憎水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

朱效甲，陳永杰，朱蕓馨，朱倩倩，朱效兵，朱效濤

（1.濟南杰美菱鎂建材研究所，山東 濟南 250031；2.山東泰安源圣，鈺建材有限公司，山東 泰安 271000）

0 引言

煙氣脫硫石膏是火電廠煙氣濕法脫硫的工業副產品，其基本性質為灰白色粉末狀顆粒，平均粒徑40～60μm，水化后為短柱狀晶體，長徑比在1.5～2.5，結構緊密。和天然礦石膏相比，純度更高、堿含量更低、雜質含量更少，是國內外很受推崇的綠色環保建材。但是，由于脫硫石膏的比表面積較大、標準稠度需水量大大超過了石膏理論水化所需要的水分，導致制品強度降低，使用性能下降，從而制約了在工程上的廣泛應用。因此，采取有效措施提高脫硫石膏的耐水性，已成為本領域研究的熱點問題。

1 試驗

1.1 原材料

（1）脫硫石膏：山東聊城熱電廠提供，灰白色粉末，主要化學成分見表1，物理性能見表2。

表1 脫硫石膏的主要化學成分 %

表2 脫硫石膏的物理性能

（2）尾礦粉（CaCO3）:細度為0.15 mm方孔篩篩余量13.0%，含水率為1.17%，CaCO3含量≥90%，市購。

（3）有機硅樹脂乳液（A液）：淡黃色液體，固含量25.70%，PH值13.5，密度1.18 g/cm3，市購。

（4）有機硅粉末（G粉）：德國Wacker公司生產，白色粉末。

（5）水：自來水。

1.2 試件制備

將計量好的原材料按照水→脫硫石膏→有機硅憎水劑→尾礦粉的投料順序進行投料和攪拌，至攪拌均勻，置于40 mm×40 mm×160 mm三聯試模內，振動60 s，刮平表面，送養護室養護，24 h脫模，自然養護至規定齡期破型，測試不同養護齡期的力學強度。

1.3 試驗方法

強度測試參照GB/T17669.3—1999《建筑石膏力學性能的測定》進行測試。

軟化系數測試：浸水后的強度與自然養護14 d的強度值比。

SEM測試：將養護14 d的試件用無水乙醇終止水化，干燥后研磨，過0.075 mm方孔篩，50℃烘干至恒重，冷卻至室溫，采用粉末壓餅法制樣檢測。

2 試驗結果與分析

2.1 憎水劑摻量對脫硫石膏漿體密度的影響

憎水劑摻量對脫硫石膏漿體密度的影響結果見圖1、2。

圖1 A液摻量對脫硫石膏漿體密度的影響

圖2 G粉摻量對脫硫石膏漿體密度的影響

由圖1、2可以看出，隨憎水劑摻量的增加，漿體密度皆有不同程度的降低，但摻A液試件的漿體密度下降幅度要大于摻G粉試件。當摻量為1.50%時，A液試件密度由空白試件的2.02 g/cm3下降至1.83 g/cm3，下降幅度為9.41%，G粉試件密度由空白試件的2.02 g/cm3下降至1.90 g/cm3，下降幅度為5.94%，分析原因是A液在石膏膠凝材料中具有引氣和穩泡功能，在漿體攪拌過程中，能夠引入部分空氣進入漿體，從而降低漿體密度，而G粉雖然也有一定的引氣效果，但引氣效果不及A液，所以摻G粉的試件密度要比摻A液試件的密度大一些，降低幅度要小一些。

2.2 憎水劑摻量對脫硫石膏力學強度的影響

不同摻量憎水劑對脫硫石膏養護14 d的抗折強度、抗壓強度的影響結果見圖3、4。

圖3 A液摻量對脫硫石膏強度的影響

圖4 G粉摻量對脫硫石膏強度的影響

由圖3可以看出，隨著A液摻量的增加，試件抗折、抗壓強度隨之降低，摻量在0～1.0%時，強度下降幅度較小，摻量超過1.0%后，強度下降幅度增大。當摻量為2.0%時，抗折強度由空白試件的4.59 MPa下降至2.24 MPa，降幅為51.20%，抗壓強度由空白試件的15.80 MPa下降至11.32 MPa，下降幅度為28.35%。

由圖4可以看出，隨著G粉摻量的增加，其抗折強度和抗壓強度呈先提高后降低的趨勢，其下降拐點摻量為0.60%，當摻量為0.60%時，試件抗折強度由空白試件的2.86 MPa提高到3.38 MPa，提幅為18.18%，抗壓強度由空白試件的12.22 MPa提高到13.09 MPa，提幅為7.12%。

