石膏复合材料范文（精选9篇）
石膏复合材料 第1篇
以PG为主要原料,复配适量的矿渣微粉制备磷石膏基胶凝材料(PGS),可以作为二次利用PG的新途径。Altun[6]利用未处理PG掺入硅酸盐水泥中,性能优于天然石膏,仅利用3%的PG;Shen等[7]利用PG制备新型土壤固化材料,仅利用2.5%的PG;杨家宽[8]利用不同蒸汽条件处理PG,将其40%用于制备蒸压砖,抗压强度仅为25 MPa左右。目前PG的处理费用高、利用率低和PG制品养护要求高、强度低等制约PG在建筑材料领域的运用,笔者在未处理的PG中掺入矿渣微粉,在水泥和液体激发作用下制备了性能优良的PGS,以及掺入粉煤灰和钢渣制备免煅烧的磷石膏砖,以期有助于提高工业废物的资源化利用和建筑材料生产的节能水平。
1 原材料与实验方法
1.1 原材料
PG(四川绵阳),灰色粉末状,主要成分是Ca SO4·2H2O(见图1),粒径较粗(见图2);矿渣(江苏南京),粉末状,比表面积为410 m2/kg;Ⅰ级粉煤灰,粉末状,三种原材料的化学组成见表1;52.5级普通硅酸盐水泥(江苏南京);钢渣(江苏南京),粒径为1 mm~5 mm;碱激发剂自制;保水剂市售甲基纤维素。
注:R2O表示碱金属氧化物,PG烧失量22.91%。
1.2 实验方法
按PG:矿渣:水泥质量比为50∶40∶10混合,在保水剂(掺量为0.2%,外加剂均外掺)、碱激发剂(1%、3%和5%)和水固质量比0.3作用下制备PGS。试样在20℃(湿度大于70%)下养护至规定龄期时,利用WHY-5型压力试验机和KZY-30电动抗折仪测试硬化体不同龄期的抗压强度和抗折强度。利用GT-60型压汞仪测试试块孔隙率和孔径分布,并利用JSM-5900型扫描电子显微镜,对试块的断面形貌进行分析。
2 结果与讨论
2.1 不同碱激发掺量时PGS的性能
复合碱激发剂为PGS体系提供OH-和SO42-,有利地促进水化反应和生成更多的水硬性产物(AFt和C-S-H凝胶)[9],不同碱激发剂掺量时PGS的性能见表2。
由表2可知,PGS浆体凝结时间随着碱激发剂的掺量增加呈缩短的趋势,PGS固化体抗压强度和抗折强度随着碱激发剂的掺量增加呈先增加后减小的趋势,当激发剂的掺量在3%时,7 d和28 d的PGS固化体抗压强度(28.5 MPa和41.9 MPa)分别较未掺激发剂的提高了45.6%和47.3%,7 d和28 d的PGS固化体抗折强度(5.1 MPa和7.1 MPa)分别较未掺激发剂的提高了37.3%和42.3%,此时初凝时间和终凝时间分别为3 h25 min和6 h29 min,28 d软化系数为0.94。这可能是碱激发剂提高了体系的碱度,中和磷石膏的酸和促进PG体系的水化,缩短凝结时间;适量的碱激发剂可以致密PGS的空隙,改善其强度和耐水性,而过量的碱激发剂生成过多的AFt,致体系膨胀而性能下降。
2.2 化纤增韧补强磷石膏复合材料
抗压强度可以有效评价PGS固化体承受载荷的大小,抗压强度高,PGS固化体承受的载荷大。抗冲击功和抗折强度可以有效评价PGS固化体的韧性,抗冲击功和抗折强度大,PGS固化体的韧性则高。不同特种化纤掺量时PGS固化体的力学性能见表3。
由表3可知,特种化纤的掺入对PGS固化体的力学性的影响较大,且掺量在0.3%时PGS固化体力学性能最佳,28 d龄期的抗压强度、抗折强度和抗冲击功(为48.1 MPa、4.8 MPa和1213 J·m-2)分别较净浆的提高了20.6%、18.8%和69.7%。这主要是适量特种化纤侨联搭接作用显著,可以提高PGS固化体的强度和韧性;过量的纤维取代了过多PGS固化体基体的位置,且在搅浆过程中容易引入气泡,致PGS固化体强度降低,由于纤维可能形成更复杂的网状结构,使PGS固化体的韧性增加。从经济和力学性能的角度出发,本文选取化纤的掺量在0.3%。
2.3 PGS固化体微观形貌分析
PGS固化体的水化产物主要为Ca SO4·2H2O晶体,以及少量针状AFt晶体(见图3)。有关文献[10]指出由于水化硅酸钙C-S-H结晶形态差,大部分以无定形态凝胶的形式存在,一些弥散的衍射峰被Ca SO4·2H2O晶体的衍射峰覆盖,因此难以看出水化过程中C-S-H的存在。
矿渣在水泥作用下,活性二氧化硅和三氧化铝不断地从矿渣玻璃体中解离出来参与水化反应,水化产物随着养护龄期的延长不断地生成,孔结构致密,强度和耐水性改善,断面形貌见图4,其中(a)为PGS净浆固化体断面相貌,(b)为掺0.3%的PGS断面相貌。
由图4可知,PGS净浆固化体内部主要的晶相为Ca SO4·2H2O以及少量的AFt晶体;根据Edinger理论[11]可知,碱激发提高了体系的碱度,使Ca SO4·2H2O晶体粒径变细(结合图2);大量絮状的C-S-H凝胶包覆各个组分形成网状致密的结构,从宏观上提高PGS固化体的力学性能;具有侨联搭接作用的化纤深深地插入PGS固化体内部,且C-S-H凝胶粘结在化纤表面,两者协同作用缓解外力对整体的破坏作用。
2.4 不同细骨料的PGS砂浆的性能
PGS粉料是由原状的磷石膏、矿渣和水泥混合而成,单靠搅拌将PGS混匀需要较长时间,而且也无法判断。本文利用细骨料(钢渣)的收缩性能小、颗粒级配和参与水化作用,使粉料在搅浆过程中充分均匀,水化过程中改善体系的致密性和抑制开裂。本实验将测试了在20℃(湿度大于70%)养护下钢渣比例为1:1和1:2的磷石膏砖的力学性能,实验结果见表4。
由表4可知,磷石膏砖的力学性能随着钢渣比例的增加呈减小的趋势,随着养护龄期的延长呈增加的趋势。在钢渣比例在1:1时免煅烧磷石膏砖的性能最佳,28 d抗压强度和抗折强度分别为57.1 MPa和4.8 MPa,此时吸水率和软化系数分别为3.8%和0.97%。
2.5 不同粉煤灰掺量时PGS砂浆性能的性能
粉煤灰中含有大量的活性物质Si O2和Al2O3,在PGS内掺有该活性物质,不仅可以解决PGS的耐水性,而且可以大量利用固体废弃物同时降低生产成本,不同粉煤灰掺量时PGS砂浆性能见表5。
由表5可知,粉煤灰掺入对PGS砂浆性能的影响较大,PGS砂浆抗压强度和抗折强度随着粉煤灰掺量的增加呈现递减的趋势,且随着养护龄期的延长呈现递增的趋势。未掺粉煤灰PGS砂浆抗压强度和抗折强度(分别为47.1MPa和4.8 MPa)最佳,24 h吸水率和软化系数分别为3.8%和0.97。但综合考虑性能和成本,粉煤灰掺量在20%时,PGS砂浆抗压强度和抗折强度(22.1 MPa和3.4 MPa),可满足《粉煤灰砖》强度等级MU15的要求,吸水率和软化系数分别为4.9%和0.94。
2.6 PGS砂浆抗冻性能
为了进一步研究PGS砂浆的耐久性能,本文将按照JC 239-2001《粉煤灰砖》的要求测试磷石膏砖的抗冻性能,其实验结果见表6。
