)外研究進展進行歸納總結(jié)，以期為我國工業(yè)脫硫石膏建材化利用提供一定的技術指導。

1 工業(yè)脫硫石膏的理化性質(zhì)

1.1 顆粒形貌與粒徑分布

不同電廠、不同工藝所產(chǎn)生的工業(yè)脫硫石膏在顆粒形貌、粒徑分布等方面具有一定差異，這對其應用于水泥基建筑材料具有較大影響。郭大江等人[1]曾研究表明采用正常脫硫工藝所產(chǎn)生的工業(yè)脫硫石膏外觀呈現(xiàn)灰黃色或灰白色,而當脫硫裝置運行不穩(wěn)定，特別是當有部分粉煤灰進入脫硫裝置時,工業(yè)脫硫石膏則呈現(xiàn)深灰色或者黑色。就工業(yè)脫硫石膏的物理性狀而言，通常其呈現(xiàn)膠粘狀，主要是因為工業(yè)脫硫石膏中通常含有10%～15%的水分。

在工業(yè)脫硫石膏的微觀形貌方面，汪瀟等人[2]曾研究表明工業(yè)脫硫石膏的形貌多種多樣，主要有圓餅狀、球狀、板狀和不規(guī)則形狀等。其中，板狀顆粒以規(guī)則的長方體形貌存在，粉體粒徑相對較大，一般可達50 μm以上；圓餅狀粉體顆粒的直徑約在30 μm～50 μm，厚度可達10 μm，粒徑分布較為均勻；球狀顆粒粒徑分布較寬，大顆粒直徑約20 μm，小顆粒直徑約2 μm，且小顆粒含量較多；不規(guī)則顆粒狀為10 μm～20 μm，多為玻璃態(tài)物質(zhì)。工業(yè)脫硫石膏表觀形象與微觀形貌見圖1。

煅燒工序是工業(yè)脫硫石膏應用過程中常見的處理工藝，因此有必要對工業(yè)脫硫石膏經(jīng)煅燒后的粒度變化加以考察。吳蓉[3]曾對不同電廠工業(yè)脫硫石膏經(jīng)特定溫度煅燒前后的粒度進行測定，實驗結(jié)果表明，未經(jīng)煅燒的工業(yè)脫硫石膏粉體顆粒基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，而經(jīng)過煅燒后的工業(yè)脫硫石膏具有更小的粒徑。對于脫硫石膏而言，粒徑在20 μm～60 μm的顆粒含量約為65%，20 μm～80 μm的顆粒含量約為70%以上，粒徑分布范圍較窄。經(jīng)過煅燒后，粒徑20 μm以下顆粒含量高達70%，20 μm～60 μm的顆粒含量超過28%，20 μm～80 μm的顆粒含量約為30%。因此，可以采用煅燒的方式去獲得粒徑更小的工業(yè)脫硫石膏，以便其后續(xù)利用。

1.2 化學組分與礦物組分

工業(yè)脫硫石膏的化學成分以CaSO4·2H2O為主。不同電廠所生產(chǎn)的工業(yè)脫硫石膏常因燃燒工藝、脫硫工藝的不同而具有較大的差異。但總體上而言，工業(yè)脫硫石膏中都含有一定量的雜質(zhì)成分，如氧化硅、氧化鐵、氧化鋁、氧化鎂等。郭大江等人[1]分析對比了工業(yè)脫硫石膏和天然石膏的化學組分差異，結(jié)果詳見表1。Koukouzas等人[4]也曾系統(tǒng)研究了工業(yè)脫硫石膏的化學組成和礦物組成，發(fā)現(xiàn)工業(yè)脫硫石膏的主要成分為二水硫酸鈣晶相，化學組分中氧化鈣和三氧化硫的含量分別為31.9%～32.5%和45.90%～46.40%。

表1 工業(yè)脫硫石膏和天然石膏的化學組分對比

2 工業(yè)脫硫石膏用于水泥基建筑材料

將工業(yè)脫硫石膏用在水泥基建筑材料中，其作用主要表現(xiàn)在兩個方面：1)脫硫石膏作為燒制水泥熟料礦物的摻合料以及某些混合材料的激發(fā)劑。2)脫硫石膏以硫酸鹽的形式使用，用于水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2和含鋁相反應生產(chǎn)鈣礬石，使其不斷填充于硬化漿體骨架中，從而提高整體的密實程度，最終改善產(chǎn)品的力學性能。

施惠生等人[5]研究表明，將工業(yè)脫硫石膏摻入礦渣水泥中，不但可以改善水泥產(chǎn)品的力學特性，而且還能達到改善水泥機械強度和調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)時間的效果。與添加化學純石膏所得產(chǎn)品相對比，工業(yè)脫硫石膏的添加對礦渣制水泥產(chǎn)品的緩凝效果更顯著，在添加同等硫含量的工業(yè)脫硫石膏時，水泥產(chǎn)品的凝結(jié)時間可延長約20 min。

王昕等人[6]將不同電鏟所產(chǎn)的工業(yè)脫硫石膏用作緩凝劑，同時對其制得水泥產(chǎn)品的物理性能影響進行研究比較，同時探討了工業(yè)脫硫石膏的組分對所制得水泥產(chǎn)品特性的影響。實驗結(jié)果顯示，與添加化學純石膏相比較，采用工業(yè)脫硫石膏對水泥早、后期的機械強度均有一定程度改善，但在水泥凝結(jié)時間方面卻有所差異。此外，研究還表明，采用亞硫酸鈣含量及鈣硫比低的工業(yè)脫硫石膏作為水泥添加劑，其水泥制品的物理性能均接近或部分優(yōu)于摻天然石膏所得產(chǎn)品。

