α石膏、β石膏、铁尾矿砂制备自流平砂浆及其性能研究
时间：2023-01-16 13:40:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李青霄，张心会，徐开东，王继娜，李志新，刘东洋
（1.河南城建学院 材料与化工学院，河南 平顶山 467036；
2.河南城建学院 能源与建筑环境工程学院，河南 平顶山 467036）
铁尾矿是铁矿石选矿厂排放的废弃物[1]，全国年排放量高达5亿t以上；
脱硫石膏是燃煤（油）电厂烟气脱硫净化处理后得到的工业副产品[2]，全国年排放量超过100万t。2021年河南省铁尾矿堆存量高达9.4亿t；
脱硫石膏堆存量高达1000万t，是全国铁尾矿和脱硫石膏集聚区之一。其堆存量巨大，利用率较低，严重污染环境，解决其资源化利用迫在眉睫。随着城镇化建设的发展，我国建筑领域的资源消耗量增大，充分利用铁尾矿、脱硫石膏等工业固废代替天然矿物资源制备新型建材，能解决天然矿物资源紧缺问题，实现铁尾矿和脱硫石膏的资源化利用，效益显著。
研究表明铁尾矿砂在颗粒形态、级配、强度、耐磨性能方面要优于天然河砂[3-4]，当代替天然河砂用于建筑砂浆时，其砂浆的收缩率高于天然砂和混合砂浆试件[3-5]。脱硫石膏经过煅烧得到的β石膏为片状并有裂纹的晶体，强度较低，但其具有成本低、轻质、保温、可循环利用等特点[6-7]。采用蒸压法能把脱硫石膏制备成α石膏[8-9]。α石膏晶粒为短粗柱状，硬化后具有结构致密、空隙率小，强度高等性能[9]，但其制备成本高。本试验结合经济效益充分利用铁尾矿砂、α石膏、β石膏特性，以α、β石膏为基料，以铁尾矿砂为骨料，添加适量外加剂，设计正交试验试配满足JC/T 1023—2007《石膏基自流平砂浆》要求的石膏自平流砂浆最优配方，借助XRD和SEM揭示砂浆的水化产物和微观形貌与宏观性能之间的关系，为铁尾矿、脱硫石膏的高值资源化利用提供参考。
1.1 原材料
（1）石膏：α石膏来自上海华星公司，由脱硫石膏在蒸压釡131.7 kPa、124℃饱和水蒸气下蒸炼制得，β石膏来自平顶山市电厂，由脱硫石膏在175℃的烘箱中烘4 h获得，石膏的主要化学成分见表1，物理力学性能见表2，微观形貌见图1。
表1 原材料的化学成分 %
表2 石膏的物理力学性能
（2）铁尾矿砂：来自于河南省平顶山市鲁山县观音寺乡，其化学成分见表1，其微观结构呈现不规则形状，表面粗糙度较大，细度模数为1.14，属于细砂。其表观密度为282 kg/m3，堆积密度为1550 kg/m3，孔隙率为45.23%，符合自流平砂浆用砂的要求。
（3）外加剂：减水剂是聚羧酸高效减水剂、缓凝剂是蛋白质类缓凝剂、保水剂是甲基纤维素醚、增加强度外加剂是可再分散乳胶粉、消泡剂是二甲基硅油，均购自于上海臣启化工有限公司。
1.2 试验方法
采用JC/T 1023—2007的试验方法，设计正交试验研究影响α石膏、β石膏自流平砂浆的初、终凝结时间、用水量、流动度、收缩率、强度等基本物理力学性能的因素，结合经济因素，通过极差分析试配出最优配比，借助XRD和SEM分析砂浆的水化产物和微观结构，揭示水化产物、微观形貌与宏观性能之间的关系。
试验所用的抗折抗压试验机（型号：DYE-10AKN）购自于无锡甲优仪器有限公司；
凝结时间测定仪购自于无锡建仪器机械有限公司；
扫描电子显微镜是荷兰FEI公司UANTA 450型扫描电镜；
XRD是荷兰帕纳科X"Pert PRO PD型X射线衍射；
XRF是日本理学Rigaku X射线荧光分析仪。
2.1 正交试验设计
