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      減水劑對脫硫石膏性能的影響

      2021-01-20 02:38:52朱效甲朱倩倩陳永杰朱玉杰朱蕓馨
      江蘇建材 2020年6期
      關鍵詞:水率漿體需水量

      朱效甲 ,朱倩倩 ,陳永杰 ,朱玉杰 ,朱蕓馨

      (1.濟南市杰美菱鎂建材研究所,山東 濟南 250031;2.山東源圣鈺建材有限公司,山東 泰安 271600)

      0 引言

      脫硫建筑石膏制品具有質輕、保溫、隔熱、吸聲、防火、可循環(huán)利用等優(yōu)點,是國內外推崇的綠色環(huán)保建筑材料[1]。 但是脫硫石膏粉具有較大的比表面積,造成標準稠度需水量大幅提高,導致其水化硬化后的硬化體孔隙率提高,強度降低。 一定程度上限制了脫硫石膏在工程上的推廣應用。 通過添加減水劑, 降低脫硫石膏膠凝材料的標準稠度用水量,進而降低制品孔隙率,是提高其強度的有效方法[2]。 自 20 世紀 80 年代起,德國、日本等國家相繼研發(fā)了一些石膏體系的專用減水劑[3],而我國對此研究相對滯后, 對石膏減水劑的應用和研發(fā)水平相對較低。 目前市場上大多數減水劑是適應于水泥基材料的, 而脫硫石膏與水泥的組成結構、pH 值等方面存在著較大差異,因此,適用于脫硫石膏的減水劑種類需要進行相應的試驗研究。

      1 試驗

      1.1 原材料

      脫硫石膏:山東茌平熱電廠提供。 其化學成分見表 1, 物理性能見表 2,XRD 圖譜見圖 1,SEM 照片見圖2。

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

      由圖2 可以看出,本試驗所用的脫硫石膏的微觀形貌主要為棒狀晶體結構。

      表1 脫硫石膏的主要化學成分 %

      表2 脫硫石膏的物理力學性能

      圖1 脫硫石膏的XRD 圖

      圖2 脫硫石膏的SEM 照片

      粉煤灰(FA):山東濟南熱電廠提供Ⅱ級干排灰,細度為0.08 mm 方孔篩篩余量不大于20%,其化學成分見表3。

      萘系減水劑(FDN-X):山東萊蕪雙泉建筑材料有限公司提供,棕黃色粉末,減水率25%,主要化學成分為β-萘磺酸鈉甲醛縮合物。

      聚羧酸高性能減水劑(PC-NF):山東華迪建筑科技有限公司提供,白色粉末,含水率1.30%,減水率33.2%。

      水:自來水。

      1.2 測試方法

      (1)脫硫石膏標準稠度需水量、凝結時間以及力學強度參照GB/T9776—2008《建筑石膏》進行測試。采用內徑為50 mm 高度為100 mm 的圓筒測試漿體稠度,當擴展度為(180±5)mm 時即為標準稠度需水量,從脫硫石膏與水接觸開始計時,至鋼針第一次碰不到玻璃底板所經歷的時間為初凝時間, 至鋼針第一次插入漿體的深度不大于1 mm 所經歷的時間為終凝時間,力學強度采用40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體試樣,在室內環(huán)境中自然養(yǎng)護至規(guī)定齡期破型。

      表3 粉煤灰的主要化學成分 %

      (2)減水率測試參照 GB80762—1997《混凝土外加劑減水率的快速測定方法》進行測試。 相對固定漿體稠度(老標準維卡儀測定),使?jié){體稠度控制在(40±1)mm,調整減水劑的加量,計算減水率。

      (3)軟化系數:試件泡水48 h 的強度和自然養(yǎng)護28 d 的強度比值。

      2 試驗結果與討論

      2.1 減水劑對脫硫石膏標準稠度需水量及減水率的影響

      標準稠度需水量是石膏基膠凝材料的一個重要工藝參數, 對后期硬化體的強度有著重要的影響。 減水劑通過靜電斥力或空間位阻效應,可有效釋放包裹在石膏顆粒間的自由水,從而減小脫硫石膏的標準稠度需水量。為了明確減水劑的種類和摻量, 測試了萘系FDN-X 減水劑與聚羧酸系 (PCNF) 減水劑對脫硫石膏標準稠度需水量和減水率的影響,結果見圖3,4。

