Q相对脱硫石膏氯离子固化和抗压强度的影响.docx

? ? Q相对脱硫石膏氯离子固化和抗压强度的影响 ? ? 武春夏，杨正波，李 帆,，陈红霞，何健辉，张晓菲，杨 露 (1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070；2.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070； 3.北新集团建材股份有限公司，北京 102209；4.武汉理工大学安全科学与应急管理学院，武汉 430070) 0 引 言 中国烟气脱硫作业规模巨大，每年至少产生1亿t的脱硫石膏，如何环保和高附加值利用脱硫石膏成为较大难题[1-2]。通常脱硫石膏可用于水泥外加剂[3],改善盐碱地土壤环境[4-5]和生产石膏板[6]。但其利用程度还受到亚硫酸钙、氯离子、镁离子和重金属离子等杂质的影响[7-10]，这些杂质劣化了脱硫石膏的诸多性能，其中氯离子对脱硫石膏性能影响较为严重。 为提升脱硫石膏应用性能，郭会师等[11]利用18%(质量分数)普通硅酸盐水泥改善了脱硫石膏耐水性能。赵敏等[12]掺入硫铝酸盐水泥来提升脱硫石膏抗压强度，使石膏制品抗压强度提升了43.8%。袁英豪[13]和易伟等[14]将铝酸盐水泥掺入脱硫石膏中，改善了力学性能。尹东杰等[15-16]使用矿物掺合料和沸石-玻璃纤维固化石膏中的氯离子并提升了石膏板的力学性能。 Q相(Ca20Al26Mg3Si3O68)是一种具有潜在成本优势和性能优势的新型材料,Q相较于诸多水泥矿相(C3S、C2S、C4A3?)具有早强高强、抗氯离子侵蚀能力突出的特点，且烧成温度较低[17-19]。Dourdounis等[20]、姜奉华等[21-22]和焦有宙等[17-19]国内外研究者已成功使用低品质原料制备出性能优良的Q相，其应用也正在扩展之中。 本文主要研究了Q相对脱硫石膏氯离子固化性能和抗压强度的影响规律，尝试利用Q相水化产物与脱硫石膏作用实现对氯离子的固化，同时改善石膏制品的力学性能。通过固化氯离子效果和石膏的强度变化来表征Q相改善脱硫石膏性能的效果，并以XRD、SEM、综合热分析等测试表征方法研究Q相改善脱硫石膏性能的机理，为低品位脱硫石膏的应用提供理论支撑。 1 实 验 1.1 原材料和设备 脱硫石膏来自铜川市某电厂，依据JC/T 2074—2011《烟气脱硫石膏》提供的方法测量出铜川脱硫石膏中氯离子含量为1 083.44 mg/kg，其主要化学成分经X射线荧光光谱(XRF)分析技术得到，如表1所示。将脱硫石膏在180 ℃煅烧1.5 h而得到半水石膏[23]，其XRD谱和SEM照片如图1所示。 将分析纯CaCO3、Al2O3、SiO2和(MgCO3)4·Mg(OH)2·5H2O按化学计量比称量并利用混合磨混合均匀，混合均匀的粉末使用100 MPa的压力成型，并保压一段时间。成型的生料经1 350 ℃煅烧3 h后研磨过200目(0.75 μm)方孔筛可得到Q相粉末,其XRD谱和SEM照片如图2所示。 试验所用的化学药品均为国药集团生产的分析纯药品，水为去离子水。仪器为中国中路昌YAW-300E型抗折抗压机、瑞士万通Metrohm-848型自动电位滴定仪、荷兰帕纳科Empyrean型X射线衍射仪、美国赛默飞QUANTA FEG 450型扫描电子显微镜、德国耐驰STA449F3型综合热分析仪。 表1 脱硫石膏的主要化学成分Table 1 Main chemical composition of FGD gypsum 图1 半水石膏的XRD谱和SEM照片Fig.1 XRD pattern and SEM image of hemigypsum 图2 Q相粉末的XRD谱和SEM照片Fig.2 XRD pattern and SEM image of Q phase powder 1.2 试样制备和测试方法 Q相以10%(质量分数，下同)递增的方法掺入到脱硫石膏中，并按照水灰比0.8来制备20 mm×20 mm×20 mm净浆试块，试验分组如表2所示。将试块以自然养护的方式养护至规定龄期后进行各项测试。石膏绝干抗压强度测试的加载速度为0.6 kN/s，结果取3块中符合平均值正负15%的数值求平均值。称量10 g磨细石膏样品置于去离子水中搅拌1 h，经漏斗过滤取得滤液。将滤液置于自动电位滴定仪中使用0.05 mol/L的硝酸银溶液进行自动测量。氯离子含量通过公式(1)计算： (1) 式中：ω是氯离子含量,mg/kg；ΔT是消耗的硝酸银扣除空白组所得的体积，mL；f是校正系数，0.606 6；Tcl是硝酸银溶液对氯化钠的滴定度，2.293 mg/mL；m是石膏的质量，g。 XRD测试扫描速度为5 (°)/min，扫描角度为5°～60°。SEM测试工作电压为15 kV。综合热分析测试在氮气的保护下以10 ℃/min的速率升温至1 000 ℃。 表2 试验分组