張翔等人[7]將不同添加量的硅酸鹽水泥和粉煤灰摻入工業(yè)脫硫石膏中，形成硅酸鹽水泥—粉煤灰—脫硫石膏復合材料，并研究了其力學性能和耐水性能。結(jié)果表明：當分別添加16%和8%的硅酸鹽水泥和粉煤灰時，復合材料的7 d的抗折強度約為5.85 MPa、抗壓強度約為21.33 MPa，吸水率下降達18.19%。康明等人[8]研究了礦粉、高鈣灰及工業(yè)脫硫石膏對水泥收縮性能方面的影響。實驗結(jié)果顯示，在水泥—礦物復合材料體系中,自收縮隨著復合材料的水化活性增加而增加。孫家瑛等人[9]研究了工業(yè)脫硫石膏無熟料鋼渣水泥混凝土復合材料的力學強度和耐久性，并對其與同配比條件下所獲得的普通硅酸鹽水泥混凝土進行對比，從而提出了工業(yè)脫硫石膏無熟料鋼渣水泥混凝土復合材料的適用領域。

3 我國工業(yè)脫硫石膏建材化利用存在的問題

當前，我國在應用工業(yè)脫硫石膏制備建筑材料方面仍然存在較大的缺陷，主要體現(xiàn)在：1)不同燃煤電廠所產(chǎn)生的工業(yè)脫硫石膏物化性能存在一定程度上的差異，尚缺乏系統(tǒng)的比較和分析；2)大量的工業(yè)脫硫石膏摻入可能會導致水泥基建筑產(chǎn)品發(fā)生膨脹開裂，這也就需要我們進一步探索脫硫石膏復合材料體系與水泥基建筑產(chǎn)品膨脹開裂之間的關系，找出影響試樣膨脹的關鍵因素，并對其加以控制；3)在實際應用過程中，如果不斷增加工業(yè)脫硫石膏摻量，相應的降低水泥摻量，會導致水化產(chǎn)物中的鈣礬石和膠凝成分含量相應地減少，從而致使硬化漿體密實程度下降。密實度的下降會使得空氣中的CO2氣體更容易滲透進入膠凝材料體系內(nèi)部，與水化產(chǎn)物Ca(OH)2生產(chǎn)CaCO3，從而加速碳化，影響建材產(chǎn)品的耐久性[10]。

4 結(jié)語

利用工業(yè)脫硫石膏作為水泥基建筑材料的原料，從成本上能為企業(yè)創(chuàng)造更大的利潤。但因其本身的物理特性和化學特性對建材生產(chǎn)可能造成一定的影響。特別是不同電廠、不同燃燒和脫硫工藝對所產(chǎn)生工業(yè)脫硫石膏的理化性質(zhì)具有較大影響。如若水泥基建筑材料生產(chǎn)過程中采用工業(yè)脫硫石膏作為原料，還需結(jié)合電廠的實際情況，通過系統(tǒng)的實驗來確定工業(yè)脫硫石膏的最佳摻量以及生產(chǎn)條件，在此基礎上才有可能獲得理想的技術經(jīng)濟指標。

[1] 郭大江,袁運法,胡浩然,等.脫硫石膏性能研究及其在普通硅酸鹽水泥中的應用[J].硅酸鹽通報,2010,29(2):357-360.

[2] 汪 瀟,楊留栓,朱新峰,等.濕法脫硫石膏顆粒特性與雜志賦存狀況分析[J].環(huán)境科學與技術,2013，9(36):135-138.

[3] 吳 蓉.脫硫石膏在水泥基材料中的應用[A].亞洲粉煤灰及脫硫石膏綜合利用技術國際交流大會[C].2015:234-238.

[4] Koukouzas N,Vasilstos C. Mineralogical and chemical properties of FGD gypsum from Florina, Greece [J]. J Chem Techn Biotechn, 2008,83(1): 20-26.

[5] 施惠生,劉紅巖.脫硫石膏在礦渣水泥中的資源化利用[J].同濟大學學報(自然科學版),2008，36(1):66-70.

[6] 王 昕,顏碧蘭,劉 晨,等.脫脫硫石膏對水泥性能的影響及其品質(zhì)差異分析[J].水泥,2010(10):1-8.

[7] 張 翔,何延樹,何 娟.硅酸鹽水泥—粉煤灰—脫硫石膏復合材料的性能研究[J].硅酸鹽通報,2014，33(4):796-799.

[8] 康 明,朱洪波,王培銘.礦粉、高鈣灰及脫硫石膏對水泥收縮性能的影響[J].建筑材料學報,2008，11(2):190-194.

[9] 孫家瑛,謝京來.脫硫石膏無熟料鋼渣水泥混凝土物理力學性能研究[J].混凝土,2008(310):9-14.

[10] 伍勇華,姚源,南 峰,等.脫硫石膏—粉煤灰—水泥膠凝體系強度及耐久性能研究[J].硅酸鹽通報,2014,33(2):315-320.

The physical and chemical properties of desulfurization gypsum and its application in cement based building materials

Yan Kechong

(EnvironmentalScienceandEngineeringSchool,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China)

Based on system analysis on the particle morphology, particle size distribution, chemical compositions and other physical and chemical properties of industrial desulfurization gypsum, this paper summarized the research progress applied it in cement based building materials, in order to provide some technical guidance for building materials application of industrial desulfurization gypsum in China.

desulfurization gypsum, particle morphology, particle size distribution, cement based building material

1009-6825(2017)20-0121-02

2017-04-28

燕可翀(1982- )，女，講師

TU525

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