      由圖 3,4 可以看出,隨著 FDN-X、PC-NF 減水劑摻量的增加,脫硫石膏的標準稠度需水量呈下降趨勢,減水率則相應提高。當FDN-X 摻量為1.20%時, 標準稠度需水量由空白試件的54%下降至40%,減水率為25.93%。 當PC-NF 減水劑摻量為0.60%時,標準稠度需水量由空白試件的54%下降至33%,減水率高達38.89%。 由此可以看出,PCNF 減水劑的減水效果優(yōu)于FDN-X 減水劑。PC-NF減水劑低摻量就能達到較理想的減水效果,對脫硫石膏有較好的適應性。

      圖3 FDN-X 摻量對脫硫石膏標準稠度需水量和減水率的影響

      圖4 PC-NF 減水劑對脫硫石膏標準稠度需水量和減水率的影響

      2.2 減水劑對脫硫石膏漿體流動度 (擴展直徑)的影響

      料漿流動度是脫硫石膏漿體施工性能和施工質量的一個重要體現(xiàn)。 一般要求在盡可能減少用水量的前提下提高漿體的流動性, 對石膏基膠凝材料硬化體的致密性、 體積穩(wěn)定性及力學強度大有益處。 考察了FDN-X、PC-NF 兩種減水劑對脫硫石膏工作性能的影響,結果如圖5,6 所示。

      圖5 FDN-X 對脫硫石膏漿體流動度(擴展直徑)的影響

      圖6 PC-NF 對脫硫石膏漿體流動度(擴展直徑)的影響

      減水劑的減水原理是通過減水劑靜電斥力或空間位阻效應,有效釋放漿體中石膏顆粒包裹的自由水,達到減水增強的作用。 也就是說若固定石膏膠凝材料的漿體稠度,增加減水劑的用量,會使?jié){體用水量減少;若固定漿體用水量,增加減水劑的用量,則隨減水劑摻量增加,漿體稠度會逐漸變稀,流動性增加。

      由 圖 5,6 可 以 看 出 ,F(xiàn)DN-X 減 水 劑 摻 量 為1.50%時,石膏漿體擴展直徑由空白試樣的95 mm增加至230 mm,增幅為142.10%,PC-NF 減水劑摻量為0.75%時, 石膏漿體擴展直徑由空白試樣的95 mm 擴大至320 mm,增幅為236.84%,說明PCNF 減水劑對脫硫石膏工作性能優(yōu)于FDN-X 減水劑。 PC-NF 減水劑在低摻量時就會獲得較好的工作性能。

      2.3 減水劑對脫硫石膏凝結時間的影響

      凝結時間是脫硫石膏膠凝材料工作性能優(yōu)劣的重要工藝參數之一。 脫硫石膏的水化活性較高,水化進程較快,凝結時間迅速,為保證有足夠的施工時間,有時還需要添加適量相適應的緩凝劑來改善脫硫石膏的工作性能。合適的減水劑對脫硫石膏的工作性能起到關鍵作用。 考察了FDN-X 和PCNF 兩種減水劑對脫硫石膏凝結時間的影響, 結果見圖 7,8。

      圖7 FDN-X 減水劑對脫硫石膏凝結時間的影響

      圖8 PC-NF 減水劑對脫硫石膏凝結時間的影響

      由圖7 可以看出,隨著FDN-X 減水劑摻量的增加,脫硫石膏漿體的初凝時間、終凝時間皆逐漸縮短,且摻量越大,這種作用效果越明顯。 當摻量為石膏質量的1.20%時,初凝時間和終凝時間分別比空白試件縮短70.59%和58.33%,漿體工作性能明顯劣化。 分析原因是FDN-X 減水劑中含有一定量的堿金屬離子,能夠加快脫硫石膏的水化進程,宏觀上表現(xiàn)為凝結時間縮短,對漿體工作性能造成很大的負面影響。

      由圖8 可以看出, 脫硫石膏中摻加PC-NF 減水劑后, 凝結時間隨其摻量的增加呈逐漸延長趨勢。 當PC-NF 摻量為0.6%時,初凝時間和終凝時間分別為73 min 和133 min, 相比空白試件的初、終凝時間分別延長了329.41%和454.17%,漿體工作性能得到了明顯改善。 說明PC-NF 減水劑具有延長脫硫石膏凝結時間的作用,其原因是聚羧酸減水劑具有空間位阻效應,能夠延長石膏漿體的水化誘導期,延緩石膏的水化進程,從而起到了緩凝的作用。

