石膏复合材料（精选九篇）
石膏复合材料 篇1
近年来,我国处于建设鼎旺期,大部分建筑耗能较高,某种程度上加剧了能源危机,因此,环保节能型绿色建筑材料的开发和应用已迫在眉睫。 目前,我国地级以上城市中框架和剪力墙结构的建筑面积已 占有较高 比例 , 即使县级 城市也达 到了50%, 一些城市甚至超过90%。 框架结构建筑分户墙、分室墙,剪力墙结构中的厨卫间、室内隔墙等均需要使用大量非承重墙体材料,因此,隔墙材料的选择将影响整个建筑的绿色性能。 石膏作为一种传统的气硬性无机胶凝材料,具有资源丰富、无毒无害、防火性能优越、保温隔热、调湿性能好等优点是一种理想的隔墙材料而被广泛应用于建筑行业主要途径为制作石膏板或石膏砌块。 但石膏制品抗折强度低、耐水性差,石膏板隔墙容易开裂,抗冲击性能低,抗震性能差。 为了更高效地利用石膏材料, 本文提出现浇石膏内隔墙体系,通过添加纤维形成石膏基复合材料改善石膏墙体抗折强度及抗裂性, 通过现浇方式及石膏凝结硬化快的特点提高施工速度,获得经济性。 已有部分学者试图直接利用磷石膏作为现浇隔墙体系[1], 李国忠等[2,3,4,5,6,7]则分别对添加了植物纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维、玉米秸秆纤维的石膏基复合材料的力学性能进行了系统研究, 同时探索了热处理、酸碱处理等纤维表面处理方法以改善纤维与石膏间的接触性能,从而更有效地利用纤维的抗拉性能。 石宗利[8]、姜会钰[9]等分别研究了维尼纶纤维、碳纤维增强石膏基复合材料的力学性能。 纤维的类型、掺量、长度是影响纤维石膏基复合材料力学性能的主要因素,本文以建筑石膏为基体材料,分别采用成本低,原料丰富的Y型束状单丝纯聚丙烯纤维、高强高模聚乙烯醇纤维作为增强材料,研究了纤维掺量及纤维长度对石膏基复合材料力学性能的影响,可为实际工程中现浇石膏墙体体系的应用提供参考。
1力学性能试验
1.1试验原料
1.1.1石膏
石膏采用四川某化工有限公司生产的建筑石膏粉(Ca SO4·1/2H2O),经检验其 β 半水硫酸钙含量为82.4%,过0.2mm方孔筛筛余量3%﹤10%,细度满足要求。 经放射性检测天然放射性核素镭-226、 钍-232、钾-40的放射性比活度Ira=0.73,Ir=0.40,满足GB 6566—2010 《建筑材料放射性核素限量》要求。 同时,按照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏净浆物理性能的测定》方法测得其标准稠度用水量的水灰比为0.561,初凝时间8min,终凝时间18min。
1.1.2聚丙烯纤维
聚丙烯纤维采用上海某公司生产的Y型束状单丝100%纯聚丙烯纤维,为降低工程应用成本,纤维长度取市场常用长度规格,其基本物理力学性能指标见表1。
1.1.3聚乙烯醇纤维
聚乙烯醇纤维采用由四川某维尼纶厂生产的高强高模聚乙烯醇纤维,同样采用工程中常用的规格长度,其基本物理力学性能指标见表2。
1.2试验方法
本文通过试件的抗折试验与抗压试验,分别测试用于现浇隔墙体系的石膏基复合材料的抗折抗裂能力与抗压能力,以研究不同添加纤维情况下石膏墙体材料的抗震耗能性能。
试样编号及配比见表3, 各试样中水的掺量均为标准稠度用水量,为石膏质量的56.1%。 为满足现浇石膏墙体的经济性和施工时的流动性要求,纤维掺量不宜太大,本试验中纤维掺量最大为2.0%(与石膏质量之比)。 准确称量各物料, 先将纤维和石膏粉干拌均匀, 再加水搅拌1 min, 注入40mm×40mm×160mm的三联模具中振动成型,在常温(20~25℃)、常湿(60%~70%)条件下养护1h后脱模。
为使石膏材料完全凝结硬化, 将试样在常温、 常湿条件下养护7d。 每一种编号的试样分别制作B、C两组,所有养护7d后的试样放入电热鼓风干燥箱中,在(40±2)℃条件下烘至绝干。 其中B组试样测量其绝干抗折强度及绝干抗压强度,而绝干条件下的C组试样称取绝干质量后竖直放入盛水的养护槽中,水面高出试样上表面10~20mm,分别称取浸水2h质量和浸水24h质量,计算其吸水率,待试样吸水饱和后测定试样饱和抗折强度和饱和抗压强度,抗折强度和抗压强度均采用万能试验机配合抗压夹具、抗折夹具测定。
2试验结果与分析
2.1聚丙烯纤维掺量对复合材料力学性能的影响
掺聚丙烯纤维的绝干抗折强度和抗压强度与纤维长度和掺量的关系曲线见图1。
从图1可以看出,添加聚丙烯纤维后,石膏复合材料的抗折强度与抗压强度均低于纯石膏试样 (编号:1#)。 当纤维长度一定时,绝干抗折强度随纤维掺量的增加先降低后局部上升, 纤维掺量大于1.5%时抗折强度又开始下降;抗压强度随纤维掺量的增加逐渐降低。 当纤维掺量固定时,复合材料的强度与纤维长度的关系不明显。
添加聚丙烯纤维对提高石膏基复合材料的强度指标无显著作用,其原因在于:纤维和石膏之间主要通过界面黏结力与机械啮合力传递荷载,聚丙烯纤维虽然自身具有较高的抗拉强度,但是聚丙烯纤维为憎水性材料且表面光滑,而石膏为亲水性材料,二者间的黏结力和机械咬合力均较弱,当石膏受拉时,聚丙烯纤维直接被拉出,没有发挥抗拉承载作用,反而因为聚丙烯纤维的添加,致使试样内部孔隙率增大,从而降低了试样的抗折强度及抗压强度。 当纤维掺量为1.5%时,其抗折强度局部上升, 其原因为:当纤维掺量达到某个临界值时,尽管纤维与基体材料没有很好粘结,但是纤维被拔脱的过程中能够部分抑制裂缝扩展, 提高其抗裂性能,从而提高抗折强度。 当纤维掺量进一步增加后(掺量1.5%~2.0%阶段),聚丙烯纤维由于其柔性纤维的特质易弯曲成团,增加试件内部薄弱区域,从而降低抗折强度。 纤维具有较强的抗拉强度但是对于抗压的贡献不大,且聚丙烯纤维没有与基体材料黏结在一起,难以传递荷载,因此,添加聚丙烯纤维对于抗压强度是负面的影响。
2.2聚乙烯醇纤维掺量对复合材料力学性能的影响
掺聚乙烯醇纤维的绝干和吸水饱和强度与纤维长度和掺量的关系曲线分别见图2和图3。