由表6可知,PGS砂浆抗冻性能均满足JC239-2001《粉煤灰砖》的要求。这是因为矿渣在硫酸盐、碱性激发剂和水泥激发下,生成大量的絮状C-S-H凝胶,包覆磷石膏砖的各个组分,形成致密的网状结构,进而改善了PGS砂浆致密性和抗冻性能;粉煤灰不仅可以填充密实PGS砂浆,而且一部分参与后期水化,生成水硬性物质。当粉煤灰掺量在20%,PGS砂浆质量损失率、抗压强度损失率和抗折强度损失率分别为1.5%、4.5%和4.3%。
3 结论
当激发剂的掺量在3%时,7 d和28 d的PGS固化体抗压强度分别较未掺激发剂的提高了45.6%和47.3%,7 d和28 d的PGS固化体抗折强度分别较未掺激发剂的提高了37.3%和42.3%,28 d软化系数为0.94。
在钢渣比例在1:1时PGS钢渣浆的性能最佳,28 d抗压强度和抗折强度分别为57.1 MPa和4.8 MPa,此时吸水率和软化系数分别为3.8%和0.97%。
特种化纤的掺入对PGS固化体的力学性的影响较大,且掺量在0.3%时PGS固化体力学性能最佳,28 d龄期的抗压强度、抗折强度和抗冲击功(为48.1 MPa、4.8 MPa和1213 J·m-2)分别较净浆的提高了20.6%、18.8%和69.7%。
磷石膏砖的抗压强度和抗折强度随着粉煤灰掺量的增加呈现递减的趋势,且随着养护龄期的延长呈现递增的趋势。粉煤灰掺量在20%时,磷石膏砖的抗压强度和抗折强度分别为22.1 MPa和3.4 MPa,吸水率和软化系数分别为4.9%和0.94,质量损失率、抗压强度损失率和抗折强度损失率分别为1.5%、4.5%和4.3%。
摘要：在激发剂的作用下,利用矿渣改性磷石膏(PG)制备磷石膏基胶凝材料(PGS),然后研究掺入钢渣和粉煤灰制备磷石膏复合材料的性能情况。结果表明:当激发剂掺量在3%时,在20℃(湿度大于70%)养护下PGS固化体28d的抗压强度和抗折强度(41.9MPa和7.1MPa)分别较未掺激发剂的提高了47.3%和42.3%,28d软化系数为0.94;当钢渣比例在1:1时,磷石膏砂浆性能最佳,28d抗压强度和抗折强度分别为57.1MPa和4.8MPa;粉煤灰掺量在20%时,磷石膏砂浆抗压强度和抗折强度分别为22.1MPa和3.4MPa,吸水率和软化系数分别为4.9%和0.94,质量损失率、抗压强度损失率和抗折强度损失率分别为1.5%、4.5%和4.3%。
关键词：磷石膏,矿渣,粉煤灰,胶凝材料,砂浆
参考文献
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[10]范立瑛,王志.硫酸铝对脱硫石膏基钢渣复合材料性能的影响[J].新型建筑材料,2010(3).
石膏复合材料 第2篇
资料
这样在安装完毕后再经表面刷漆处理，能够保持立体感，从而保证浮雕的艺术性和美观性。
二、注意感觉表面光洁度浮雕产品表面无破损，干净整齐、质地细腻，手感越光滑，刷漆后效果越好。
三、注意产品的厚薄石膏系气密性胶凝材料,产品必须达到相应厚度,才能保证使用年限和使用期间的完整和完美。
四、注意辨别生产厂家与商标，当今市面上不少小厂商，使用低劣石膏粉进行生产，并贴用假冒名牌商标，以低廉价格冲击市场，有的价格比正规产品便宜三分之一至二分之一，对不少消费者颇具吸引力，而在使用后才大呼上当。
石膏复合材料 第3篇
1 实验部分
1.1 试验原料
建筑石膏:采用山东泰安鹏程有限公司生产的建筑石膏粉, 灰白色粉末, 性能满足GBT 9776-2008《建筑石膏》的标准要求;棉花秸秆:取自济南市南郊农田。
1.2 实验步骤
棉花秸秆依次经破碎、取皮、打纤、洗涤、烘干等工序, 制得棉秆皮纤维。按比例称取石膏、水和纤维, 在搅拌器中搅拌均匀, 注入40 mm×40 mm×160 mm的模具内固化成型, 2 h后脱模, 脱模后的试样放入烘箱, 在40℃±2℃条件下烘干, 绝干后测试其各项性能。
2 结果与讨论
2.1 掺加工艺的确定
在棉秆皮纤维增强石膏复合材料的制备过程中, 当纤维的长度和掺量确定的情况下, 掺加工艺的不同会影响复合材料的各项性能, 所以要通过试验先确定出最佳的掺加工艺以便进一步的探索和研究。试验中选用9 mm~15 mm长的纤维, 纤维用量为石膏质量的2%, 分别采用先掺法、同掺法和后掺法, 制备棉秆皮纤维/石膏复合材料。先掺法是纤维先和水搅拌均匀再和石膏混合, 同掺法是纤维和石膏搅拌均匀再加水搅匀, 后掺法是石膏先与水搅匀后再与纤维混合。对三种掺加工艺制备的复合材料的性能进行测试, 考察抗折强度和抗压强度, 得出最佳掺加工艺, 试验结果见表1。
由表1的数据比较不同掺加工艺对复合材料力学性能的影响, 可以看出采用后掺法制备的棉秆皮纤维/石膏复合材料, 力学性能最优, 为最佳掺加工艺。这是由于采用后掺法时, 水先与石膏混合搅拌成均匀浆体, 再加入棉秆皮纤维搅拌均匀, 此种掺加工艺既保证了纤维分散均匀, 又能使纤维很好的得到石膏的包裹, 故后掺法要优于其他两种掺加工艺。
2.2 棉秆皮纤维最佳长度和最佳掺量的确定
为探讨不同纤维长度和纤维掺量对复合材料力学性能的影响, 试验中分别用不同长度和不同掺量的纤维对石膏进行增强, 测试其对石膏抗折强度的增强效果。试验结果见表2。
从表2可以看出, 当纤维长度为2 mm~8 mm时, 增强效果不明显, 这可能是由于纤维长度过短, 石膏与纤维机械结合不牢固, 不能明显起到增强抗折强度的作用, 纤维为16 mm~22 mm时, 增强效果也不理想, 这可能是因为纤维过长, 导致搅拌时纤维弯曲结团现象严重, 无法搅匀, 进而影响增强效果;当纤维掺量较小 (小于1%) 时, 不足以达到增强抗折的效果, 当棉秆皮纤维掺量过多时, 由于体积太大, 石膏无法充分包裹棉秆皮纤维, 使其成型效果不理想。当纤维长度为9 mm~15 mm, 掺量为石膏质量的3%时能明显增强石膏的抗折强度, 与未掺加纤维的试样相比, 抗折强度提高了33%。故棉秆皮纤维的最佳长度为9 mm~15 mm, 最佳掺量为3%。棉秆皮纤维增强石膏材料的断面如图1所示。
2.3 棉秆皮纤维的掺加对复合材料性能的影响
棉秆皮纤维的掺入在提高石膏制品抗折强度的同时, 也会影响石膏制品的其他性能, 比如耐水性能和抗压强度。试验分别采用最佳长度 (9 mm~15 mm) 不同掺量的纤维增强石膏制成棉秆皮纤维/石膏复合材料试样, 对试样的力学性能和耐水性能进行测试, 以便研究纤维掺入对石膏性能的影响情况。试验分五组, 纤维掺量为0%~4%, 测试复合材料性能, 为更直观、清晰地反映纤维掺入后的影响, 将试验结果绘制图2~图4。
