脫硫石膏對硫氧鎂水泥性能影響的試驗研究

朱效甲，朱倩倩，朱蕓馨，朱玉杰

（濟南市杰美菱鎂建材研究所，山東 濟南 250031）

0 引言

硫氧鎂水泥是由活性氧化鎂（MgO）和一定濃度的硫酸鎂（MgS04）溶液制備而成的MgO-MgSO4-H2O 三元膠凝體系。硫氧鎂水泥作為一種鎂質膠凝材料，具有耐火性高、熱導率低、密度低、質量輕等特點，但由于硫氧鎂水泥的力學強度較差，耐水性不佳，制約了其在土木工程領域的應用與推廣。 目前，提高硫氧鎂水泥性能主要有兩種途徑：添加外加劑或礦物摻和料。

以硫氧鎂水泥為基本體系， 摻加不同摻量的煙氣脫硫石膏，研究脫硫石膏對硫氧鎂水泥凝結時間、硬化熱效應、力學強度及耐水性能的影響，為擴大脫硫石膏的應用領域尋求新出路，也為脫硫石膏在硫氧鎂水泥中的應用提供理論支持。

1 試驗

1.1 原材料

輕燒氧化鎂（MgO）: 遼寧海城市華豐礦業有限公司提供，采用水合法[1]測得其活性氧化鎂含量為63.0%， 細度 200 目 （0.08 mm）， 方孔篩篩余量為9.8%，主要化學成分見表1。

表1 輕燒氧化鎂粉主要化學成分 %

工業七水硫酸鎂（MgSO4·7H2O）: 江蘇口緣鎂業有限公司提供， 工業級白色粉末晶體，MgSO4·7H2O含量為99.83%，主要化學成分見表2。

表2 工業七水硫酸鎂主要化學成分 %

煙氣脫硫石膏：山東聊城電熱廠提供，灰白色粉末，其化學成分見表3，物理性能見表4，XRD 圖譜見圖1，SEM 照片見圖2。

表3 煙氣脫硫石膏主要化學成分 %

表4 煙氣脫硫石膏物理性能

圖1 煙氣脫硫石膏XRD 圖譜

圖2 煙氣脫硫石膏SEM 照片

由圖1 可以看出，本試驗所用的煙氣脫硫石膏原料中主要礦物組成是CaSO4·2H2O。

由圖2 可以看出，本試驗所用的煙氣脫硫石膏的微觀形貌主要為棒狀晶體結構。

水：普通自來水。

1.2 試件制備

量取硫酸鎂溶液（密度1.25 g/cm3，純硫酸鎂含量為22.50%），倒入攪拌鍋中，按設計配比稱取其他原材料，依次倒入攪拌鍋中，先慢速攪拌3 min，再快速攪拌4 min， 將攪拌好的料漿注入40 mm×40 mm×160 mm 三聯試模內，振動60 s，刮平模具表面，覆蓋塑料薄膜，在溫度（20±2） ℃、相對濕度（60±5）%的條件下養護24 h 脫模，之后自然養護至規定齡期進行性能測試。

1.3 試驗方案

1.3.1 方案設計

在硫氧鎂水泥中摻加煙氣脫硫石膏的量分別為輕燒氧化鎂質量的 0、10%、20%、30%、40%、50%，用硫酸鎂溶液調整料漿稠度為（39±1） mm。

1.3.2 研究內容

脫硫石膏對硫氧鎂水泥凝結時間、水化硬化熱效應、力學強度、耐水性及質量吸水率的影響。

1.3.3 試驗方法

凝結時間測試參照GB/T7669.4—1999 《建筑石膏凈漿物理性能的測定》； 強度測試參照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢測方法（ISO 法）》；軟化系數參照GB/T23451—2009《建筑用輕質隔墻條板》規定；水化硬化熱效應采用多通路自動巡檢儀測試， 將巡檢儀的熱電偶探頭逐一埋入試件中心，用塑料薄膜覆蓋試件表面，測試不同養護時間硫氧鎂水泥水化硬化反應熱的溫升變化情況。