对于现浇石膏内隔墙体系来说,在处于正常使用的室内条件下,经过一段时间的自然干燥,材料性能逐步接近于绝干状态,其绝干强度对于石膏隔墙正常使用条件下的强度具有指导意义。 而石膏材料易于吸水,在吸水软化条件下其强度会大幅度下降,复合材料的吸水饱和强度能够直观地反映复合材料在遇水软化条件下的残余强度。 由图2可以看出,当纤维长度一定时,复合材料绝干抗折强度基本随着纤维掺量的增加而增加, 仅12mm长纤维掺量超过1.5%后发生下降。 纤维长度为9mm,掺量为1.5%和2.0%时, 绝干抗折强度分别为10.33MPa和10.36MPa,相比于纯石膏试样的5.66MPa,分别提高了82.5%及83.0%。 当纤维掺量一定且长度为3~ 9mm时,随着纤维长度的增加其绝干抗折强度也增加,纤维长度为12mm时,其绝干抗折强度略低于同掺量的9mm长纤维。 对于绝干抗压强度,随着纤维的掺量增加,均呈现出下降的趋势,抗压强度与纤维长度间的关系不明显。 9mm长纤维,掺量为1.5% 时 , 绝干抗压 强度为15.01MPa, 较纯石膏 的17.55MPa降低了14.5%。 由图3可以看出 :当纤维长度一定时,复合材料吸水饱和抗折强度随着掺量的增加逐步上升,当达到一定掺量(如图中1.5%掺量) 后又开始下降。 当纤维掺量一定且长度为3~ 9mm时,随着纤维长度的增加其饱和抗折强度也增加, 纤维长度为12mm时, 其饱和抗折强度仅高于3mm长纤维 。 纤维长度为9mm,掺量为1.5%时 ,饱和抗折强度达最大值,为6.49MPa,相比于纯石膏试样的3.53MPa提高了83.9%。 材料吸水饱和抗压强度则随着掺量的增加呈现下降趋势,其中纤维长度为9mm,掺量为1.5%时,饱和抗压强度为6.60MPa, 比纯石膏试样的8.61MPa降低了30.5%。
由于聚乙烯醇纤维表面不光滑且为亲水性材料,使纤维与石膏界面的黏结性能较好,能有效传递应力,聚乙烯醇纤维所具有的高抗拉强度优势得以充分发挥, 从而显著提高了复合材料的抗折强度。 纤维含量较低时(如图2中掺量为0.5%时),纤维之间的间距比较大, 当试样抗折出现微裂缝时, 裂缝有足够的扩展空间, 纤维难以起到抑制作用, 掺量较少时, 复合材料的抗折强度并未明显提高。 当纤维长度及纤维掺量过高时 (如图2中12mm纤维掺量2.0%), 纤维在基体材料中易结团缠聚导致纤维分布不均匀。 纤维稀疏处难以阻止裂纹扩展, 纤维密集处石膏浆体对纤维的包覆率降低,易出现纤维未被浆体覆盖的情况而形成薄弱区域,这些部位易引起应力集中,这些内在因素均会导致试样抗折强度下降。纤维含量适中时(图2中掺量为1.0%~ 1.5%时),纤维均匀分布于石膏内,纤维间距适中同时又不会缠聚。 当石膏开裂时,由纤维来承担拉应力抑制裂缝扩展, 其作用类似于混凝土中的钢筋, 复合材料的抗折强度得以提高。 虽然聚乙烯醇纤维的抗拉强度高达1400MPa以上,但是纤维对于抗压强度并没有明显的贡献, 反而会使内部孔隙率增大,因此,掺加聚丙烯醇纤维的石膏复合材料的抗压强度同样随纤维掺量的增加而降低。
石膏隔墙为非受力构件,主要起分隔建筑空间和保温隔声的作用,不需要太高的抗压强度,而抗折强度太低容易导致墙板开裂而影响美观, 因此, 在抗压强度满足要求的条件下,宜选择抗折强度较高的配比。 综合聚乙烯醇纤维石膏基复合材料抗折、抗压两方面考虑,可得出掺加聚乙烯醇纤维的优选长度为9mm,纤维掺量控制在1.5%左右为宜。
2.3聚乙烯醇纤维石膏基复合材料断裂行为过程研究
石膏材料具有抗折强度低,脆性大,断裂韧性差等特点。 随着聚乙烯醇纤维的掺入,石膏基复合材料呈现瞬时脆性整体延性破坏的特征,纤维的掺入改善了石膏的延性,使试样的抗折破坏模式由脆性破坏转变为延性破坏,由于纤维与石膏间的相互传力作用,裂缝断面曲折延伸,如图4所示。
掺加9mm长聚乙烯醇纤维时,不同掺量下的荷载-变形曲线见图5。
图5中,OAA1曲线代表纯石膏试样, 从OA段弹性上升至峰值后直线下降,表现出明显的脆性特征。 OBB1B2B3为掺加0.5%纤维的荷载-位移曲线, 可见纤维增强石膏基复合材料弯曲断裂过程可分为三个阶段:OB段为弹性受力阶段,到B点基体石膏发生断裂, 荷载陡降至B1点, 表现出瞬时脆性; BB1段为基体石膏发生断裂后,PVAF纤维从基体拔出及纤维断裂阶段, 随着纤维不断拔出与断裂,荷载再次出现峰值B2;B2B3阶段为纤维进一步拔出与破坏阶段,裂缝互相贯通,变形增大直至破坏。 当纤维掺量较小时,纤维不能有效地起到传递荷载的桥梁作用,因此,峰值B1小于峰值B,随着纤维掺量的增加,纤维的阻裂效果逐渐明显,掺量1.0%时第二个峰值C1已经高于第一个峰值C, 而掺量1.5%及2.0%时基体断裂导致的荷载突降已不再明显 ,破坏过程以纤维的拔出和拉断为主,呈现延性破坏的特征。 综上分析,聚乙烯醇纤维石膏基复合材料的弯曲断裂破坏分为弹性受力阶段、纤维拔出与断裂阶段、裂缝扩展破坏阶段。 在弹性受力阶段,纤维通过与基体的黏结与石膏共同承担荷载,直至石膏出现裂缝,此阶段纤维的作用并不明显。 在第二阶段基体出现裂缝, 在裂缝处基体石膏不再发挥作用,纤维随之由于黏结弱被拔出或者黏结效果好而被拉断,此过程中,纤维跨越裂缝,通过与石膏界面间的黏结力来传递荷载, 减弱裂缝处的应力集中现象, 提高石膏复合材料的抗裂性能,改善其延性。 在最后的裂缝扩展破坏阶段, 纤维进一步被拔出或拉断,裂缝进一步扩展导致受压区高度减小而破坏。
3结论
(1) 由于聚丙烯纤维表面光滑 , 难以与石膏材料黏结在一起,添加聚丙烯纤维其抗折强度及抗压强度均发生下降,石膏隔墙不能直接采用聚丙烯纤维作为增强材料, 需要对聚丙烯纤维进行表面处理,增加其与石膏界面的黏结性。
(2)聚乙烯醇纤维可以显著提高石膏基复合材料的抗折强度及抗裂性能,改善石膏复合材料的延性,适合作为石膏隔墙的增强材料。 经综合比选,建议掺加该种纤维的优选长度为9mm,掺量宜控制在1.5%左右 。 本文采用这种配比得到的试验结果为 : 绝干抗折强度为10.33MPa, 吸水饱和抗折强度为6.49MPa, 相比于纯 石膏分别 提高了82.5% 和83.9%;绝干抗压强度为15.01MPa,吸水饱和抗压强度为6.60MPa,相比于纯石膏有所降低,但能满足实际工程需求。
摘要：为了改善石膏墙体材料的力学性能,分别采用Y型束状单丝聚丙烯纤维和高强高模聚乙烯醇短纤维作为建筑石膏的增强材料,通过力学性能测试研究了纤维长度和掺量对石膏基复合材料力学性能的影响。结果表明,添加聚丙烯纤维对复合材料力学性能为负面影响,不能直接用于现浇石膏隔墙体系。添加聚乙烯醇纤维对复合材料力学性能有改善作用,纤维长度为9mm,掺量为1.5%时,试样的绝干抗折强度和吸水饱和抗折强度较空白试样分别提高了82.5%和83.9%,抗压强度略低于空白试样。结合弯曲荷载-变形曲线,分析了聚乙烯醇纤维增强石膏基复合材料的断裂机理,结果表明:断裂过程分为基体断裂弹性受力、纤维拔出、破坏三个阶段,纤维与基体的界面黏结能力是纤维抗拉强度能否充分利用的关键。
石膏复合材料 篇2
蔡贵辉
（湖南永清脱硫有限公司，长沙410005）
摘要：本文通过对湿法烟气脱硫工艺与腐蚀现象的分析，对湿法烟气脱硫设备阀门材料的选用进行了探讨。
关键词：石灰石－石膏湿法脱硫工艺 腐蚀 阀门 蝶阀 材料选用
Investigation and Ways to Material Selection for Valves
in Wet Limestone & Gypsum Flue Gas Desulphurization Technology
Cai Guihui(Hunan Yonker Desulphurization Co., Ltd)Abstract