棉秆皮纤维掺量对复合材料力学性能的影响如图2所示。由图2可以看出, 随着纤维掺量的增加, 复合材料的抗折强度先升高后下降, 当掺量为3%时效果最佳, 而抗压强度一直下降。对于抗折强度而言, 当纤维掺量小于3%时, 随着纤维掺量的增加, 均匀分布在石膏基体中的纤维间距变小, 能有效地阻止微裂纹在石膏基体中扩展, 同时随着纤维含量的增加, 纤维与石膏集体之间的机械咬合力也不断增大, 宏观上表现为抗折强的增加;当纤维掺量超过最佳掺量, 由于纤维体积逐渐接近石膏粉的体积, 石膏不能完全包覆所有的纤维, 纤维与石膏基体的界面结合下降, 导致大量缺陷的产生, 使得成形效果很不理想, 抗折强度下降。对于抗压强度而言, 由于棉秆皮纤维的致密度小, 硬度远小于石膏的硬度, 不能发挥集料效应, 而成为缺陷产生的根源, 而当纤维掺量过多时, 还将导致纤维的结团, 缺陷将进一步增加, 表现为抗压强度的不断下降。
棉秆皮纤维掺加对试样耐水性能的影响如图3和图4所示, 由图可以看出, 随着棉秆皮纤维掺量的增加, 试样的吸水率不断升高, 软化系数先升高后降低。棉秆皮纤维是一种多孔、质轻、密度小、易吸水的纤维, 纤维的掺加使得复合材料的致密度减小, 孔隙率进一步增大, 宏观上表现为吸水率的升高;当纤维掺量小于3%时, 由于纤维本身具有吸水后抗折、抗压强度保留率高的特点, 导致其在石膏吸水后仍具有较好的增强效果, 故软化系数的升高;当纤维掺量大于4%时, 由于纤维体积过大, 纤维在石膏基体中结团, 石膏不能很好地包覆纤维, 纤维不能充分发挥增强作用, 从而软化系数降低。
3 结论
试验证明, 在用棉秆皮纤维增强石膏时, 棉秆皮纤维的最佳掺加工艺为后掺法。
棉秆皮纤维能明显提高石膏的抗折强度, 当纤维长度9 mm~15 mm, 掺量为石膏质量的3%时, 增强效果最好, 使石膏抗折强度由2.97 MPa升至3.96 MPa, 提高33%。
棉秆皮纤维提高石膏制品的抗折强度的同时降低了石膏的抗压强度, 与空白样相比, 复合材料的吸水率升高, 而耐水性并未下降。
参考文献
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[7]吴树栋.我国农作物秸秆综合利用现状[J].人造板通讯, 2005 (8) .
山西石膏山景区 第4篇
山西石膏山旅游景区位于山西灵石县境内，平均海拔2532米，是山西省级风景名胜区。风景区总面积约60平方公里，已开发的游览面积约6平方公里。这里，奇峰叠翠，高人云表，风景奇特。每当春末或初冬，山下已是春雨沙沙，或秋雨绵绵，山上依然是白雪皑皑，蔚为奇观。
雪不是石膏山独有，然而，石膏山的雪景之美，却是独具一格。北方的雪大来得也生猛，一下子将大地整个罩住，世界白茫茫一片，正应了“忽如一夜春风来，千树万树梨花开。”式的妩媚。山西石膏山的雪将豪放、轻柔完美结合，相得益彰、美轮美奂。
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脱硫石膏自流平材料的研究 第5篇
自流平材料按主要基材分为无机系和有机系两类[2],无机系自流平材料主要包括石膏基和水泥基2类。自流平材料具有良好的流动性和稳定性,施工方便,是一种理想的找平材料。石膏基自流平材料由于耐水性差,强度不高,表面硬度低等不足,使用范围受到了一定的限制。石膏复合胶凝材料[3]具有良好的结构密实性、耐水性和耐久性,得到了广泛的研究和应用。石膏复合材料配制的自流平材料具有优良的保温隔热性能、吸声性能及呼吸功能,可提高居住的舒适度,是一种绿色环保建材产品[4]。本文主要研究利用脱硫石膏配制自流平材料,通过提高自流平材料的强度和耐水性,扩大自流平材料的应用范围,为脱硫石膏资源化利用开辟一条新的途径。
1 试 验
1.1 原材料
脱硫石膏:Si O21.44%、Al2O31.26%、Fe2O30.54%、Ca O 31.60%、Mg O 0.24%、SO345.12%、附着水12.10%、结晶水15.90%,石膏纯度达94%,属于一级品位。
活性掺合料:自流平材料可以用粉煤灰、矿渣粉等作为活性掺合料,目的在于改善材料的颗粒级配,提高材料硬化体的性能。本试验选用矿渣粉作为活性掺合料,矿渣粉[5]在碱性环境下发生水化反应,可提高材料结构的密实性和后期强度。
早强型胶凝材料:为了保证施工时间,自流平材料对早期强度(主要是24 h抗折和抗压强度)有一定的要求。本试验采用硫铝酸盐水泥[6]作为早强型胶凝材料,硫铝酸盐水泥水化速度快,早期强度高,可满足材料早期强度的要求。
碱性激发剂[7]:石膏复合胶凝材料在中偏碱性的条件下绝干强度最高,本试验采用生石灰和P·O32.5水泥调节p H值,为胶凝材料的水化提供碱性环境。
促凝剂:凝结时间是自流平材料一项重要的性能指标,时间过短或过长都不利于施工。促凝剂激发了石膏的活性,加快了二水石膏的过饱和析晶速度,缩短了凝结时间,使自流平材料的凝结硬化时间保持在一个合理的范围。本试验采用自制促凝剂,是一种钠盐和铝盐的混合物。
减水剂:为了提高自流平材料的密实度和强度,就要减小水胶比,在保持自流平材料良好流动性的条件下,加减水剂是必要的。本试验采用萘系减水剂,其减水机理[8]为萘系减水剂分子中的磺酸根和水分子以氢键缔合,在胶凝材料表面形成一层稳定的水膜,使得材料颗粒间容易产生滑动,从而减少了拌合水的需用量,改善了材料硬化体的结构。
保水剂:自流平材料在地面基层上施工,而且施工厚度比较薄,水分容易被地面基层吸收,导致材料水化不充分,表面产生裂纹,强度降低。本试验选用甲基纤维素(MC)作为保水剂,MC具有良好的润湿性、保水性和成膜性,使自流平材料不泌水及充分水化。
可再分散乳胶粉(以下简称乳胶粉):乳胶粉[9]可以提高自流平材料的弹性模量,提高抗裂性、粘结强度及耐水性。
消泡剂:消泡剂可以改善自流平材料的表观性能,减少材料成型时的气泡,对提高材料的强度有一定的作用。
1.2 试验方法
1.2.1 脱硫石膏的预处理
将初始的脱硫石膏在60℃下烘干,除去大量的附着水,再通过粉碎以增大粒度的分布范围[10]。把处理好的脱硫石膏与矿渣粉、硫铝酸盐水泥按比例混合,再按配比加入碱性激发剂、促凝剂、减水剂、保水剂、乳胶粉和消泡剂等,与适量的水混合搅拌均匀。搅拌好的料浆在40 mm×40 mmm×160 mm三联模内成型,然后进行性能测试。
1.2.2 材料性能测试
流动度测试:试模为内径Φ(30±0.1)mm、高(50±0.1)mm的金属空心圆柱筒,测试板为500 mm×500 mm的玻璃板。测试时,试模竖直放在测试板中央,测试板保持光洁无水滴,把搅拌均匀的料浆灌满试模后,在垂直方向提升试模5~10 mm,保持10~15 s使试样自由流下。4 min后测量2个垂直方向的直径,取其平均值,即为试样的流动度值。同样的试样在搅拌锅内静置30 min后,按上述方法测试30 min的流动度。
按JC/T 985—2005《地面用水泥基自流平砂浆》和JC/T1023—2007《石膏基自流平砂浆》对自流平材料的力学性能和尺寸收缩率进行测试。将养护28 d的试样浸水48 h,测试湿抗压强度,计算软化系数。
2 试验结果和讨论
2.1 试验配比的优化