2 試驗結果與討論

2.1 煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥凝結時間的影響

煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥凝結時間的影響見表5。

表5 煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥凝結時間的影響

由表5 可看出，隨著煙氣脫硫石膏摻量的增加，硫氧鎂水泥的初凝、終凝時間逐漸縮短。 當脫硫石膏摻量低于30%時，硫氧鎂水泥初凝、終凝時間縮短幅度相對較小；當脫硫石膏摻量超過30%時，硫氧鎂水泥的初凝、終凝時間開始大幅度縮短，漿體化學反應進行的相對比較急促。石膏摻量從0 增加至50%時，硫氧鎂水泥初凝時間由350 min 縮短至53 min，縮短幅度為84.86%，終凝時間由460 min縮短至80 min，縮短幅度為82.61%。 硫氧鎂水泥初凝、終凝的時間差也大幅度縮短，由110 min 縮短至27 min，縮短幅度為75.45%。分析原因可能是由于脫硫石膏的初凝時間為17 min、終凝時間為23 min，摻入硫氧鎂水泥中，能夠與硫氧鎂水泥起到共價協同效應，促進并參與了硫氧鎂水泥的水化反應，從而加快了硫氧鎂水泥的水化反應速率，并縮短了硫氧鎂水泥初凝、終凝的時間差。

2.2 煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥漿體需水量的影響

為保證合理的漿體流動度和工作性，將硫氧鎂水泥漿體稠度控制在（39±1） mm，摻加不同量的煙氣脫硫石膏，考察石膏摻量對硫氧鎂水泥漿體需水量的影響，結果見圖3。

圖3 脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥漿體需水量的影響

由圖3 可以看出，隨著煙氣脫硫石膏摻量的增加，水膠比逐漸提高，石膏摻量由0 增加至50%時，水膠比由0.68 提高至0.98，增幅為44.12%。 原因是煙氣脫硫石膏摻加至硫氧鎂水泥漿體中，首先吸收漿體中的水，生成二水硫酸鈣，這個過程需要消耗部分水分，另外，煙氣脫硫石膏自身細度較大，在水化結晶過程中需水量比氧化鎂大，因此，隨著石膏摻量的增加，需水量也隨之提高。

2.3 煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥水化硬化熱效應的影響

膠凝材料的水化硬化過程伴隨著一定的體積膨脹和相應的水化熱釋放， 這兩種現象的共存，能夠促進并加快膠凝材料的水化進程[2]。 脫硫石膏的水化過程也是一個典型的放熱過程[3]，煙氣脫硫石膏和硫氧鎂水泥的水化硬化過程均釋放出大量的水化熱。采用多通路溫度自動巡檢儀通過熱電偶的信號傳輸，記錄石膏-硫氧鎂水泥體系的水化硬化放熱過程，結果見圖4。

圖4 煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥水化硬化熱效應的影響

由圖4 可以看出，隨著煙氣脫硫石膏摻量的增加，硫氧鎂水泥水化過程中出現峰值溫度的時間逐漸縮短， 養護峰值溫度逐漸提高。 石膏摻量在0~30%時，峰值溫度相對較低，且縮短幅度緩慢，當石膏摻量超過30%時，膠凝材料水化速度加快，峰值溫度進一步提高且出現時間進一步縮短，這與漿體凝結時間的規律相吻合。其原因是隨著石膏摻量的增加，煙氣脫硫石膏在硫氧鎂水泥體系中的占比增加，消耗的水量增加，從而加快了膠凝材料的水化反應速率， 與硫氧鎂水泥存在著共價協同效應，促進了石膏-硫氧鎂水泥體系的水化進程，縮短了膠凝材料水化放熱溫度峰值出現的時間，峰值溫度也隨之提高。