By analyzing the wet limestone & gypsum flue gas desulphurization technology and corrosion phenomena, this paper discussed the material selection of vales in wet limestone & gypsum flue gas desulphurization system.Keywords
wet limestone & gypsum flue gas desulphurization technology, corrosion, valve, butterfly valve, material selection
0 引言
腐蚀是材料在环境的作用下引起的破坏或变质。金属和合金的腐蚀主要是由于化学或电化学作用引起的破坏，有时还同时伴有机械、物理或生物作用。非金属的破坏一般由于化学或物理作用引起，如氧化、溶解、膨胀等。
石灰石－石膏湿法烟气脱硫装臵因其工艺技术成熟、煤种适用面宽、脱硫效率高、成本较低而成为国内外火电厂烟气脱硫系统的主流装臵，但是该装臵所用的石灰石－石膏湿法脱硫工艺造成整个系统的工作环境恶劣、防腐蚀工程量大，对系统设备的防腐性能提出了较高的要求。
阀门是流体输送系统中的重要控制设备，改变通路断面和介质流动方向，具有截断、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能，在整个脱硫过程中，阀门性能的优劣直接关系到整个脱硫系统能否正常有序高效运行。笔者根据多年的阀门设计制造经验，综合现在石灰石－石膏湿法烟气脱硫工况条件，就阀门防腐材料选用对策作如下分析与探讨。1 石灰石－石膏湿法脱硫工艺原理
石灰石－石膏湿法脱硫工艺是石灰石（CaCO3）经磨碎后加水制成浆液作为吸收剂，与降温后进入吸收塔的烟气接触、混合，烟气中的SO2与浆液中的CaCO3 及加入的空气进行化学反应，最后生成石膏。脱硫后的烟气经除雾、换热升温后通过烟囱排放。该工艺系统包括烟气烟道、烟气脱硫、石灰石制备、石膏处理和废水处理几大部分。其主要的化学反应过程如下： ①．SO2 + H2O → H2SO3 吸收
②． CaCO3 + H2SO3 → CaSO3 + CO2 + H2O 中和 ③． CaSO3 + 1/2 O2 → CaSO4 氧化 ④． CaSO3 + 1/2 H2O → CaSO3•1/2H2O 结晶 ⑤． CaSO4 + 2H2O → CaSO4•2H2O 结晶 ⑥． CaSO3 + H2SO3 → Ca(HSO3)2 pH控制
另外，燃煤产生的卤化物（氯化物、氟化物）和氮化物的含量，除本身具有腐蚀作用外，会强化腐蚀环境PH值的变化，强化硫酸盐的腐蚀作用，具有强氧化性。2 主要腐蚀现象及腐蚀环境 2.1 主要腐蚀现象
烟气脱硫系统的腐蚀现象非常复杂，形式上有均匀腐蚀（一般腐蚀）和局部腐蚀（缝隙腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀等），以及物理腐蚀（磨损腐蚀、气泡腐蚀和冲刷腐蚀）、电化学腐蚀等，又因温度、运行工况等因素交织，整个腐蚀是化学、物理和机械等因素迭加的复杂过程。
非金属材料的化学腐蚀较缓慢，而物理腐蚀破坏较迅速，是造成非金属腐蚀的主要原因。物理腐蚀主要表现为溶胀、鼓泡、分层、剥离、开裂、脱胶等现象，其起因主要由腐蚀介质的渗透和应力腐蚀所致。
烟气中的SO2、HCl、HF和NxO等酸性气体在与液体接触时，生成相应的酸液，其SO32－、Cl－、SO42－对金属有很强的腐蚀性，对防腐内衬亦有很强的扩散渗透破坏作用。
安放有垫圈的部位或附着沉积物的金属表面易发生缝隙腐蚀。
如果钝化膜再生得不够快，点腐蚀就会加速，使腐蚀程度加深。一般在含有氯化物的水溶液中易发生此类点腐蚀。
金属表面与水及电解质接触处易形成电化学腐蚀（此现象在不同金属之间的法兰连接处、焊缝处比较常见）。
溶液中的硫酸盐和亚硫酸盐随溶液渗入防腐内衬及其毛细孔内，当系统停运后，逐渐变干，溶液中的硫酸盐和亚硫酸盐析出并结晶，随后体积发生膨胀，使防腐内衬产生应力，发生剥离损坏。
浆液中含有的固态物，在一定流速下对系统设备有一定的冲刷作用，形成冲刷腐蚀。
……
2.2 主要腐蚀环境
按阀门使用区域划，将脱硫系统划分为制浆区、石膏浆液排出区、真空皮带脱水机系统区、工艺水箱区等区域。制浆区浆液中主要含有CaCO3颗粒和悬浮液，pH值一般在8左右，固体颗粒含量大（约28～32%），流速大，对设备冲刷作用较剧烈。如果制备石灰石浆液的工艺水是利用真空皮带脱水机冲洗石膏用的过滤水，则石灰石浆液中也会含有氯离子、硫酸根离子和亚硫酸根离子，氯离子的质量分数可达到2х10-2左右，浆液供应系统内可能会发生酸性腐蚀。
石膏浆液排出区：吸收塔内浆液pH值为5～6，氯离子浓度为2х10-2左右，含固量较大（14～16%），流速大则有冲刷。排出石膏浆液中主要含有氯离子、硫酸根离子和亚硫酸根离子，氯离子浓度为2х10-2以上，该区会发生酸性腐蚀。
真空皮带脱水机系统区：石膏浆液经水力旋流器一级脱水后，再经真空皮脱水机二级脱水，石膏浆液进一步脱水至含固率达到90%以上，已澄清的液体的含固率低（3～4%），冲刷磨损小，浆液中也会含有氯离子、硫酸根离子和亚硫酸根离子，氯离子的质量分数可能达到2х10-2左右，该区内可能会发生酸性腐蚀。
工艺水箱区：湿法脱硫系统中的吸收剂浆液制备、除雾器冲洗、石膏冲洗、浆液管道冲洗、设备冷却等需要大量水源，对水质无特殊要求，采用电厂循环水，则浆液中也会含有氯离子、硫酸根离子和亚硫酸根离子，氯离子的质量分数可能达到2х10-2左右，浆液供应系统内可能会发生酸性腐蚀。
根据上述主要腐蚀环境的分析，脱硫系统阀门的工况较为恶劣，尤以石膏浆液排出区腐蚀环境最为苛刻。以下阀门材料选用对策便依此腐蚀环境进行分析与探讨，其它腐蚀环境中的阀门材料选用可参照选用。3 阀门材料选用对策
阀门主要零件材质选择，首先考虑的是工作介质的物理特性（如温度、压力）和化学特性（腐蚀性），同时要考虑介质的清洁程度（有无固体颗粒，颗粒的密度等），再参照国家和使用单位的有关规定和要求选择。
阀门的主要组成部件有阀体、阀板、阀杆、阀座及轴封等。阀门种类繁多，其中蝶阀因其结构长度短、启闭速度快、具有截止、导通及调节流量等综合功能优势，在脱硫系统中无论是制浆区、石膏浆液排出区、真空皮带脱水机系统区还是工艺水箱区均应用广泛，下面就以蝶阀为例对阀门材料的选用对策进行分析探讨（其它类型阀门可参照选用）。蝶阀按密封材质的不同可分为金属密封蝶阀与橡胶密封蝶阀。金属密封蝶阀是金属对金属形成密封副，橡胶密封蝶阀是金属对橡胶或橡胶对橡胶形成密封副。3.1蝶阀运行工况分析
蝶阀与介质接触的部位主要为阀板、阀体、阀座、阀轴及轴封，如下图示：