综合考虑生产成本和自流平材料所需满足的技术指标要求,通过试验确定了基本物料的配比,即脱硫石膏36%、矿渣粉32%、硫铝酸盐水泥28%、碱性激发剂4%。在基本配比的基础上,设计了正交试验,研究了保水剂、减水剂、乳胶粉和消泡剂掺量对自流平材料性能的影响。正交试验因素水平见表1,脱硫石膏自流平材料性能测试结果见表2。
由表2可以看出,当选用A3B2C1D3方案时,脱硫石膏自流平材料的性能最佳,此时流动度较高,为166 mm;1 d、28 d抗折强度达到最大,分别为2.54、6.90 MPa;1 d、28 d抗压强度也达到最大,分别为9.06、29.70 MPa;软化系数最高,为0.85。
2.2 自流平材料的基本配方及性能分析
由以上试验结果并结合工程实际,最终确定的脱硫石膏自流平材料的配方为:基本配料中脱硫石膏占36%、矿渣粉占32%、硫铝酸盐水泥占28%、碱性激发剂占4%;促凝剂占基本配料总质量的0.9%、高效减水剂占基本配料总质量的0.6%、乳胶粉占基本配料总质量的0.8%、保水剂占基本配料总质量的0.08%、消泡剂占基本配料总质量的0.05%。
参照JC/T 985—2005和JC/T 1023—2007测试了按上述配方制备的脱硫石膏自流平材料的性能,结果见表3。
由表3可以看出,该脱硫石膏自流平材料流动度达到170 mm以上,30 min经时流动度损失很小,绝干抗折和抗压强度分别达到6.8 MPa和29.2 MPa,软化系数达到0.82。所测性能指标均达到或优于JC/T 985—2005和JC/T 1023—2007标准要求。
2.3 自流平材料水化机理分析
在脱硫石膏自流平材料的水化过程中,二水石膏首先溶解,在硫铝酸盐水泥和碱性激发剂的复合作用下,二水石膏表面生成复杂的水化产物(盐·m Ca SO4·n H2O),使浆体凝结硬化,产生了早期强度。同时,活性掺合料在二水石膏、C3S水化产物生成的Ca(OH)2及激发剂的复合作用下继续发生水化反应,生成C-S-H凝胶和少量的AFt、硬硅钙石[Ca6Si6O17(OH)2]。针状AFt和纤维状硬硅钙石完善了网络结构的骨架。
养护28 d后脱硫石膏自流平材料的ESEM照片见图1。
从图1可以看出,二水石膏和AFt组成的网络骨架结构与C-S-H凝胶形成了致密的水化硬化体,提高了材料的后期强度和耐水性。
3 结 语
(1)脱硫石膏自流平材料的配方为:基本配料中脱硫石膏占36%、矿渣粉占32%、硫铝酸盐水泥占28%、碱性激发剂占4%,促凝剂占基本配料总质量的0.9%、高效减水剂占基本配料总质量的0.6%、乳胶粉占基本配料总质量的0.8%、保水剂占基本配料总质量的0.08%、消泡剂占基本配料总质量的0.05%。
(2)按基本配方配制的脱硫石膏自流平材料流动度达到170 mm以上,30 min经时流动度损失很小,绝干抗折和抗压强度分别达到6.8 MPa和29.2 MPa,软化系数达到0.82。所测性能指标均达到或优于JC/T 985—2005和JC/T 1023—2007标准要求。
(3)用脱硫石膏配制的复合自流平材料水化产物主要为C-S-H凝胶、少量的AFt和硬硅钙石,二水石膏和AFt组成的网络骨架结构与C-S-H凝胶形成了致密的水化硬化体,提高了材料的后期强度和耐水性。
(4)该自流平材料脱硫石膏利用率高,是一种符合低碳经济发展要求的环保产品,具有推广使用价值。
参考文献
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磷石膏水泥复合胶凝材料的水化机理 第6篇
1 试验
1. 1 试验原材料
试验原料主要有磷石膏、混凝土外加剂检测专用基准水泥( 以下简称水泥) 、石子、标准砂和外加剂等,磷石膏和基准水泥的化学成分见表1。
将磷石膏烘干、磨细、筛分作为试验用物料。用Easysizer20型激光粒度分布仪测试,磷石膏粉料粒度分布为最小粒径0. 76 μm,最大粒径139. 36 μm,平均粒径为20. 71 μm。采用滦平中砂、三河碎石,北京成城交大建材有限公司的CCAR型聚羧酸高效减水剂( 以下简称聚羧酸减水剂) 为试验用的其他原料。
1. 2 试验及检测
1. 2. 1 水泥标稠用水量、凝结时间以及安定性测试按《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检
验方法》( GB /T 1346 - 2001) 进行。标稠用水量采用标准法( 试杆法) ; 安定性采用雷氏法测定。
1. 2. 2 不同磷石膏掺量的水泥胶砂强度试验
采用磷石膏粉料、水泥、聚羧酸减水剂,分别进行不掺入磷石膏( 即磷石膏替代水泥量为0) 和磷石膏替代5% 、10% 、15% 的水泥胶砂强度试验。
1. 2. 3 不同磷石膏掺量的混凝土强度试验
采用磷石膏粉料、水泥、中砂、碎石和聚羧酸减水剂进行磷石膏掺量为0、20% 和25% 的混凝土强度试验。混凝土的试验配合比见表2。
注: 表中 2 至 4 号试样外加剂添加量按 2. 0% 、2. 1% 、2. 2% 、2. 3% 分别试验。胶凝材料的质量指基准水泥和磷石膏的质量之和。外加剂和磷石膏掺合量为胶凝料的质量百分比。
1. 2. 4 磷石膏配制混凝土的抗渗性能试验
依据GBJ82 - 85试验方法,磷石膏替代水泥量分别为0、20% 、25% ,进行混凝土的抗渗性能试验。
2 结果与讨论
2. 1 磷石膏的微观分析
2. 1. 1 磷石膏的 X 射线衍射分析
用X射线衍射仪对磷石膏样品做X射线衍射分析,得到磷石膏的X射线衍射图谱见图1。与标准PDF卡片对照可知,其主要衍射峰的位置均和卡片PDF#33 - 0311相对应。由此可知,磷石膏的主要成分为二水硫酸钙( Ca SO4·2H2O) 。
2. 1. 2 磷石膏的微观形貌分析
磷石膏的SEM见图2,由图2可以看出,磷石膏的结晶形态为菱形或柱形的板状结构,尺寸在30 ~40 μm之间,而且磷石膏中Ca SO4·2H2O晶体表面有“瘤状物”,分析可能是磷石膏中的P2O5等一些杂质在晶体表面的附着物。
2. 2 不同磷石膏掺量的水泥复合胶凝材料的机械性能
2. 2. 1 不同磷石膏掺量水泥的标稠用水量、凝结时间以及安定性测试
测定结果见表3。结果表明,随磷石膏掺量的增大,净浆的初凝时间和终凝时间均明显延长,标稠用水量也有较大增加,但所有磷石膏掺量的净浆凝结时间均满足要求,净浆安定性合格。
2. 2. 2 不同磷石膏掺量的水泥胶砂强度
不同磷石膏掺量和聚羧酸减水剂添加量的胶砂的抗压抗折强度测试结果见表4。
注: JS-W1. 0-C0 表示: 胶砂试样 - 减水剂添加量 1. 0% - 磷石膏替代水泥量 0% ,其余与此类同。
从表4可知,当磷石膏掺量为5% 时,各种聚羧酸减水剂掺量的胶砂试样,3 d和28 d的抗折和抗压强度,均高于P. O 42. 5水泥强度要求。较佳磷石膏掺合方案为5%,同时使用1. 2%的聚羧酸减水剂。