通过前期大量探索性试验，缓凝剂、保水剂、可再分散乳胶粉和消泡剂用量分别为4.8、2.88、14.4、0.96 g，选取α石膏、β石膏、铁尾矿砂、减水剂掺量4个因素，以凝结时间、用水量、流动度、强度、收缩率为性能指标，根据石膏基自流平砂浆的制备技术要求设计L16（44）正交试验，正交试验因素水平表见表3。
表3 正交试验因素水平
2.2 正交试验配合比和试验结果（见表4）
表4 正交试验配合比及结果
2.3 结果分析
2.3.1 初、终凝结时间极差分析
初、终凝结时间会影响自流平砂浆的施工进程，根据施工时间的要求，初终凝结时间需要合理控制。表5为初、终凝时间的极差分析。
表5 初、终凝时间的极差分析
由表5可以看出，α石膏、β石膏、铁尾矿砂和减水剂对初、终凝结时间都有影响，其中对初凝时间影响的主次顺序为：α石膏掺量＞β石膏掺量＞铁尾矿砂掺量＞减水剂掺量；
对终凝时间影响的主次顺序为：α石膏掺量＞铁尾矿砂掺量＞减水剂掺量＞β石膏掺量。α石膏掺量对初、终凝时间的影响最大。α石膏掺量越多，初、终凝时间越长，说明α石膏对砂浆具有缓凝作用。这是因为α石膏是在饱和蒸气压条件通过脱水、重结晶等工艺制成的致密棒状或短柱状结构，在其晶格中，水分子存在刚性关联，缺陷少，结晶程度高[9]。由结构化学原理可知，晶体的缺陷小会造成化学活性减少[6]。α石膏与β石膏、铁尾矿砂相比，结晶较好，缺陷较小，所以其活性低，水化速度慢，因此，α石膏对砂浆具有缓凝作用。
2.3.2 流动度的极差分析（见表6）
表6 流动度的极差分析
由表6可以看出：（1）影响初始流动度的主要因素是β石膏掺量，次要因素是α石膏、铁尾矿砂和减水剂掺量。这主要是因为β石膏多是疏松的、不规则的片状晶粒组成，结晶度差，分散度大，内比表面积大，其活性较大，水化速度快，因此对砂浆的初始流动度影响较大。（2）影响30 min流动度的因素主次顺序为：减水剂掺量＞β石膏掺量＞α石膏掺量＞铁尾矿砂掺量。减水剂掺量是影响30 min流动度的主要因素，这是因为在水化初始阶段，聚羧酸高效减水剂分子通过静电斥力和空间位阻效应改变了石膏颗粒的表面性质[10]，致使砂浆在初始阶段需水量减少，但是随着浆体水化的继续，石膏颗粒被活化分散，水化产物中胶凝颗粒能吸附较多的减水剂分子，致使浆体颗粒表面的电性被中和，静电排斥和空间位阻的协调作用能力降低[10]，破坏了砂浆体系的电化学性质的平衡[10]，此时石膏砂浆开始凝聚，更容易影响砂浆的30 min流动度。
2.3.3 用水量的极差分析
用水量直接影响自流平砂浆的强度，用水量的极差分析见表7。
表7 用水量的极差分析
由表7可以看出，影响用水量的因素顺序为：减水剂掺量＞α石膏掺量＞铁尾矿砂掺量＞β石膏掺量。减水剂掺量对用水量影响最大，这是因为使用的聚羧酸高效减水剂是通过静电斥力和空间位阻的协同作用来阻止石膏颗粒间的直接接触，使石膏浆体释放出被包裹的拌合水[10]。
2.3.4 1 d强度的极差分析（见表8）
表8 1 d强度的极差分析
由表8可知，影响1 d抗折强度的因素顺序为：α石膏掺量＞铁尾矿砂掺量＞减水剂掺量＞β石膏掺量；
影响1 d抗压强度的因素顺序为：α石膏掺量＞减水剂掺量＞铁尾矿砂掺量＞β石膏掺量。α石膏掺量对砂浆1 d抗折、抗压强度的影响最大，这是因为α石膏晶粒为短粗柱状，比表面积较小，硬化后孔隙率小，强度高[9]，在砂浆中是主要的强度来源。
2.3.5 28 d绝干强度的极差分析（见表9）
表9 28 d绝干强度的极差分析
由表9可见，（1）影响28 d绝干抗折强度大小的因素顺序为：铁尾矿砂掺量＞α石膏掺量＞β石膏掺量＞减水剂掺量。铁尾矿砂掺量对28 d绝干抗折强度影响最大，其原因是铁尾矿砂的主要成分为SiO2、Fe2O3、CaO、MgO，随着其掺量的增加，砂浆的水化产物硅酸盐增加，这些硅酸盐晶粒多是纤维状晶粒和针状晶粒，对砂浆的抗折强度不利。（2）影响28 d绝干抗压强度的因素顺序为：α石膏掺量＞减水剂掺量＞β石膏掺量＞铁尾矿掺量。
