憎水剂对脱硫石膏耐水性能的影响

朱效甲，陈永杰，朱芸馨，朱倩倩，朱效兵，朱效涛

（1.济南杰美菱镁建材研究所，山东 济南 250031；2.山东泰安源圣，钰建材有限公司，山东 泰安 271000）

0 引言

烟气脱硫石膏是火电厂烟气湿法脱硫的工业副产品，其基本性质为灰白色粉末状颗粒，平均粒径40～60μm，水化后为短柱状晶体，长径比在1.5～2.5，结构紧密。和天然矿石膏相比，纯度更高、碱含量更低、杂质含量更少，是国内外很受推崇的绿色环保建材。但是，由于脱硫石膏的比表面积较大、标准稠度需水量大大超过了石膏理论水化所需要的水分，导致制品强度降低，使用性能下降，从而制约了在工程上的广泛应用。因此，采取有效措施提高脱硫石膏的耐水性，已成为本领域研究的热点问题。

1 试验

1.1 原材料

（1）脱硫石膏：山东聊城热电厂提供，灰白色粉末，主要化学成分见表1，物理性能见表2。

表1 脱硫石膏的主要化学成分 %

表2 脱硫石膏的物理性能

（2）尾矿粉（CaCO3）:细度为0.15 mm方孔筛筛余量13.0%，含水率为1.17%，CaCO3含量≥90%，市购。

（3）有机硅树脂乳液（A液）：淡黄色液体，固含量25.70%，PH值13.5，密度1.18 g/cm3，市购。

（4）有机硅粉末（G粉）：德国Wacker公司生产，白色粉末。

（5）水：自来水。

1.2 试件制备

将计量好的原材料按照水→脱硫石膏→有机硅憎水剂→尾矿粉的投料顺序进行投料和搅拌，至搅拌均匀，置于40 mm×40 mm×160 mm三联试模内，振动60 s，刮平表面，送养护室养护，24 h脱模，自然养护至规定龄期破型，测试不同养护龄期的力学强度。

1.3 试验方法

强度测试参照GB/T17669.3—1999《建筑石膏力学性能的测定》进行测试。

软化系数测试：浸水后的强度与自然养护14 d的强度值比。

SEM测试：将养护14 d的试件用无水乙醇终止水化，干燥后研磨，过0.075 mm方孔筛，50℃烘干至恒重，冷却至室温，采用粉末压饼法制样检测。

2 试验结果与分析

2.1 憎水剂掺量对脱硫石膏浆体密度的影响

憎水剂掺量对脱硫石膏浆体密度的影响结果见图1、2。

图1 A液掺量对脱硫石膏浆体密度的影响

图2 G粉掺量对脱硫石膏浆体密度的影响

由图1、2可以看出，随憎水剂掺量的增加，浆体密度皆有不同程度的降低，但掺A液试件的浆体密度下降幅度要大于掺G粉试件。当掺量为1.50%时，A液试件密度由空白试件的2.02 g/cm3下降至1.83 g/cm3，下降幅度为9.41%，G粉试件密度由空白试件的2.02 g/cm3下降至1.90 g/cm3，下降幅度为5.94%，分析原因是A液在石膏胶凝材料中具有引气和稳泡功能，在浆体搅拌过程中，能够引入部分空气进入浆体，从而降低浆体密度，而G粉虽然也有一定的引气效果，但引气效果不及A液，所以掺G粉的试件密度要比掺A液试件的密度大一些，降低幅度要小一些。

2.2 憎水剂掺量对脱硫石膏力学强度的影响

不同掺量憎水剂对脱硫石膏养护14 d的抗折强度、抗压强度的影响结果见图3、4。

图3 A液掺量对脱硫石膏强度的影响

图4 G粉掺量对脱硫石膏强度的影响

由图3可以看出，随着A液掺量的增加，试件抗折、抗压强度随之降低，掺量在0～1.0%时，强度下降幅度较小，掺量超过1.0%后，强度下降幅度增大。当掺量为2.0%时，抗折强度由空白试件的4.59 MPa下降至2.24 MPa，降幅为51.20%，抗压强度由空白试件的15.80 MPa下降至11.32 MPa，下降幅度为28.35%。

由图4可以看出，随着G粉掺量的增加，其抗折强度和抗压强度呈先提高后降低的趋势，其下降拐点掺量为0.60%，当掺量为0.60%时，试件抗折强度由空白试件的2.86 MPa提高到3.38 MPa，提幅为18.18%，抗压强度由空白试件的12.22 MPa提高到13.09 MPa，提幅为7.12%。