掺入磷石膏替代10% 的水泥的胶砂试块的3 d强度除了聚羧酸减水剂添加量为0. 6% 的试块的抗折强度之外,其他试块抗压抗折均满足P. O 42. 5水泥的强度要求。磷石膏替代10% 的水泥、聚羧酸减水剂添加量为1. 0% 和1. 2% 的胶砂试块28 d抗压抗折强度能达到P. O 32. 5水泥强度要求。当掺入磷石膏替代15% 的水泥、添加1. 2% 的聚羧酸减水剂时,胶砂试块的3 d、28 d的抗压抗折强度均能达到P. O 32. 5水泥的强度要求。
2. 2. 3 不同磷石膏掺量的混凝土强度
不添加磷石膏以及磷石膏替代20% 、25% 水泥的混凝土抗压强度测定结果见表5。
注: HNT-W2. 1-C20 表示混凝土 - 外加剂添加量 2. 1% -磷石膏替代水泥量 20% ,其余与此类同。
从表5可知,磷石膏掺量为20% 和25% 的试样的抗压强度均比未掺入试样低,但掺量为20% 和25% 的试样的强度相差不大,且所有试样的抗压强度均超过C30混凝土强度要求。聚羧酸减水剂的掺量对混凝土强度有一定的影响,其较佳掺量为2. 1% 。
2. 2. 4 磷石膏配制混凝土的抗渗性
磷石膏替代0、20% 、25% 水泥量的混凝土抗渗性能试验结果见表6。
注: 编号 HNTKS-W2. 1-C25 表示: 混凝土抗渗 - 减水剂添加量 2. 1% -磷石膏替代水泥量 25% ,其余与此类同。
由表6可知,用磷石膏替代小于等于25% 的水泥、添加2. 1% 减水剂制备的混凝土,其抗渗性能可以达到P12抗渗等级。
2. 3 胶砂试样的 X 射线衍射分析
减水剂添加量为1. 2% ,磷石膏掺量为0、5% 、10% 和15% 时的3 d和28 d胶砂试块的XRD图谱分别见图3 ~ 6。
由图3 ~ 6可看出,胶砂试块的主要水化产物为水化硅酸钙( C-S-H) 和钙矾石( AFt) ,此外,图谱中还有大量的二水硫酸钙、石英等物相,其中石英为制作胶砂试件过程中加入的标准砂。
由图4 ~ 6可知,随着胶砂试件的不断水化,二水硫酸钙的衍射峰强度逐渐减低而C-S-H及钙矾石的峰强则不断增强。二水硫酸钙参与水泥熟料的水化过程见式( 1) 。
二水硫酸钙与水泥熟料中的Ca O、Al2O3反应,生成AFt,AFt晶体呈针、棒状,与薄片状、纤维状CS-H凝胶交叉附着,从而将水化产物有机的连结起来,构成一个三度空间牢固结合、密实的整体,进而使胶凝材料的结构不断致密,强度不断提高。
水泥熟料中C3S和C2S水化生成大量的Ca( OH)2,而Ca( OH)2与磷石膏中具有胶凝活性的Si O2、Al2O3等反应,产生火山灰效应,生成C-S-H凝胶和AFt等水化产物。
随着水化的进行,未水化的磷石膏,将作为微集料填充在硬化体中,起到微集料作用,即细小的磷石膏颗粒均匀分布在水泥浆中,填充孔隙和毛细孔,改善了水泥胶砂的孔结构并增大了浆体密实度,从而增强硬化浆体的结构强度。C-S-H凝胶和钙矾石对磷石膏有包裹保护作用,减弱了水对硬化体中磷石膏的侵蚀作用,使得磷石膏 - 水泥复合胶凝材料受水侵蚀后,对硬化体破坏作用相对较弱[14]。
2. 4 混凝土试样的 X 射线衍射分析
减水剂添加量为2. 1% ,磷石膏掺量为0和25% 时的3 d、7 d、28 d和60 d混凝土试样的XRD图谱见图7、8。
图7、8与胶砂试样的XRD图谱类似,混凝土试样的主要水化产物为水化硅酸钙( C-S-H) 以及少量钙矾石( AFt) 。随着水化的进行,C-S-H凝胶的生成量不断增加,混凝土的强度也不断提高。当水化龄期达到28 d时,有胶凝活性的C3S和C2S已经基本反应完全,故60 d和28 d的水化产物的生成量相差不大。
由于混凝土的成分较胶砂试样的成分更为复杂,而AFt的生成量与C-S-H凝胶相比是微量的,所以在HNT-W2. 1-C0试样中AFt的衍射峰几近消失。而HNT-W2. 1-C25试样中AFt的衍射峰却较为明显,这是磷石膏中的Ca SO4·2H2O与水泥熟料中的Ca O、Al2O3反应,生成的AFt。进一步验证了磷石膏具有一定的胶凝活性。
与胶砂试样相同,在混凝土试样中,细小的磷石膏颗粒可以起到微集料的作用,其在胶凝材料浆体中分散均匀且颗粒细小,不仅能提高混凝土浆体的均匀性,还能填充在混凝土的孔隙之间,提高混凝土浆体的致密性。同时,因为磷石膏的掺入,替代了部分水泥,降低了水泥在制备混凝土时的用量。从而降低了胶凝材料水化过程中释放的水化热,可减少因放热膨胀而产生的微裂纹,进一步提高混凝土的抗渗性能。
3 结论
( 1) 磷石膏替代部分水泥制备胶凝材料,掺入5% 的磷石膏的水泥胶砂强度均满足P. O 42. 5水泥的指标要求,掺入10% ~ 15% 的磷石膏的水泥胶砂强度能达到P. O 32. 5水泥的指标要求,胶砂试块的凝结时间及安定性均合格; 采用磷石膏替代小于等于25% 的水泥、添加2. 0% ~ 2. 3% 的聚羧酸减水剂,可配制C30混凝土,其抗渗性能达到P12抗渗等级要求。
( 2) 胶砂试样的主要水化产物为水化硅酸钙( C-S-H) 和钙矾石( AFt) ,随着胶砂试样的不断水化,Ca SO4·2H2O的衍射峰强度逐渐降低而C-S-H及钙矾石的峰强则不断增强。Ca SO4·2H2O与水泥熟料中的Ca O、Al2O3反应,生成AFt,水泥熟料中C3S和C2S水化生成大量的Ca( OH)2,而Ca( OH)2与磷石膏中具有胶凝活性的Si O2、Al2O3等反应,产生火山灰效应,生成C-S-H凝胶和AFt等水化产物。
( 3) 细小的磷石膏颗粒在硬化浆体中可以起到微集料的作用,其在胶凝材料浆体中分散均匀,且颗粒细小,不仅能提高硬化浆体的均匀性,还能填充在浆体的孔隙之间,提高硬化浆体的致密性。
关于水泥石膏相似材料的试验研究 第7篇
我国岩溶发育地区分布较广,在工程中经常遇到复杂岩溶地层,会给工程设计及施工,特别是基础的设计和施工带来一定的问题,很多情况下我们需要通过室内试验来研究岩体介质物理力学特性。
模型试验是一种发展较早、应用广泛、形象直观的岩体介质物理力学特性研究方法。模型试验的基础是相似理论,即要求模型和原型相似,模型能够反映原型的各种情况。制作模型选用的相似材料要求与原型具有的物理、几何、力学性质相似。
根据资料以及以前的试验研究经验,水泥石膏砂浆制作模型进行模拟试验对如何确定岩体介质物理力学特性等等一些问题是一种凑效的方法。在该复合砂浆中,水泥作为粒状浆材,可以提高复合砂浆的强度,石膏粉能调节胶结时间。因此,该复合砂浆不但保留了水泥砂浆的流动性好等优点,而且克服了普通砂浆强度低的弱点,它大幅度提高了砂浆的抗压强度和抗剪强度,具有很好的复合性能。研究水泥砂浆的破坏特性以及配合比对其性能的影响对室内模型试验具有重要的意义。
1 水泥石膏砂浆的破坏特点