2.3.6 拉伸粘结强度的极差分析（见表10）
表10 拉伸粘结强度的极差分析
由表10可见，影响粘结强度的因素顺序为：α石膏掺量＞减水剂掺量＞铁尾矿掺量＞β石膏掺量。影响拉伸粘结强度的主要因素是α石膏掺量，其掺量越大，砂浆的拉伸粘结强度越高，其原因是α石膏结晶度较好，比表面积较小，制备浆体时可塑需水量少，硬化体中孔隙率较小，因此，其掺量增加能提高砂浆的拉伸粘结强度。
2.3.7 收缩率的分析
由表4可以看出，各组收缩率都较小，且各个配合比收缩率的变化也很小，这是因为铁尾矿砂会增大砂浆的收缩率[5]，而石膏作为胶凝材料在硬化后会产生微膨胀，所以砂浆体积变化很小，尺寸会更趋于稳定，证明掺铁尾矿砂石膏基自流平砂浆具有稳定体积的特性。
2.3.8 配合比的确定
根据正交试验结果，通过对凝结时间、用水量、流动度、收缩率和强度的分析对比，结合JC/T 1023—2007要求，L4、L5、L6、L9、L13、L14、L15、L16组都符合JC/T 1023—2007要求。其中抗压性能最优的为L13组，抗折性能最优的为L16组。考虑经济因素，选择L6组配合比为最优配比，即m（α石膏）∶m（β石膏）∶m（铁尾矿砂）∶m（减水剂）∶m（缓凝剂）∶m（保水剂）∶m（可再分散乳胶粉）∶m（消泡剂）为640∶320∶220∶2.12∶4.8∶2.88∶14.4∶0.96。
L5、L6砂浆的SEM照片见图2。
由图2可以看出，L5砂浆水化产物是纤维状、针状、柱状、片状和部分不规则形状的晶粒错综复杂交织在一起形成硬化浆体，且硬化体中结构疏松，空隙多；
而L6砂浆中生成较多厚片状、短粗柱状晶粒，且空隙少、结构紧密。这正是L6组比L5组抗压、抗折强度都高的原因。
图3为L5和L6组砂浆水化产物XRD图谱，并与CaSO4·2H2O的标准PDF卡片对照。
由图3可见，L5、L6砂浆水化产物的衍射峰值与标准PDF卡片的衍射谱线基本一致，说明其最终水化产物主要是二水硫酸钙，其余是水化硅酸盐等混合凝胶。L6组与L5组相比，在L6组中β石膏的掺量增加20 g，铁尾矿砂掺量减少20 g，即SO3和CaO的掺量相对增加，SiO2和Fe2O3的掺量相对减少，在其水化产物SEM图片中，可以看到有大量厚片状晶粒和短粗柱状晶粒（主要成分是CaSO4·2H2O）存在，针状、纤维状的晶粒消失，不规则凝胶颗粒相对L5组有所减少，并且这些凝胶颗粒穿插在厚片状晶粒和短柱晶粒之间，形成致密的微观结构，这种密堆积结构能很好的解释L6组比L5组强度高的原因。由此可以看出α石膏、β石膏的水化产物主要是CaSO4·2H2O，其对石膏基自流平砂浆的再生循环利用具有非常重要的意义。
（1）考虑经济因素，优化试验设计得出L6组配合比为最优配比，其配比（g）为m（α石膏）∶m（β石膏）∶m（铁尾矿砂）∶m（减水剂）∶m（缓凝剂）∶m（保水剂）∶m（可再分散乳胶粉）∶m（消泡剂）为640∶320∶220∶2.12∶4.8∶2.88∶14.4∶0.96。在正交试验中抗折性能最优的配比是L16组，其28 d绝干抗折强度达到了8.1 MPa，抗压性能最优的配比是L13组，其28 d绝干抗压强度达到了26.3 MPa。
（3）XRD和SEM分析结果表明，随着厚片状和短柱状水化产物数量增加和紧密结构增多能使自流平砂浆强度增大。
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