阀杆在动力源的驱动下，带动阀板开启、阀体阀板阀杆介质流向关闭或调节流量，从而实现对介质流的控制。阀板始终处于介质流中，介质（带有固体颗粒）对其的冲刷磨损无可避免。当阀板开度较小（约0～15°），阀板对流体形成的节流效应，常常会引起冲刷和汽蚀（此工况在实际工作中应尽量避免）。在阀门的关闭过程中，阀门密封副之间会产生一定的滑移和摩擦、挤压作用，以形成一定的弹性变形，以起到密封作用，在这个过程中，密封副因滑移和挤压造成磨损。故除整个阀板受介质浸泡、冲刷腐蚀外，密封副局部还将承受严重的汽蚀和冲刷磨损，以及受固体颗粒的磨料磨损及破坏等。这种工况对阀板的密封副材质提出了较高的要求，除了要抗介质腐蚀外，还要抗挤压磨损。
阀体是介质通流部件，介质在其中通过或停留。阀体受一般腐蚀与冲刷腐蚀。
阀杆在动力源驱动下带动阀板转动，承受扭矩与弯矩作用，易发生应力腐蚀破裂。阀杆与轴套材质的不同、阀杆与轴封材质不同，或存在电价差，会导致发生电化学腐蚀。轴封处淤积或沉积介质，存在缝隙，可能发生缝隙腐蚀与点腐蚀。3.2 金属密封蝶阀材料选用对策
在烟气脱硫的实际运行中，我们发现阀体和阀板常采用316L不锈钢，有的项目采用双相不锈钢，但是通过2～3年实际工况运行后，蝶阀的腐蚀与磨损十分严重，不得不重新更换阀门。
针对烟气脱硫浆液特性：磨损性、腐蚀性和强氧化性等，常采用Ni-Cr-Mo合金制作阀板、阀座与轴。由于Ni-Cr-Mo合金材料牌号很多，有蒙乃尔合金、哈氏合金（牌号如DIN标准的2.4602、2.4686、2.4605）,超级奥氏体合金（牌号如DIN标准的1.4529、1.4539）、超级双相不锈钢（牌号如DIN标准的1.4588、1.4593）、双相不锈钢（牌号如DIN标准的1.4507、1.4602、1.4469）等等。
在欧美国家的烟气脱硫系统中，浆液阀门的蝶板大都采用哈氏合金（哈氏合金材料在脱硫领域得到广泛应用是世界公认的），后来蒂森克努伯不锈钢公司开发出含Mo6%的超级奥氏体防腐合金—DIN1.4529，也称926合金（或称6钼合金），专门针对烟气脱硫进行试验开发，目前在湿法脱硫工艺系统中，阀门的阀板已成功采用DIN1.4529材料，具有良好的机械强度、机加工和焊接性能，且无焊缝开裂问题，并具有良好的热稳定性，除可承受一般腐蚀外，还可承受冲刷磨损及挤压磨损，使用效果较为理想，国际上有使用十多年未出现腐蚀的例子。DIN1.4529材料价格昂贵，阀门阀体、阀板材料整体采用DIN1.4529制作，直接增加了阀门的造价，增加了脱硫成本。对于阀体、阀板我们可考虑使用碳钢内衬DIN1.4529的可行性。对于阀杆，为了提高性价比，也可采用碳钢衬DIN1.4529材料（包焊DIN1.4529薄皮）。
金属密封蝶阀虽然价格高于橡胶密封蝶阀，但由于具有使用寿命长，性价比较高，较橡胶密封蝶阀更受市场的欢迎。3.3 橡胶密封蝶阀材料选用对策
橡胶密封蝶阀如果是“金属对橡胶”（金属与橡胶构成的密封副）的密封，则对金属密封圈材料采用DIN1.4529。橡胶中丁腈橡胶NBR、氟橡胶FPM、填充聚四氟乙烯PTFE、乙丙橡胶EPDM等都应用较广，其各自特性如下：
乙丙橡胶EPDM：密度小，色浅成本低，耐化学稳定性好（仅不耐浓硝酸），耐臭氧，耐老化性优异，电绝缘好,冲击弹性较好；但不耐一般矿物油系润滑油及液压油。适用于耐热-50度～120度。
丁腈橡胶NBR：耐汽油及脂肪烃油类性能好。有中丙烯腈橡胶（耐油、耐磨、耐老化性好。但不适用于磷酸，脂系液压油及含添加剂的齿轮油）与高丙烯腈橡胶（耐燃料油、汽油、及矿物油性能最好，丙烯脂含量高，耐油性好，但耐寒性差）。适用温度-30度～120度，应用广泛。适用于耐油性要求高的场合。
氟橡胶FPM：耐高温300度，不怕酸碱，耐油性是最好的。电绝缘机械性、耐化学药品、臭氧、大气老化作用都好，但加工性差、耐寒差，价贵，适用温度-20度～250度。
填充聚四氟乙烯PTFE：耐磨性极佳，耐热、耐寒、耐溶剂、耐腐蚀性能好，具有低的透气性但弹性极差，膨胀系数大。用于高温或低温条件下的酸、碱、盐、溶剂等强腐蚀性介质。
以上橡胶中的乙丙橡胶EPDM在脱硫系统中以其综合性能优、价廉物美而应用较广。
虽然橡胶的化学腐蚀较缓慢，而物理腐蚀破坏较迅速，在腐蚀介质的渗透和应力下腐蚀，表现为溶胀、鼓泡、分层、剥离、开裂、脱胶等。所以，橡胶密封蝶阀寿命较低，一股为3～5年。但是，橡胶密封蝶阀因价格低，一次投入少，橡胶密封圈易于更换，而致橡胶密封蝶阀亦被广泛应用于湿法脱硫系统中。4 结论
石膏复合材料 篇3
我国每年农作物产生大量的秸杆, 秸杆的处理也成为难题。目前除少量秸秆被用作工业燃料、生产沼气或粉碎还田作肥料外, 大量的秸杆仍被农民就地焚烧处理。每年夏秋季节大量焚烧秸杆不仅造成严重的空气污染, 产生大量的烟尘, 还影响身体健康, 严重的还会影响交通、使航班延误, 甚至造成火灾。因此, 如何有效利用农作物秸杆, 变废为宝、化害为利也是急待解决的重大问题。
本项研究利用石膏与秸杆能有效粘结、相互取长补短的特性, 将煅烧脱硫石膏 (添入适当外加剂) 与农作物秸杆按一定比例加水拌和制成一种新的墙体材料, 通过物理力学性能及耐久性试验, 证明了这种由脱硫石膏和秸杆制成的新型轻质墙体材料的性能完全满足墙板的要求。
1 原材料性能及配合比
脱硫石膏:采用郑州复昇资源开发有限公司生产的经2次煅烧后得到的脱硫石膏 (Ca SO4·0.5H2O) , 初凝时间为6~7 min, 终凝时间为11~12 min, 终凝后试块的抗压强度为7.9 MPa, 抗折强度为1.7 MPa。
农作物秸杆:采用粉碎后干燥秸杆, 粒径3~5 mm。
水泥:P·C42.5复合硅酸盐水泥, 新郑市恒发水泥厂。
粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰, 郑州复昇资源开发有限公司, 其性能指标见表1。
缓凝剂:主要原料是骨胶蛋白质, 其主要成分为氨基羧酸盐, 可以明显降低强度损失率, 是一种极具发展潜力的新型石膏缓凝剂。
聚丙烯纤维:天津奥莱斯公司生产, 以聚丙烯为原材料, 通过特殊工艺制造而成, 呈束状单丝, 自分散性好, 。
脱硫石膏-秸杆复合胶凝材料配合比如表2所示。
注:按干料总质量1000 kg计。
复合材料经硬化后, 测得干密度为720 kg/m3。
2 试验
2.1 抗压强度试验
抗压强度测试采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试块, 龄期分别为1 d、3 d和14 d, 每组6个试块取其抗压强度平均值, 测试结果见表3。
从表3可以看出, 1~3 d复合材料的抗压强度已超过10MPa, 说明脱硫石膏-秸杆复合材料的早期抗压强度增长很快, 满足工程快速施工的要求;14 d抗压强度已超过20 MPa, 符合GB/T 23451—2009《建筑用轻质隔墙条板》规定的条板强度不低于3.5 MPa的要求。