许多相似模型试验都要进行破坏试验,模拟试验大多针对沉积岩地层,大部分沉积岩如砂岩、页岩、灰岩基本上都是由骨料及胶结物构成,或者骨料本身就是具有胶结性的颗粒,它们与选用的水泥石膏材料的结构相似。
通过很多人的试验研究发现,水泥石膏相似材料和现场岩石的破坏特性基本相似,即经弹性阶段到弹塑性阶段,最后是脆性大大破坏阶段。因此水泥砂浆作为模拟岩石的相似材料比较合适。
2 水泥石膏砂浆单轴试验
注:1)数据为试验的综合平均值;2)材料试件均在自然干燥条件下养护7 d后进行试验
石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料,在本文研究中我们选取模型石膏为试验的材料,其参数如表1所示,通过对6种不同配比制作得到的模块进行单轴试验,测得不同配比下时间的力学参数值(如表2所示)。
3 试验结果分析
从图1,图2中可看出水泥石膏的抗压强度、抗弯强度和弹性模量都随砂胶比的不同而产生较大的差异,砂胶比越小则水泥石膏的抗压、抗弯强度及弹性模量就越大,这就说明砂胶比对水泥石膏的强度起主要作用。
当砂胶比固定时,水泥石膏的抗压强度和抗弯强度随水泥与石膏比值的增大呈较为明显的规律。
当固定用水量和砂的用量时,水泥石膏砂浆的抗压强度、抗折强度在小范围内随石膏用量的增大呈明显增大的趋势。这是因为熟石膏粉遇水生成二水硫酸钙,减少了砂浆中游离态的水;同时,石膏粉水化时形成凝胶,增大了凝胶体与骨料间的接触面积,因而提高了凝胶与骨料间的粘结力。
水泥砂浆的强度主要取决于水泥凝胶与骨料间的粘结力。当水泥用量增大时,水泥砂浆中形成的水泥凝胶量增多,从而增大了水泥凝胶与骨料间的接触面积,因而提高了水泥凝胶与骨料间的粘结力。
4 结语
采用水泥石膏相似材料制作模型,工艺简单、材料来源广且经济,其材料与岩石的结构及破坏方式均类似,是一种较好的相似材料。
选用水泥石膏配比时,应先根据配比资料确定合理的砂胶比,再改变水泥与石膏的比例进行小范围调节试验。本文试验砂胶比为4的情况比砂胶比为6的情况的水泥石膏试样的强度大。进行室内试样试验时,试样应在自然干燥的条件下养护7 d后测量其强度值,如果是制作成的模型应在自然干燥条件下养护18 d后再进行模型试验。
相似材料的抗压强度和抗拉强度在小范围内随石膏用量的增大呈明显增大,随用水量的增大呈明显减小的规律,加缓凝剂使强度有所降低。
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磷石膏基复合胶结料性能研究 第8篇
磷石膏的主要成分是二水硫酸钙及其它一些杂质[2],这些杂质包括磷酸、各种磷酸盐、氟化物、有机成分、铝的化合物和可溶性盐[3],这些有害杂质使其性能劣化[4,5],致使其利用率极低,长期堆积造成环境污染,成为人们所关注的问题。解决其资源化利用无论对环境保护还是资源的有效利用都有重要意义。
国内外对磷石膏的资源化再利用已进行大量的研究[6,7],本课题组也已采用磨细的磷石膏、粉煤灰、水泥配制出性能良好的胶结材[8]。为节能起见本研究探索用原状磷石膏替代磨细的磷石膏配制胶结料,并对其基本性能进行研究,为制备磷石膏墙体材料奠定基础。
1 原材料与试验方法
1.1 原料
磷石膏:产自四川什邡磷肥厂,灰色,含水量19%,pH值5.13。
水泥:四川双马生产的P·O42.5R水泥。
石灰:四川大康石灰厂块状生石灰自磨细,有效CaO含量大于80%,密封备用。
粉煤灰:四川江油火力发电厂原状干粉煤灰,含水率小于1%,45μm方孔筛筛余56%,为低钙粉煤灰。各原材料的主要化学成分见表1。
%
1.2 物理力学性能试验方法
胶结材标准稠度用水量、凝结时间参照GB/T 1436—2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试。试块的强度、软化系数、吸水率按照GB/T 2542—2003《砌墙砖试验方法》进行测试,试件尺寸为:40 mm×40 mm×160 mm。
1.3 预处理方式
(1)筛分:将磷石膏干燥(30℃)至游离水低于1%,然后按不同粒径进行筛分。
(2)石灰中和:将筛分好的磷石膏与生石灰按100∶2.5,搅拌,陈化24 h。
1.4 养护与成型制度
标准养护:温度(20±2)℃,平均湿度大于95%。
蒸汽养护:升温速度20℃/h,达到预定温度后保温一定时间,然后自然冷却降温。
浇注成型:将磷石膏、粉煤灰、水泥等混合均匀,加入拌合水与物料一起用搅拌机搅拌,然后浇注振动成型。
1.5 微观测试
采用荷兰X′Pert Pro X射线衍射仪和Leica Cambridge LTD S440扫描电镜进行XRD和SEM检测,分析磷石膏基复合胶结材硬化体的成分及显微结构。
2 试验结果与分析
2.1 磷石膏粒径分布及氟和可溶磷含量
原状磷石膏原料由于自身含有一定量水且在长期的堆积压力作用下,随游离水的蒸发,部分细小的磷石膏颗粒开始团聚结块,并伴随水分失去而具有相当硬度。因此,所采集的原材料是不同粒径颗粒组成的混合体。对原料进行四分法处理后再筛分分析,并测定其各粒径磷石膏可溶磷和氟含量,结果如表2。
从表2可知,粒径在1.18 mm以下的磷石膏颗粒占整个体系的56.3%,粒径在2.36 mm以上的磷石膏占整个体系的37.3%。由于颗粒粒径不同、结构疏密程度不同以及所处堆场中位置不同等因素,导致不同粒径颗粒所含可溶磷量也不同。在1.18～2.36 mm粒径的颗粒中可溶磷含量高达0.937%,但其含量只占整个体系的6.4%,对整个体系的磷石膏中可溶磷总含量影响不大。粒径在2.36 mm以上的磷石膏中的可溶磷含量要明显大于粒径在1.18 mm以下的磷石膏,并且小于0.08 mm颗粒中只含0.117%的可溶磷。因此,磷石膏中的有害物质可溶磷主要存在于粒径1.18 mm以上的磷石膏中。
2.2 不同粒径磷石膏基胶凝材料性能
将磷石膏进行筛分,按粒径分为6组,即:原状(PG0)、大于4.75 mm(PG1)、小于4.75 mm(PG2)、小于2.36 mm(PG3)、小于1.18 mm(PG4)、小于0.08 mm(PG5)。中和预处理后陈化24 h。按m(磷石膏)∶m(粉煤灰)∶m(水泥)∶m(生石灰)=40∶35∶10∶15进行配制,在水灰比为0.3的条件下搅拌浇注成型,90℃蒸汽养护7 h后在空气中自然养护7 d,进行性能测试。结果见表3。
由表3可以看出,胶结料强度随磷石膏粒径减小有增长的趋势,但不显著。软化系数和吸水率也与磷石膏粒径有关,磷石膏的粒径越大,试块的吸水率就越大,而软化系数则越小。由于PG0和PG1中含有大颗粒,增大了硬化体的孔隙率,使硬化体结构疏松。同时由表2分析可以得知,大颗粒中的可溶磷含量高对整个胶凝体系的影响较大,造成了PG0和PG1的强度和软化系数低。根据JC 422—2007《非烧结垃圾尾矿砖》,试块的软化系数要求大于0.8,且吸水率要小于18%,故磷石膏粒径大于4.75 mm的颗粒不适合作磷石膏胶凝材料,试验时把粒径大于4.75 mm的样品筛去。