综上分析，由于A液有机硅憎水剂能在脱硫石膏颗粒表面形成一层极薄的憎水薄膜，这层薄膜影响了石膏颗粒之间的粘接力，导致其力学强度下降[1]，掺入G粉的试件，虽然浆体密度有小幅度降低，但能够提高石膏硬化结晶体的结晶度，促进结晶体的生长和发育，在宏观上表现为力学强度的提高。但是掺量超过0.60%这个最佳值之后，试件密度及力学强度开始大幅度降低。

2.3 憎水剂对脱硫石膏耐水性能的影响

A液、G粉对脱硫石膏耐水性能的影响结果见表3、4。

表3 A液掺量对脱硫石膏耐水性能的影响

表4 G粉掺量对脱硫石膏耐水性能的影响

由表3、4可以看出，随着憎水剂掺量的增加，试件的软化系数逐渐提高，质量吸水率逐渐降低。当A液掺量为2.0%时，试件浸水7 d的抗折软化系数由空白试件的0.58提高到0.95，提幅为63.79%，抗压软化系数由空白试件的0.68提高到1.02，提幅为50%，质量吸水率由空白试件的8.83%下降至1.73%，降幅为80.41%。当G粉掺量为1.20%时，试件浸水7 d的抗折软化系数由空白试件的0.58提高到1.01，提幅为74.18%，抗压软化系数由空白试件的0.68提高到0.88，提幅为29.41%，质量吸水率由空白试件的8.83%下降至1.53%，降幅为82.67%。对比A液和G粉，A液对脱硫石膏的抗压软化系数更有利，而G粉则对脱硫石膏的抗折软化系数更有帮助，这是因为脱硫石膏中掺加有机硅憎水剂后可以影响到石膏硬化体的晶体结构，一般认为，能够产生有效交叉搭接的针状或长棒状的晶体结构对提高材料的抗折强度很有利，而紧密排列的短柱状晶体则对材料的抗压强度有帮助[2]。两种憎水剂对脱硫石膏晶体结构的影响有所差异，造成对抗压、抗折软化系数的差异。

由表3、4还可以看出，A液掺量大于0.5%、G粉掺量大于0.3%后，脱硫石膏浸水7 d的抗折、抗压软化系数皆大于0.8，说明有机硅憎水剂在脱硫石膏硬化体内部的孔隙、空洞、毛细管壁表面已形成憎水薄膜，膜的外向为有机硅基团，可使作用于其表面的水分子内聚力大于水分子与材料之间的作用力，从而产生疏水作用。因此，随憎水剂掺量的增加，试件的抗折、抗压软化系数逐渐提高，质量吸水率随之降低。

2.4 不同憎水剂对脱硫石膏硬化结晶形貌的影响

掺加不同憎水剂的脱硫石膏硬化体SEM照片见图5。

图5 不同憎水剂对脱硫石膏硬化结晶形貌的影响

由图5可以看出，未掺憎水剂的脱硫石膏硬化体的晶体为光滑整齐且疏远的短棒状结构，晶体之间几乎无搭接和穿插现象，结构比较疏松，这也是脱硫石膏力学强度低、耐水性能较差的原因。掺加1.50%的A液的脱硫石膏硬化体表面比较粗糙，出现长径比较小且不规则的条状晶体，晶体之间相互搭接，结构相对比较密实，这是因为有机硅憎水剂能够在晶体颗粒表面形成了一层憎水保护薄膜，并在晶体颗粒之间进行了填充所致。掺入1.20%的G粉后，脱硫石膏硬化体的晶体多呈粗大完整的棒状、条柱状晶体组成，结构致密，晶体生长发育良好，说明G粉能够提高石膏晶体的结晶度[3]，从而提高了脱硫石膏的力学强度和耐水性能。

3 结论

（1）有机硅憎水剂A液和G粉在脱硫石膏浆体中皆具有引气和稳泡功能，结合搅拌设备能够将部分空气引入浆体，并使其稳定存在，从而降低浆体密度，掺量越大，这种作用效果越显著。

（2）A液掺量为2.0%时抗折强度下降51.12%，抗压强度下降28.35；而G粉掺量为0.60%时，抗折强度提高18.18%，抗压强度提高7.12%。

（3）A液、G粉皆能够大幅度提高脱硫石膏的耐水性，降低质量吸水率。

（4）G粉憎水剂能够改变脱硫石膏的微观形貌，提高晶体结晶度，从而提高石膏制品的力学强度、耐水性能和使用性能。