2.2 耐久性试验
由于秸杆在碱环境中不易腐蚀, 有很好的耐碱性, 而在酸环境中则容易受到腐蚀, 特对脱硫石膏-秸杆复合材料的耐久性进行试验。耐久性试验包括脱硫石膏-秸杆复合材料p H值测试和试块在潮湿环境中的耐久性试验2部分。
2.2.1 脱硫石膏-秸杆浆液的p H值测试
为考察秸杆在复合材料中所处环境的酸碱性, 进行了脱硫石膏-秸杆浆液的p H值测试。试验方法是分别将脱硫石膏、脱硫石膏-秸杆拌合物在水中浸泡, 测试浸泡1 d和3 d拌合用水及浆液的p H值, 试验过程和测试结果如图1所示。
从图1可以看出, 浸泡1 d和3 d后脱硫石膏浆液的p H值均为12, 脱硫石膏-秸杆拌合物浆液的p H值均为11, 拌合用水的p H值均为7。脱硫石膏浆液和脱硫石膏-秸杆拌合物浆液均呈较强的碱性, 说明秸杆在脱硫石膏材料中处于碱环境中不易腐蚀, 有很好的耐碱性。
2.2.2 脱硫石膏-秸杆复合材料试块在潮湿环境中的耐久性试验
脱硫石膏-秸杆新型复合墙板虽然主要用于室内分户或分室墙板, 处于干燥环境中, 但用于卫生间或外墙时, 则可能处于潮湿环境中。为检验脱硫石膏-秸杆新型复合材料在潮湿环境中的耐久性, 又进行了脱硫石膏-秸杆复合材料试块在潮湿环境中的耐久性试验。由于缺少相关的试验标准和方法, 本项研究采用将脱硫石膏-秸杆复合材料制作的试块较长期地放置在室外的潮湿环境中 (经受自然降水或人工浇水) , 观察秸杆是否受到腐蚀或霉变来判断脱硫石膏-秸杆复合材料在潮湿环境中的耐久性。
图2 (a) 为脱硫石膏-秸杆复合材料试块放置在室外的潮湿环境中的状况, 图2 (b) 为在室外潮湿环境中放置150 d后试块表面和内部状况。
从图2可以看出, 在室外潮湿环境中放置150 d后, 试块表面及内部秸杆均未出现腐蚀或霉变现象 (试块表面仅沾有少量雨水溅起的泥土) , 说明脱硫石膏-秸杆复合材料在潮湿环境中也具有较好的耐久性。
3 结论
(1) 轻质。脱硫石膏-秸杆复合材料干密度仅为720 kg/m3, 符合JGJ 209—2010《轻型钢结构住宅技术规程》不宜超过800kg/m3的要求。
(2) 有足够的强度。复合材料1~3 d强度已超过10 MPa, 利于复合材料墙体的施工, 14 d时, 强度已超过20 MPa, 符合GB/T 23451—2009规定的条板强度不低于3.5 MPa的要求。
(3) 耐久性好。秸秆处于具有较强碱性 (脱硫石膏-秸秆浆液p H值=11) 的复合材料中, 不易腐蚀, 耐久性好。在潮湿环境中也具有较好的耐久性。
实验结果证明了复合材料满足轻质隔墙的性能要求。且其已在郑州某工程中实际用作隔墙, 使用效果良好。
石膏检测 石膏成分检测 篇4
石膏成分检测
一：石膏（003）
石膏是单斜晶系矿物，主要化学成分是硫酸钙（CaSO4）。石膏是一种用途广泛的工业材料和建筑材料。可用于水泥缓凝剂、石膏建筑制品、模型制作、医用食品添加剂、硫酸生产、纸张填料、油漆填料等。
二：石膏的主要化学成分
CaO 32.5，SO3 46.6，H2O+ 20.9。成分变化不大。常有 粘土、有机质等 机械 混入物。有时含SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Na2O、CO2、Cl等 杂质。
三：主要检测产品
石膏粉：磷石膏粉、脱硫石膏粉、柠檬酸石膏粉和氟石膏粉
石膏板：纸面石膏板、装饰石膏板、石膏空心条板、纤维石膏板、石膏吸音板、定位点石膏板
其他：生石膏，石膏纤维，石膏线，石膏砌块等。四：主要检测项目
含量分析：含固体含量、硫酸钙含量、不挥发物含量、其他杂质含量
成分配比
物理性质：硬度、灰分、粘度、细度、粒度、挥发分、比重、比表面积、熔点、回粘性、光泽、吸水率、凝结时间、尺寸偏差 和表面质量等；
力学性能:抗拉强度、脆性、弯曲试验、拉伸试验、耐冲击性等
化学性能：耐水性、耐久性、耐酸碱性、耐腐蚀性、耐候性、耐热性等。
防火性能：耐燃烧时间、火焰传播比值、质量损失、炭化体积
其他参数：隔音性能等。五：部分检测标准 JC/T 517-2004 粉刷石膏
GB/T 9776-2008建筑石膏
GB/T 5483-2008 天然石膏
GB/T 5484-2012 石膏化学分析方法
GB/T 9775-2008 纸面石膏板
GB/T 9776-2008 建筑石膏
磷石膏路基材料的实验研究 篇5
关键词：磷石膏,粉煤灰,水泥,路面基层,无侧限抗压强度
1 引言
大量堆置的磷石膏的处理及综合利用目前仍举步维艰, 国内对磷石膏的开发主要是做建材和水泥缓凝剂, 年利用率不到产生量的10%。
甘肃省燃煤电厂多, 有火电企业25家, 是全国粉煤灰产生量大的省份之一, 每年产生约220余万吨粉煤灰, 除120万吨被水泥、新型建材制品企业综合利用外, 其余百余万吨粉煤灰被堆放在露天堆灰场。这两种废渣的存放不仅占用大量耕地, 浪费大量建设资金, 而且若存放不当, 还会污染环境。因此, 对这两种废渣的开发和利用很有实际意义。
磷石膏和粉煤灰的活性都较差, 不能单独作为一种胶凝材料, 笔者在试验中发现用磷石膏、粉煤灰和水泥做路面基层材料, 水泥可作为粉煤灰的碱性激发剂, 磷石膏可作为粉煤灰的硫酸盐激发剂, 充分利用了粉煤灰和磷石膏的化学性能, 同时石灰与粉煤灰的火山灰反应进一步提高了强度[1], 研制的磷石膏-水泥-粉煤灰-石灰体系路基材料中磷石膏、粉煤灰所占比重大;一旦在现场进行推广, 可以大大节约成本, 降低工程造价。
2 试验原材料
磷石膏:主要成分为Ca SO42H2O, p H值为1.5~2.0, 游离水含量为9%。其化学成分见表1。
粉煤灰:其化学成分见表2。试验测知, 该粉煤灰不具有独立的水硬能力, 只有在加入一定量的水和水泥时, 才能激发活性, 发生火山灰反应, 形成强度。
由表2知, 该粉煤灰的主要化学成分Si O2+Al2O3+Fe2O3的含量为87.46%, 烧失量为3.23%, 其活性氧化物的含量Si O2+Al2O3达到81.46%。一般情况下除了硫钙型粉煤灰外, Si O2和Al2O3含量越高其强度越高。我国《公路路面基层施工技术规范》规定:粉煤灰中Si O2+Al2O3+Fe2O3的含量应大于70%, 其烧失量不应超过10%。该粉煤灰符合要求。
水泥:采用42.5级普通硅酸盐水泥。
石灰:自购当地块状生石灰, 粉碎后Ca O含量为70%-76%。
本实验研究的路基材料属于石灰工业废渣稳定土。由《公路路面基层施工技术规范》 (JTJ034-2000) 可知, 7d浸水抗压强度应符合表3。
3 试验内容
3.1 混合料较佳比例的确定
取各配合比的混合料, 压制成型, 养护7d后测定未浸水无侧限抗压强度, 试验结果如表4所示。
注:P代表磷石膏;F代表粉煤灰;C代表水泥;L代表石灰。