      2.4 減水劑對脫硫石膏力學強度的影響

      脫硫石膏水化后形成二水石膏,二水石膏結晶體互相交叉連生,形成網絡結構,是石膏漿體硬化并具有強度的基礎。 硬化體的強度由二水石膏結晶體的數量、大小、單個接觸點的強度及單位體積內接觸點的多少決定[4]。 脫硫石膏比表面積大,漿體標準稠度需水量也大, 即使將水粉比降到40%以下,仍然大大多于理論水化需水量(18.6%)[5],多余的水蒸發(fā)后又在硬化體內形成大量的孔隙,既影響脫硫石膏膠凝材料的力學強度,又影響硬化體的結構和晶體發(fā)育。 研究了FDN-X 和PC-NF 兩種減水劑對脫硫石膏力學強度的影響, 結果見圖9,10。

      圖9 FDN-X 減水劑對脫硫石膏力學強度的影響

      圖9 可以看出,隨著FDN-X 減水劑摻量的增加,脫硫石膏各養(yǎng)護齡期的抗折強度、抗壓強度皆呈上升趨勢。 摻量在0%~0.60%時,試件抗壓強度上升幅度較緩,摻量超過0.60%后,抗壓強度上升幅度較大, 當摻量為脫硫石膏質量的1.20%時,試件養(yǎng)護28 d 的抗折強度為6.91 MPa, 比空白試件4.36 MPa 提高 58.94%,抗壓強度為 27.51 MPa,較空白試件14.19 MPa 提高93.87%。

      由圖10 可以看出,試驗范圍內,隨著PC-NF摻量的增加,試件各養(yǎng)護齡期的抗折、抗壓強度皆隨之提高。 當摻量為0.60%時,試件養(yǎng)護28 d 的抗折強度由空白試樣的4.36 MPa 提高至7.41 MPa,提幅為69.95%,抗壓強度由空白試樣的14.19 MPa提高到28.01 MPa,提幅為97.39%。

      圖10 PC-NF 減水劑對脫硫石膏力學強度的影響

      總之,上述兩種減水劑都能大幅度提高脫硫石膏的力學強度,但FDN-X 減水劑摻量相比PC-NF減水劑大得多,同等摻量下,F(xiàn)DN-X 減水劑的作用效果不及PC-NF 減水劑。

      2.5 減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

      減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響結果分別見表 4,5。

      表4 FDN-X 減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

      表5 PC-NF 減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

      由表4、5 可以看出, 隨著減水劑摻量的增加,各試件的抗折、抗壓軟化系數逐漸提高。當FDN-X摻量為1.20%時,抗折軟化系數由空白試件的0.73提高至0.95,提幅為30.13%,抗壓軟化系數由空白試件的0.62 提高至0.92,提幅為48.39%,質量吸水率由空白試件的16.22%降至7.43%, 降幅為54.19%。 PC-NF 摻量為0.60%時,抗折軟化系數由空白試件的0.73 提高至0.97, 提幅為32.88%,抗壓軟化系數由空白試件的0.62 提高至0.94, 提幅為51.61%,質量吸水率由空白試件的16.22%降至5.21%,降幅為67.88%。 說明減水劑摻入脫硫石膏漿體中減少了用水量, 提高了硬化體的密實度,降低了吸水率,減少了水對硬化體的溶蝕,從而提高了脫硫石膏膠凝材料的耐水性。

      3 結論

      (1)FDN-X 和 PC-NF 兩種減水劑都能有效降低脫硫石膏的標準稠度需水量。 摻量為0.60%時,F(xiàn)DN-X 試件標準稠度需水量為44%, 減水率為18.52%。PC-NF 試件標準稠度需水量為33%,減水率38.89%。

      (2)減水劑摻量為0.60%時,F(xiàn)DN-X 試件漿體擴展直徑為205 mm,PC-NF 試件漿體擴展直徑為320 mm。PC-NF 減水劑明顯優(yōu)于FDN-X 減水劑。

      (3)FDN-X 減水劑能夠縮短脫硫石膏的凝結時間,對其工作性能不利,PC-NF 減水劑能夠延長脫硫石膏的初、終凝時間,對脫硫石膏的工作性能非常有益。

      (4)FDN-X 和 PC-NF 兩種減水劑都能不同程度提高脫硫石膏的力學強度。 摻量為0.60%時,F(xiàn)DN-X 試件抗折強度提高31.65%,抗壓強度提高26.49%,PC-NF 試件抗折強度提高69.95%, 抗壓強度提高97.39%。

      (5)FDN-X 和 PC-NF 兩種減水劑都能不同程度地提高脫硫石膏的耐水性。 摻量為0.60%時,F(xiàn)DN-X 試件抗折軟化系數提高15.07%, 抗壓軟化系數提高29.03%,質量吸水率下降43.95%,PC-NF試件抗折軟化系數提高32.88%, 抗壓軟化系數提高54.84%,質量吸水率下降67.88%。

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