为探索胶结料水化硬化机理,对硬化体进行了X衍射分析(见图1)。除大量二水石膏特征峰外,还出现了水硬性水化产物钙矾石(AFt)和C-S-H等的特征峰,且峰值也随着磷石膏原料粒径的减小而增大,而二水石膏的峰值呈现与之相反的现象[3]。
2.3 最优配合比的确定
根据上述试验结果,选择筛分后再用石灰中和的预处理方式,去掉粒径大于4.75 mm磷石膏,并进行正交试验。
2.3.1 正交试验
本次试验选用原料磷石膏与胶结材总量的质量百分比、水泥与胶结材总量的质量百分比、生石灰与生石灰和粉煤灰总量的质量百分比作为3个因素,其中磷石膏经过筛分再用石灰中和预处理。设胶结料总量为100份,采用L9(34)其因素和水平的安排如表4所示。按照所得方案各配方称料,并按水灰比为0.3条件下制作试块,先标准养护24 h,然后90℃蒸汽养护7 h,之后自然降温空气养护,对7 d、28 d强度进行测试,正交试验方案及结果见表5。
2.3.2 影响因素显著性分析
从表5可见,强度试验结果的7 d和28 d都是A3B2C1的强度贡献最高,而A1B3C3的强度最低。由此可得出,磷石膏掺量对实验影响效果最为显著,其次是水泥掺量,最后是生石灰掺量,即磷石膏掺量>水泥掺量>生石灰掺量。这是由于在该胶凝体系中,强度主要来源于活性激发后的粉煤灰水化和水泥的水化带来的强度[9],而磷石膏只起到集料和激发剂的作用。受硫酸盐和Ca(OH)2的激发作用,粉煤灰中的SiO22-与Ca(OH)2反应生成较多的C-S-H凝胶;而粉煤灰中的AL2O3与SO42-、Ca(OH)2反应形成了较多的钙矾石(Aft)[10,11],少量水泥水化则为该胶结料提供了早期强度。这是该胶凝体系能够产生较高强度的主要原因。
综合考虑3个因素的影响程度,确定最优化方案为A3B2C1,即m(磷石膏)∶m(粉煤灰)∶m(水泥)∶m(生石灰)=4035∶10∶15。
2.4 养护方式对胶凝体系强度的影响
利用最优配合比制备试件,用水量为标准稠度用水量,浇注成型。比较标准养护、不同温度恒温蒸汽养护等不同养护方式对胶结材强度的影响。测试结果见表6。
不同养护温度下胶凝材料的XRD图谱见图2,SEM照片分别见图3～图6。
由表6可以看出,养护温度对胶凝体系的力学性能影响很显著,随着养护温度的提高,胶凝体系的抗压和抗折强度都有所提高。Katz[12]研究表明,粉煤灰水化体系成型后硬化体的强度随养护温度的升高而增大。本实验结果也证明了这一点:在配比相同的状况下,粉煤灰活性对温度带来的影响相当敏感,在70～90℃存在相当大的提升,90℃恒温蒸养7 h的制品7 d抗压强度达到25.7 MPa,28 d抗压强度比7 d增长了6.8MPa。这与图2中钙矾石和C-S-H凝胶以及二水石膏峰值消长状况也两相对应。
标准养护条件下的试样,其粉煤灰活性激发相当缓慢,呈现出早期强度低,由XRD图谱(图2)与SEM(图3)分析可知,大量粉煤灰未参与水化反应,水化产物只有少量的针状钙矾石和簇状C-S-H凝胶。在配合比相同的情况下,一定温度下进行蒸养能更好地促进火山灰反应的进行,分析图2～图6便可以发现,复合胶结材中的粉煤灰和水泥的活化程度受温度影响明显,标准养护24 h后50℃、70℃恒温蒸养7 h,再自然养护7 d的硬化体中已有部分粉煤灰参与反应。钙矾石和C-S-H凝胶已少量生成,28 d反应程度更高,水化产物相对增多,其抗压强度有8.6 MPa和5.7 MPa的涨幅,从SEM照片中可以看出钙矾石更为密集粗壮[13];在90℃蒸养条件下粉煤灰反应程度显著提高,蒸养后自然养护7 d的硬化体SEM照片显示钙矾石和C-S-H凝胶已大量生成,28 d后钙矾石和C-S-H凝胶相互交叉连锁,形成网络结构,微细颗粒填塞其中,从而产生强度增长。
不同蒸养时间胶结料7 d水化样的XRD分析见图7。
从图7可知,随恒温蒸养时间的延长,粉煤灰活性激发更彻底,火山灰反应进行得更激烈,硬化体中钙矾石等水化产物的生成量更大,水化产物峰值更高,二水石膏等消耗更明显。表6则显示90℃恒温蒸养13 h的制品7 d抗压强度高达33.1 MPa。但随着水化的持续进行,强度增长速率差别明显。其中90℃恒温蒸养10 h的制品后期抗压强度较其余制品增长显著,28 d抗压强度已达到36.0 MPa而养护13 h的抗压强度为37.5 MPa。综合考虑养护成本,制品养护10 h为最佳。
按最佳配合比配制的磷石膏基复合胶结料的性能测试结果见表7,该胶结料90℃蒸养10 h水化样的SEM分析见图8。
由表7可见,按最佳配合比配制的磷石膏基复合胶结料7 d、28 d抗压强度分别达为31.0 MPa、36.0 MPa,抗折强度均在5.0 MPa以上,吸水率和软化系数均符合JC/T 422—2007标准要求(吸水率<18%,软化系数>0.80)。
3 结论
(1)磷石膏中的有害物质可溶磷主要存在于粒径在1.18mm以上的磷石膏中,磷石膏粒径越小,胶结料的抗压强度越高,满足国家标准的磷石膏最大粒径为4.75 mm。
(2)利用粒径在4.75 mm以下的磷石膏进行正交实验研究,获得的胶结料最优配合比为:m(磷石膏)∶m(生石灰)∶m(水泥)∶m(粉煤灰)=40∶35∶10∶15。
(3)经过综合分析得出:胶结料强度随着养护温度和养护时间的增大而增大,最佳养护温度和养护时间为90℃恒温养护10 h。
(4)最优配合比胶结料的7 d、28 d抗压强度分别达到31.0 MPa、36.0 MPa,吸水率和软化系数符合JC/T 422—2007国家标准要求。
石膏复合材料 第9篇
1 试验
1.1 试验原材料
脱硫石膏:采用山东某电厂烟气湿法脱硫的石膏,成分与天然石膏基本相同,纯度和细度更高,其主要化学成分如表1所示。
媒晶剂:采用氯盐和硫酸盐的复合型媒晶剂(各种媒晶剂的质量均占脱硫石膏质量的2%),可改善α-半水石膏的结晶形态。稳定化试剂:采用油酸钠、十二烷基苯磺酸钠和硬脂酸三种稳定化剂,可将半水硫酸钙晶须表面的亲水活性点封闭掉,阻止水化反应的进行。偶联剂:采用KH-550偶联剂,可溶于水,沸点为217℃,密度为0.946 g/ml(25℃),闪点104℃,分子量为221.4,纯度≥97%。树脂:采用乙烯基酯树脂,具有优异的耐高温性和耐冲击性。其他试剂:氯化钠,无水乙醇,浓H2SO4,引发剂E和促进剂F等。
1.2 脱硫石膏的预处理
将脱硫石膏原料烘干、研磨,并通过160目筛等预处理。
1.3 试验方法