由表4可知, A、B、C三组试验测定7d无侧限抗压强度时溃散, 究其原因, 从表4中可明显看出这三组试验中磷石膏 (P) 量高于粉煤灰 (F) 量, 显然呈酸性的磷石膏在整个过程中只起到了填充料的作用, 未反应。
表4中还可看出, F组、G组、H组的强度值较理想。但是G组使用的石灰量过大, 现场成本过高, 故该组舍弃不用。
由表4可知, 基层材料饱水无侧限抗压强度须大于0.6MPa。选取F、H实验组的试件浸水72小时, 测定其吸水率及饱水无侧限抗压强度。见表5。
由表5可知, F组和H组试样的饱水无侧限抗压强度均满足规范要求, 软化系数分别为:KF=0.60, KH=0.59。
《公路路面基层施工技术规范》 (JTJ034-2000) 规定, 在配合比下试件室内试验结果的平均抗压强度R应符合以下公式的要求:
式中:Rd—设计抗压强度, Cv—试验结果的偏差系数 (以小数计) ;Za—标准正态分布表中随保证率 (或置信度a) 而变的系数, 高速公路和一级公路应取保证率95%, 即Za=1.645;其他公路应取保证率90%, 即Za=1.282。
偏差系数Cv=σ/R, 其中, R—混合料所测强度平均值, MPa;σ—实验结果标准差。
Cv2=0.096/1.59=6.03%, Rd/ (1-Za.Cv) =0.6/ (1-1.282×0.0603) =0.65<1.59
由以上分析可知, 两种配合比下强度均符合规定的要求, F组的强度及软化系数都优于H组。为尽量充分利用磷石膏废渣, 以H组为初步确定配合比继续试验。
3.2 各因素对二灰基层强度的影响
3.2.1 磷石膏掺量对路基强度的影响
不同磷石膏掺量产生的强度影响见表6及图1。
由图1可知, 其他因素不变的情况下, 随磷石膏掺量的增加, 磷石膏-粉煤灰-水泥-石灰体系路基材料的强度先增加后减少, 磷石膏掺量为55%时强度达到最大值, 超过55%后, 强度减小较为明显。究其原因是:体系中的磷石膏所含二水硫酸钙与水泥中的C3S和Ca O生成水化硅酸钙[1], 当磷石膏用量达一定值时, 水化产物的数量最高, 此时体系强度最大, 此后, 磷石膏量再增加, 只能作为填料, 反而增大了路基材料的孔隙率, 体系的强度随之减小。所以磷石膏的掺量不应超过55%, 定为45%。
3.2.2 水泥掺量对路基强度的影响
不同水泥用量对路基材料强度的影响见表7及图2。
由图2可知, 水泥用量7%~9%时, 强度猛增, 9%以后强度趋于平缓, 有减小趋势。阎培渝[2]和周万良[3]等的研究表明, 二水石膏和水泥水化后转变的钙矾石以微晶形式与水化硅酸钙凝胶均匀地混合在一起, 包裹在未水化的粉煤灰和石膏颗粒表面, 形成了致密结构, 正是由于具有这样的结构, 才消除了石膏和钙矾石对其结构的破坏, 保证了路基材料安定性良好。水泥用量取9%。
3.2.3 石灰掺量对路基材料强度影响
粉磨后的石灰对强度的影响见表8和图3。
由图3可知, 随石灰用量的增加, 基层强度也随之增加。石灰的主要作用是提供碱性环境, 激发火山灰反应, 从图中可看出石灰是影响试件强度变化的主要因素之一。但是如果石灰用量过大, 钙矾石的生成速度快于水化铝酸钙的生成速度, 由此形成晶体的累积和增加, 致使试件内部产生膨胀造成试件开裂[4], 石灰成本较高, 现场还需要购置破碎设备, 综合考虑, 石灰用量取5%。
3.2.4 粉煤灰对路基材料强度影响
试验测得粉煤灰掺量对试件的强度影响见表9及图4。
由表7、表8、表9可看出, 粉煤灰与磷石膏比为1时, 强度都能符合规定要求, 图4同样说明了这一点, 而且随着粉煤灰掺量的增加试件强度增高。可见粉煤灰的掺量对试件无侧限抗压强度的影响较大。路基体系中, 磷石膏溶解于水后, 与粉煤灰中的Si O2和Al2O3反应生成钙矾石, 钙矾石形成速度快溶解度很小, 降低了体系中Al3+浓度, 加速了粉煤灰玻璃体的溶解, 从而激活了粉煤灰活性[5]。取粉煤灰的量为45%。
3.3 正交试验求解最佳配合比
本次试验的因素水平表如表10所示, 正交表采用L9 (34) 试验结果见表 (2-8) 。
分析得出因素的主次顺序是:B→D→C→A;最佳配合比为A2B3C3D2。即磷石膏:粉煤灰:水泥:石灰=45:50:10:5。对试件7d无侧限抗压强度影响最大的是粉煤灰的掺量, 其次是石灰掺量。原因是试件强度主要来源于粉煤灰的火山灰反应, 火山灰活性需要在碱性环境中激发, 而石灰则是提供碱性环境的重要原料。
由以上较佳配比的试验结果可求出路基材料的7d无侧限抗压强度与磷石膏、粉煤灰、水泥、石灰掺量四者的线性回归方程:y=-4.186+0.029x1+0.107x2+0.28x3-0.0933x4
其相关系数为0.892, 计算结果与试验结果较为接近。
4 结语
1) 研制的磷石膏路基体系的7d饱水无侧限抗压强度可达到3MPa, 超过了《公路路面基层施工技术规范》 (JTJ034-2000) 中规定的0.6MPa。
2) 磷石膏-粉煤灰-水泥-石灰体系中, 水泥的最佳掺量为10%, 石灰的最佳掺量为5%, 在水泥与粉煤灰均为最佳掺量时, 磷石膏和粉煤灰的比为1时, 可获得符合规定的抗压强度。
3) 磷石膏-粉煤灰-水泥-石灰路基材料体系, 水化硅酸钙为体系提供强度, 石灰与粉煤灰的火山灰反应, 推动了体系的水化, 水泥的水化使强度得到更大的提升。
4) 正交试验确定了7d无侧限抗压强度影响的主次顺序为:粉煤灰→石灰→水泥→磷石膏, 得到的该体系的最佳配合比为:P:F:C:L=45:50:10:5, 水灰比为0.21。
5) 无侧限抗压强度的四元线性回归方程为y=-4.186+0.029x1+0.107x2+0.28x3-0.0933x4, 该回归方程可以作为今后试验预测和控制的参考。
参考文献
[1]Weiguo Shen, Minkai Zhou, Qinglin Zhao.Study on lime-fly ash-phosphogypsum binder[J].Construction and Building Materials, 2007, 21:1480-1485.
[2]阎培渝, 杨文言, 覃肖, 等.氟石膏粉煤灰混凝土的水化特性与抗压强度[J].建筑材料学报, 1998, 1 (6) :320-324.
[3]周万良, 龙靖华, 詹炳根等, 粉煤灰-氟石膏-水泥复合胶凝材料性能的深入研究建筑材料学报, 2008, 2 (11) 179-182
[4]廉慧珍, 建筑材料物相研究基础.清华大学出版社, 1996
[5]Ambarish Ghosh.Durability of lime-fly ash stabilized soil activated by calcined phosphogypsum[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2010, 22 (4) :343-351.