綜上分析，由于A液有機硅憎水劑能在脫硫石膏顆粒表面形成一層極薄的憎水薄膜，這層薄膜影響了石膏顆粒之間的粘接力，導致其力學強度下降[1]，摻入G粉的試件，雖然漿體密度有小幅度降低，但能夠提高石膏硬化結晶體的結晶度，促進結晶體的生長和發育，在宏觀上表現為力學強度的提高。但是摻量超過0.60%這個最佳值之后，試件密度及力學強度開始大幅度降低。

2.3 憎水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

A液、G粉對脫硫石膏耐水性能的影響結果見表3、4。

表3 A液摻量對脫硫石膏耐水性能的影響

表4 G粉摻量對脫硫石膏耐水性能的影響

由表3、4可以看出，隨著憎水劑摻量的增加，試件的軟化系數逐漸提高，質量吸水率逐漸降低。當A液摻量為2.0%時，試件浸水7 d的抗折軟化系數由空白試件的0.58提高到0.95，提幅為63.79%，抗壓軟化系數由空白試件的0.68提高到1.02，提幅為50%，質量吸水率由空白試件的8.83%下降至1.73%，降幅為80.41%。當G粉摻量為1.20%時，試件浸水7 d的抗折軟化系數由空白試件的0.58提高到1.01，提幅為74.18%，抗壓軟化系數由空白試件的0.68提高到0.88，提幅為29.41%，質量吸水率由空白試件的8.83%下降至1.53%，降幅為82.67%。對比A液和G粉，A液對脫硫石膏的抗壓軟化系數更有利，而G粉則對脫硫石膏的抗折軟化系數更有幫助，這是因為脫硫石膏中摻加有機硅憎水劑后可以影響到石膏硬化體的晶體結構，一般認為，能夠產生有效交叉搭接的針狀或長棒狀的晶體結構對提高材料的抗折強度很有利，而緊密排列的短柱狀晶體則對材料的抗壓強度有幫助[2]。兩種憎水劑對脫硫石膏晶體結構的影響有所差異，造成對抗壓、抗折軟化系數的差異。

由表3、4還可以看出，A液摻量大于0.5%、G粉摻量大于0.3%后，脫硫石膏浸水7 d的抗折、抗壓軟化系數皆大于0.8，說明有機硅憎水劑在脫硫石膏硬化體內部的孔隙、空洞、毛細管壁表面已形成憎水薄膜，膜的外向為有機硅基團，可使作用于其表面的水分子內聚力大于水分子與材料之間的作用力，從而產生疏水作用。因此，隨憎水劑摻量的增加，試件的抗折、抗壓軟化系數逐漸提高，質量吸水率隨之降低。

2.4 不同憎水劑對脫硫石膏硬化結晶形貌的影響

摻加不同憎水劑的脫硫石膏硬化體SEM照片見圖5。

圖5 不同憎水劑對脫硫石膏硬化結晶形貌的影響

由圖5可以看出，未摻憎水劑的脫硫石膏硬化體的晶體為光滑整齊且疏遠的短棒狀結構，晶體之間幾乎無搭接和穿插現象，結構比較疏松，這也是脫硫石膏力學強度低、耐水性能較差的原因。摻加1.50%的A液的脫硫石膏硬化體表面比較粗糙，出現長徑比較小且不規則的條狀晶體，晶體之間相互搭接，結構相對比較密實，這是因為有機硅憎水劑能夠在晶體顆粒表面形成了一層憎水保護薄膜，并在晶體顆粒之間進行了填充所致。摻入1.20%的G粉后，脫硫石膏硬化體的晶體多呈粗大完整的棒狀、條柱狀晶體組成，結構致密，晶體生長發育良好，說明G粉能夠提高石膏晶體的結晶度[3]，從而提高了脫硫石膏的力學強度和耐水性能。

3 結論

（1）有機硅憎水劑A液和G粉在脫硫石膏漿體中皆具有引氣和穩泡功能，結合攪拌設備能夠將部分空氣引入漿體，并使其穩定存在，從而降低漿體密度，摻量越大，這種作用效果越顯著。

（2）A液摻量為2.0%時抗折強度下降51.12%，抗壓強度下降28.35；而G粉摻量為0.60%時，抗折強度提高18.18%，抗壓強度提高7.12%。

（3）A液、G粉皆能夠大幅度提高脫硫石膏的耐水性，降低質量吸水率。

（4）G粉憎水劑能夠改變脫硫石膏的微觀形貌，提高晶體結晶度，從而提高石膏制品的力學強度、耐水性能和使用性能。