2.4 煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥力學強度的影響

煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥力學強度的影響見圖5。

圖5 煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥力學強度的影響

由圖5 可以看出：① 隨著養護齡期的延長，硫氧鎂水泥的力學強度逐漸提高。②隨著煙氣脫硫石膏摻量的增加，試件各養護齡期的抗壓強度呈先提高后降低的趨勢，其最佳臨界摻量為氧化鎂質量的30%。 ③隨著煙氣脫硫石膏摻量的增加，硫氧鎂水泥早期強度發揮較快， 力學強度提高幅度較大，體現了其所具有的早強、高強性。綜上所述，煙氣脫硫石膏摻量較低時（0～30%），遇水迅速水化為分散的二水硫酸鈣晶粒，為后期硫氧鎂水泥晶相的形成提供了異相晶核[4]，而硫氧鎂水泥晶相包覆在二水硫酸鈣晶粒表面，提高了硫氧鎂水泥硬化結晶相的占比，使水泥硬化結晶結構更加致密，從而大幅度提高了硫氧鎂水泥的力學強度。煙氣脫硫石膏摻量較大時（>40%），硫氧鎂水泥的量相對減少，二水硫酸鈣晶粒生成量逐漸增多，硫氧鎂水泥晶相不能全部包覆二水硫酸鈣晶粒，從而使硫氧鎂水泥硬化結構變得較疏松，孔隙增多，導致硫氧鎂水泥體系強度逐漸降低。

2.5 煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥耐水性能的影響

將養護28 d 的試件一組稱重破型，另一組稱重后放入（20±1） ℃的水中，水面需高出試件 20 mm，泡水時間為60 d，測試試件的抗折、抗壓強度，計算試件的質量吸水率及軟化系數，結果見表6。

表6 煙氣脫硫石膏摻量對硫氧鎂水泥耐水性能的影響

由表6 可以看出，無論是養護28 d 的抗折、抗壓強度，還是泡水60 d 的抗折、抗壓軟化系數，其結果皆呈先提高后降低的趨勢， 最佳臨界摻量在30%～40%。 當脫硫石膏摻量為30%時， 試件養護28 d 的抗折強度為6.05 MPa、 抗壓強度為53.03 MPa，泡水60 d 的抗折軟化系數為0.91、抗壓軟化系數為0.83，相比未摻加脫硫石膏的試件分別提高了 84.45%、51.67%、54.74%和 107.50%。 說明脫硫石膏摻量小于30%時， 脫硫石膏遇水反應生成的二水硫酸鈣晶粒能夠被硫氧鎂水泥硬化結晶相完全包覆，提高了致密性，所以能夠大幅度提高試件的力學強度和耐水性。 當摻量大于40%后，脫硫石膏遇水生成的二水硫酸鈣晶粒占比增加，硫氧鎂水泥硬化結晶相無法全部包覆已形成的二水硫酸鈣晶粒，其硬化產物結構變得疏松多孔，致密程度大幅度降低，從而降低了其力學強度和耐水性。

3 結論

（1）隨著煙氣脫硫石膏摻量的增加，硫氧鎂水泥初凝、終凝時間逐漸縮短，摻量小于30%時，凝結速度較慢，摻量大于30%時，漿體初凝、終凝時間大幅度縮短，水化、硬化反應速度加快，初凝、終凝時間差也進一步縮小。

（2）煙氣脫硫石膏摻量由0 增加至50%時，養護峰值溫度由32 ℃提高至37 ℃，增幅為15.63%，出現溫度峰值的時間由450 min 縮短至120 min，縮短幅度為73.33%。

（3）隨著煙氣脫硫石膏摻量的增加，試件各養護齡期的抗壓強度呈先提高后降低趨勢，其最佳臨界摻量為氧化鎂質量的30%。

（4）煙氣脫硫石膏摻量為30%時，試件泡水60 d的抗折軟化系數為0.91， 抗壓軟化系數為0.83，較未摻加石膏的試件抗折、 抗壓軟化系數分別提高51.67%和107.50%。