[6]中华人民共和国交通部规范.公路路面基层施工技术规范.北京:人民交通出版社, 2000
石膏基氯氧镁复合改性材料的研究 篇6
建筑制品常用的胶凝材料有水泥、氯氧镁和石膏三大系列,对单一材料而言,其性能各有利弊。例如水泥系列的隔墙条板虽然具有较高的强度及软化系数,但其容重高、抗弯荷载低,特别是干燥收缩率高,成墙后常出现裂缝等工程质量问题。氯氧镁系列的隔墙条板生产成本低,强度高,但制品尺寸稳定性差,受潮后容易变形,另外,收缩率高且难以克服,导致墙体工程开裂的问题十分严重。石膏系列的墙材制品由于生产能耗低、试件尺寸稳定性和居住舒适性好等优点,被誉为是节能环保的绿色建材,但石膏制品的强度较低,耐水性能较差,软化系数一般只有0.25左右,在一定程度上限制了石膏建材的推广使用。因此,针对上述缺陷进行墙体材料的复合改性处理,配制使用性能良好的新型胶凝材料成为材料学科研究的重要课题。
1 研究过程
1.1 试验用原材料
石膏:建筑石膏粉,标准稠度用水量0.56;初凝时间11min,终凝时间14min;2h抗折强度2.74MPa,2h抗压强度5.9MPa;绝干抗折强度5.1MPa,绝干抗压强度16.9MPa。
氧化镁:所用氯化镁符合HG/T 2679—2006《工业重质氧化镁》规定的技术指标要求。
氯化镁:所用氯化镁符合WB/T 1018—2002《菱镁制品用工业氯化镁》规定的技术指标要求。
1.2 试验方案
(1)试验设计:氯化镁在石膏基材中的掺量分别为总质量的2%、5%、10%、20%、30%、40%、50%。
(2)研究内容:凝结时间、强度、软化系数、干燥收缩率及微观晶体形貌。
(3)试验方法:标准稠度用水量依据GB/T 17669.4―1999《建筑石膏净浆物理性能的测定》规定的试验方法进行;强度按GB/T 17669.3―1999《建筑石膏力学性能的测定》规定的试验方法进行;软化系数和干燥收缩率依据JG/T 169—2005《建筑隔墙用轻质条板》规定的试验方法测试。
2 结果与讨论
2.1 氯氧镁胶凝材料掺量对石膏凝结时间的影响
氯氧镁胶凝材料以一定比例掺入石膏中,凝结时间随掺加量的递增而延长,有效克服了石膏基材料凝结时间过短的材性问题。从图1的曲线可以看出,当掺加量小于20%时,凝结时间有所延长,但曲线比较平缓。掺加量在20%至40%的区间内,凝结时间的变化幅度较大,曲线变化比较陡直。当掺加量达到40%时,初凝时间达到676min,终凝时间达到724min。掺加量为50%时,相对40%掺量而言,初凝时间延长35min,终凝时间延长30min,凝结时间的变化趋于平缓。
2.2 氯氧镁胶凝材料掺量对石膏基复合材料强度的影响
从图2可以看出,石膏基材中掺加氯氧镁胶凝材料时,石膏基复合材料的强度出现下降,且随掺量的增加强度损失率提高,当掺加量达到10%时,强度损失率最高,抗折强度损失率达到44.5%,抗压强度损失26.7%。之后随着掺加量的增加强度直线回升。当掺量达到50%时,抗折强度达到9.23MPa,抗压强度达到61.44MPa,与石膏单一材料的强度相比,抗折强度提高81.08%,抗压强度提高263.5%。
2.3氯氧镁胶凝材料掺量对石膏软化系数的影响
石膏单一材料的软化系数均较低,通常为0.25左右。从图3可以看出,石膏和氯氧镁胶凝材料两种气硬性的复合对石膏软化系数的改善相当明显。软化系数随氯氧镁胶凝材料掺量的递增直线提高,当掺量达到50%时,软化系数从0.25提高到0.88。
2.4 氯氧镁胶凝材料掺量对石膏尺寸稳定性影响
氯氧镁胶凝材料对试件尺寸稳定性的影响见表1。由表1可见,随着掺量的增加收缩率呈急剧增长趋势,当掺量达到40%时,干燥收缩率达0.88mm/m,超出JG/T 169—2005《建筑隔墙用轻质条板》规定的0.6mm/m的要求。在30%的掺量范围内,干燥收缩率较低,可满足相应的标准和工程使用要求。
2.5 氯氧镁胶凝材料掺量对石膏晶体形貌的改变
图4是石膏硬化体的微观结构晶体形貌,图5与图6是试验中氯氧镁胶凝材料掺加量分别为10%和30%时样品的微观晶体形貌。与图4相比,图5显示石膏的结晶习性完全改变,晶体形貌由相互穿插、交错生长的针状结构变成板状或块状结构,晶粒粗大,造成强度急剧下降。与图4相比,图6晶粒变得更加细小,均匀,致密,晶体缺陷得以改善,对应的宏观强度大幅增长,抗折强度增长34%,抗压强度增长147%。
3 结论
(1)石膏基材料中掺加复合氯氧镁胶凝材料可延长凝结时间,并大幅提高强度和软化系数。
(2)石膏基复合材料性能改善的机理在于氯氧镁胶凝材料在适宜的掺量下优化改变了石膏的结晶形式,形成了新的复合矿物,由此提高了复合矿物的力学性能和耐水性能。
石膏复合材料 篇7
脱硫石膏是火力发电厂等燃煤企业湿法脱硫所得的副产物。通常每处理1 t含硫燃料可产生脱硫石膏约5.4 t,一个30万k W的燃煤电厂,如果燃煤含硫1%,每年就要排出脱硫石膏3万t[1]。脱硫石膏具有Ca SO4·2H2O含量高、成分稳定、粒度小、有害杂质少等特点,加以利用可成为一种很好的建材资源。近年来,国内外对脱硫石膏的综合利用已取得一些成绩,如生产建筑石膏、粉刷石膏、纸面石膏板、石膏砌块等。充分利用脱硫石膏,既可以减缓副产物堆弃所造成的二次污染,又可以减少天然石膏的用量,节约不可再生资源[2]。但以脱硫建筑石膏为主要原料的制品强度较低且耐水性能较差[3]。研究结果表明,掺加纤维可明显提高石膏制品的力学性能,但同时会使其耐水性能有所降低[4,5]。本文通过复合掺加聚丙烯纤维和有机乳液来改善脱硫石膏制品的耐水性能和力学强度,并对其综合作用机理进行探讨。
2 实验
2.1 实验原料
2.1.1 脱硫石膏
脱硫石膏采用济南黄台电厂湿法烟气脱硫的直接产物,其主要成分是CaSO4·2H2O,含量为86.37%,粉末状,呈浅粉色。其主要化学成分如表1所示。
2.1.2 聚丙烯纤维
实验选用四川华神化学建材有限责任公司生产的聚丙烯纤维。如图1所示,聚丙烯纤维的横截面呈三叶型。纤维长度19 mm,当量直径45 mm,其基本性能指标见表2。
2.1.3 试剂
硬脂酸采用天津凯通化学试剂有限公司生产的化学纯试剂,球状微小颗粒,白色,其熔点为54℃~56℃。
聚乙烯醇为1799型,白色絮状固体,购于济南化工商店。
乳化剂,采用自制的复合型阴离子表面活性剂F,该乳化剂的特点是其亲油基与硬脂酸具有良好的相溶性;消泡剂,磷酸三丁酯,购于济南化工商店。
2.2 实验方法
2.2.1 脱硫石膏的预处理
将脱硫石膏原料置于干燥箱内30℃恒温烘干,烘干后的脱硫石膏在155℃下煅烧3.5 h,使二水石膏相脱水转化为半水石膏相,将炒制后的脱硫石膏在室温条件下陈化9 d,制得脱硫建筑石膏。
2.2.2 硬脂酸-聚乙烯醇乳液的配制
硬脂酸乳液:称取10 g硬脂酸加入到200 g水中,开始加热、搅拌,待硬脂酸完全融化停止加热,在搅拌状态下滴加适量乳化剂、消泡剂,并冷却至常温,制得硬脂酸乳液。
硬脂酸-聚乙烯醇乳液:称取2 g聚乙烯醇加入到200 g水中,开始加热、搅拌,待聚乙烯醇完全溶解后将10 g硬脂酸加入到溶液中,继续加热、搅拌,待硬脂酸完全融化,停止加热,在搅拌状态下滴加适量乳化剂、消泡剂,并冷却至常温,制得硬脂酸-聚乙烯醇乳液。
2.2.3 实验方案
按照表3中各原料的配比,在标准稠度用水量条件下成型,制备试样1#~5#,其中聚丙烯纤维、硬脂酸乳液以及硬脂酸-聚乙烯醇乳液的加入量均为前期试验确定的最优掺量。
2.2.4 实验过程