试验分为石膏晶须的制备和石膏晶须增强树脂基复合材料的制备,其中各组分的掺量均以脱硫石膏质量的百分含量表示。石膏晶须的制备阶段:将脱硫石膏和氯化钠溶液按57.14%的水膏比配制浆料,并依次滴加1%的浓硫酸和4%的媒晶剂,在110℃条件下搅拌4 h。设计试验A对石膏晶须进行稳定性处理,A1加入1%的油酸钠,A2加入1%的十二烷基苯磺酸钠,A3加入1%的硬脂酸。将石膏晶须进行稳定化处理后保持适宜温度并搅拌,用无水乙醇固定试样后将其抽滤、洗涤和煅烧,得到无水石膏晶须。利用X射线衍射分析、扫描电镜分析、金相显微分析等测试手段,测试制得的石膏晶须产品的长径比,观察石膏晶须的微观形貌,并探究稳定化试剂对石膏晶须性能的作用机理。石膏晶须增强树脂基复合材料的制备阶段:设计石膏晶须表面处理试验B,B1为未经过KH-550表面处理的石膏晶须,B2为经过KH-550表面处理的晶须。在此基础上,设计研究不同石膏晶须掺量对材料性能影响的试验C,分别将占树脂质量0%、1.5%、3%、5%、10%、15%的石膏晶须掺加到树脂基体中。再将树脂基体制成树脂浇铸体,加入适量的引发剂E和促进剂F,在室温下进行完全固化,最后进行力学性能测试和断面扫描并进行机理分析。
试验采用金相显微镜和扫描电镜观察晶须形貌,测量并计算晶须的长径比。参照GB/T 2570-1995《树脂浇铸体弯曲性能试验方法》和GB/T 2569-1995《树脂浇铸体压缩性能试验方法》的测试方法,采用100 mm×15 mm×10 mm规格模具制备试样,分别测试试样弯曲强度和压缩强度。
2 试验结果与讨论
2.1 不同稳定化试剂对石膏晶须的性能的影响
不同稳定化试剂处理石膏晶须后产物的长径比与时间关系如图1所示。由图1可知,三种稳定化试剂作用石膏晶须的长径比均随着时间的增加而减小,但油酸钠对半水石膏晶须的稳定效果最好,可以在较长的一段时间内保持较大长径比,且在各个时间段油酸钠对石膏晶须的稳定性均好于十二烷基苯磺酸钠和硬脂酸,其中油酸钠、十二烷基苯磺酸钠和硬脂酸的150 min产物长径比分别为17.9、17.9和6.1。
稳定化处理的试样A1经煅烧获得的无水石膏晶须的XRD图像和SEM图像如图2所示。分析图2(a)可得,油酸钠稳定化处理后可得到纯度较高的无水石膏晶须;由图2(b)可以看出,石膏晶须具有较大的长径比,经测试其长径比可达43.2,并且形状完整、形貌均一性好,以石膏晶须的长径比达到40为标准,所以在本试验中采用常压酸化法制得的石膏晶须可以满足应用要求。油酸钠能使石膏晶须在较长的一段时间内保持稳定性,这是由于油酸钠中的油酸根离子逐渐向半水石膏晶须表面靠近,并与半水石膏晶须表面的CaHSO4+、Ca2+和Ca(OH)+吸附并发生化学反应,从而达到封闭半水石膏晶须表面活性点的目的。生成的油酸钙在半水石膏晶须表面沉淀形成了一层难溶物质,使得半水石膏晶须表面产生局部疏水性,进一步避免了水化[8]。
2.2 石膏晶须的表面处理对石膏晶须增强树脂基复合材料的性能的影响
将未经过表面处理的石膏晶须和经过表面处理的石膏晶须分别掺加到树脂中,对试样进行力学测试,结果如表2所示。由表2可得,掺加经KH-550表面处理的晶须试样B2的弯曲强度和压缩强度均明显的提高,分别达到39.28 MPa和78.74 MPa,比掺加未经表面处理的石膏晶须的试样B1的弯曲强度和压缩强度分别提高10.00%和9.01%。
图3为未经过表面处理的石膏晶须和经过表面处理的石膏晶须与树脂基体结合界面的对比SEM照片。由图3(a)可以看出,未经过KH-550处理的晶须与树脂间有明显的间隙,而且晶须在断面处有光滑的突出,说明晶须与树脂间的界面结合力不够牢固;由图3(b)可以看出,经过KH-550处理的石膏晶须与树脂基体间的结合状况得到了较大的改善,晶须与树脂间没有间隙,晶须紧紧的贴附在树脂的包裹中,并且在断面处没有晶须的突起,几乎完全在树脂中发生断裂,说明晶须与树脂间的界面结合力比较牢固。由于石膏晶须与树脂间界面结合状况的显著改善,树脂基复合材料的力学性能也有了明显的提高。
2.3 不同石膏晶须掺量对石膏晶须增强树脂基复合材料的性能的影响
图4为不同晶须含量对试样的弯曲强度和压缩强度的影响关系图。由图4(a)可以看出,随着晶须掺量的增加,试样的弯曲强度呈先升高后降低的趋势,当石膏晶须的掺量为5%时,试样的弯曲强度达到最大值39.28 MPa,比未掺加晶须的树脂的空白试样的弯曲强度增加46.29%;由图4(b)可知,随着晶须掺量的增加,试样的压缩强度逐渐增大,当石膏晶须的掺量为10%时,试样的压缩强度达到峰值96.62 MPa,比空白试样的压缩强度提高65.93%,当石膏晶须的掺量超过10%时,试样的压缩强度反而开始减小。
不同石膏晶须掺量的试样的SEM扫描电镜照片如图5所示。
由图5可以看出,晶须填充量为5%的试样和晶须填充量为10%的试样,周围有较多明显的裂纹,有的裂纹一直延伸到晶须与树脂基体的界面;有一部分裂纹则改变了延伸的方向,绕过了晶须而继续扩展。在晶须增强树脂基复合材料的体系中存在着许多裂纹,当试样受到外力作用时,原有的裂纹不仅会扩展而且还会产生新的裂纹。当裂纹在扩展过程中遇到晶须时,一部分裂纹会绕过晶须继续扩展,另一部分则会沿着晶须与树脂的界面扩展[9]。适宜掺量的石膏晶须会使晶须和树脂基体之间的结合力强,裂纹的大部分能量就会被界面消耗掉,使裂纹难以进一步扩展,进而提高了试样的弯曲性能和抗压缩性能。但当填充的石膏晶须过多,弯曲强度和压缩强度反而会下降,其原因有如下两点:(1)晶须承受的应力过大,造成了晶须与树脂界面脱落;(2)填充的晶须质量分数过大,使得晶须的分散性较差,出现较为明显的团聚现象,使得树脂基复合材料的弯曲强度和压缩强度下降。
3 试验结论
当稳定化试剂为1%的油酸钠时,石膏晶须可在较长时间内保持原有长径比,其150 min产物长径比可达到17.9。油酸钠中的油酸根离子与半水石膏晶须表面的CaHSO4+、Ca2+和Ca(OH)+吸附并发生化学反应,生成的难溶性油酸钙沉淀在半水石膏晶须表面,使其表面产生局部疏水性。
掺加经KH-550表面处理的石膏晶须均匀分散在树脂基体中,与树脂基体的界面结合较为牢固,可有效改善树脂基复合材料的力学性能,试样的弯曲强度和压缩强度分别达到39.28 MPa和78.74 MPa,比掺加未经表面处理的石膏晶须的试样分别提高10.00%和9.01%。
适量掺量的石膏晶须可有效提高树脂基复合材料的力学性能,当石膏晶须的掺量为5%时,试样的弯曲强度达到最大值39.28 MPa,比未掺加晶须的空白试样弯曲强度增加了46.29%;当石膏晶须的掺量为10%时,试样的压缩强度达到最大值96.62 MPa,比未掺加晶须的树脂的空白试样压缩强度增加了65.93%。当试样受到外力作用时,裂纹会绕过晶须或沿着晶须与树脂的界面进行扩展。适宜掺量的石膏晶须,使晶须和树脂基体之间的结合紧密,而良好的结合界面消耗裂纹的大部分能量,进而提高了试样的弯曲性能和抗压缩性能。
参考文献
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