按表3中的配比准确称取各原料,将标准稠度用水量的水倒入搅拌锅中,在30 s内将原料均匀地撒入水中,静置1 min,用拌和棒在30 s内搅拌30次,得到均匀的料浆,将其注入尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的三连模中成型。成型后2 h脱模,将脱模后的试样在(40±2)℃恒温箱中烘至恒重,再升温至70℃,保温1 h取出,放回恒温干燥箱中冷却至室温。
按照以上步骤,对每种配料比制作三组试样A、B、C。试样组A直接进行绝干条件下抗折、抗压强度的测定;试样组B和C分别进行2 h和24 h的吸水性实验,并分别测定组B和组C中各试样的抗折、抗压强度、吸水率和软化系数。利用扫描电子显微镜(SEM),对各试样分别进行微观形貌分析。
3 实验结果与分析
3.1 实验结果
依照以上的实验过程进行实验,试样1#~5#各项性能的实验结果如表4所示。
3.2 机理分析
3.2.1 聚丙烯纤维的影响及其作用机理探讨
由表4实验结果可知:与空白石膏试样1#相比,掺加6%聚丙烯纤维可使石膏试样2#的抗折、抗压强度分别提高47.83%、27.88%,但其耐水性能有一定程度地削弱,具体表现为浸水2 h、24 h吸水率的增大及其抗压软化系数的降低。这是由于聚丙烯纤维的横截面为三叶型,相对于普通横截面为圆形的纤维而言,其比表面积较大,纤维与石膏基体之间的接触面积也就较大,从而加大了两者之间的握裹力。当纤维掺加到试样中后,纤维与石膏基体之间存在着较强的界面吸附粘结力以及机械啮合力,试样受到外力破坏时,纤维能够起到传递应力并阻止裂纹延展的作用,从而使掺有纤维的石膏试样的抗折、抗压强度提高。与此同时,掺加的聚丙烯纤维表面存在着-OH,这种极性基团对极性水分子的吸附作用显著,吸附量可达5%~6%,因此试样浸水后的吸水率有所提高,软化系数有一定程度的降低。
3.2.2 有机乳液的的影响及其作用机理探讨
由表4中3#和4#试样的测试结果可知:硬脂酸乳液和硬脂酸-聚乙烯醇乳液可不同程度地改善石膏试样的耐水性能,掺加硬脂酸乳液试样浸水2 h、24 h后的吸水率分别降低78.89%、75.95%,掺加硬脂酸-聚乙烯醇乳液试样浸水2 h、24 h后的吸水率分别降低90.30%、85.62%,不利的是其抗折、抗压强度均不同程度降低。硬脂酸乳液对脱硫石膏耐水性能的提高主要在于硬脂酸乳液可改变石膏硬化体中毛细孔的表面性质,其防水机理模型图如图2所示。掺加硬脂酸乳液后,在成型的过程中乳化成微米级的硬脂酸颗粒会均匀地分散在石膏料浆中,随石膏料浆的逐渐硬化,细小的硬脂酸颗粒会均匀地分布在石膏硬化体中。当石膏硬化体受热干燥达到硬脂酸熔点以上时,均匀分布的硬脂酸颗粒进一步熔化,并附着于石膏硬化体内部孔洞和孔隙的表面,改变孔洞和孔隙的表面性质,使其由亲水性变为憎水性。
硬脂酸-聚乙烯醇乳液能够进一步提高脱硫石膏的耐水性能。这是因为,均匀分散在石膏浆体中的聚乙烯醇溶液,随着石膏硬化体中水分的逐渐蒸发成为缩水凝胶,这种缩水凝胶的形成与石膏水化硬化彼此之间相互协调发展,在石膏硬化的过程中凝胶逐渐形成经纬交织的不规则网膜。聚乙烯醇上的羟基会和硬脂酸上的羧基键合形成酯基,从而在毛细孔中最大程度地伸展开。正是由于聚乙烯醇能够在石膏硬化体中形成交织的网膜,所以其对石膏制品的防水具有明显作用。图3是硬脂酸-聚乙烯醇乳液防水机理模型的示意图。图(a)是体系中掺有硬脂酸乳液的毛细孔模型,硬脂酸乳液均匀分散于毛细孔内表面,使其表面性质由亲水性变为憎水性;另外硬脂酸的存在又使毛细孔变得更加曲折,一定程度上使孔径缩小。图(b)是体系中掺有硬脂酸-聚乙烯醇乳液的毛细孔模型,在硬脂酸乳液作用的基础上,聚乙烯醇所形成的网膜使毛细孔进一步缩小,甚至可以完全封闭毛细孔通道,“阻塞”了渗水通路。
此外,硬脂酸乳液均匀地分散在料浆中,在脱硫建筑石膏水化硬化的过程中,它会包覆在石膏晶体表面,抑制石膏晶体的纵向生长,从而导致石膏晶体的粗化,晶体之间有效搭接数量减少。如图4所示,试样3#较之试样1#,晶体明显变粗变短,晶体之间的搭接变得疏松,反映在宏观上表现为石膏试样的力学性能有所下降。
3.2.3 硬脂酸-聚乙烯醇乳液和聚丙烯纤维共同掺加的综合作用机理探讨
由表4中5#试样的测试结果可知,硬脂酸-聚乙烯醇乳液和聚丙烯纤维复合掺加可有效改善复合材料的力学性能和耐水性能。试样中单掺聚丙烯纤维时,纤维与石膏基体界面处会存在缝隙,这是体系中的薄弱位置,容易造成水分渗入。在此基础上,掺加有机乳液后,有机乳液在基体与纤维之间的界面上具有“填充”作用,乳液中的不同基团会选择性地锚固在石膏基体或纤维表面,在石膏基体与纤维之间形成一个界面层,从而使彼此间的界面结合更为紧密,可以有效阻止水分浸入,从而使脱硫石膏制品的耐水性能提高。
有机乳液在石膏基体与纤维之间形成的界面层对试样力学性能的提高具有两方面的影响。一方面,良好的界面结合有利于试样强度的发挥,如图5所示,由于有机乳液的界面层作用,试样破坏时大量石膏基体黏连在纤维表面被一起拔出,这说明界面间结合牢固,增强效果明显;另一方面,试样受力时,界面层的存在可有效传递应力,减弱某些局部的应力集中,阻止界面裂纹的扩展,使裂缝不能首先在界面上发生。因此聚丙烯纤维和有机乳液共同掺加的聚丙烯纤维/脱硫石膏复合材料力学性能得到明显改善。
4 结论
在石膏中加入硬脂酸乳液一方面可改变毛细孔内表面的性质,使其由亲水性转变为憎水性;另一方面硬脂酸可改善石膏硬化体中毛细孔的结构形式,使毛细孔变得更细小、曲折、分散,使水分不易渗入试样内部。
在体系中加入硬脂酸-聚乙烯醇乳液,在硬脂酸乳液作用的基础上,聚乙烯醇形成的缩水凝胶可在毛细孔中形成经纬交织的网膜,使毛细孔进一步缩小,甚至可以完全封闭毛细孔通道,“阻塞”渗水通路,进一步提高试样的耐水性能。
只掺加聚丙烯纤维试样的力学性能有显著提高,耐水性能有所降低;在聚丙烯纤维和有机乳液复合掺加的复合材料试样中,有机乳液可在石膏基体与纤维之间形成界面层,使彼此间的界面结合更为紧密,并有效传递应力,从而显著提高试样力学性能和耐水性能;在硬脂酸-聚乙烯醇乳液和聚丙烯纤维的共同作用下聚丙烯纤维/脱硫石膏复合材料试样的主要性能指标为,抗折强度8.58 MPa,抗压强度10.03 MPa,2 h吸水率3.25%,24 h吸水率6.03%。
参考文献
[1]钟毅,高翔,骆仲泱等.湿法烟气脱硫系统脱硫效率的影响因素[J].浙江大学学报(工学版),2008,42(5).
[2]Candace L Kairies,Karl T Schroeder,Carol R Cardone,et al.Mercury in gypsum produced from flue gas desulfurization.Fuel,2006,85.
[3]隋肃,李建权,关瑞芳等.石膏制品的耐水性能研究[J].建筑材料学报,2005,8(3).
[4]Guozhong Li,Jianquan Li.Investigation of the Water resistance of Gypsum Materials[J].ZKG International,2003(,56).
石膏复合材料 篇8
我国从20世纪80年代中期开始推广应用外墙保温技术,在外围护墙体的保温隔热中,外围护墙体的保温隔热对整个建筑节能的影响最大[1]。 石膏-EPS-棉花秸秆纤维复合材料是以EPS颗粒为保温材料,石膏为胶凝材料,添加硅酸盐水泥及棉花秸秆纤维,制备出的具有良好保温性能和防火性能的复合材料。
1试验部分
1.1原材料
聚苯乙烯泡沫(EPS):由废弃聚苯乙烯泡沫经专用破碎机破碎而成,粒径3~6mm,容重18kg/m3。
石膏:建筑石膏。
高炉矿渣颗粒:钢铁公司工业副产品。
棉花秸秆纤维:长5~30mm,宽1.0~2.0mm。
水泥:42.5级普通硅酸盐水泥。
1.2试样制备
先将棉花秸秆与矿渣颗粒在搅拌机内搅拌,目测秸秆纤维被矿渣颗粒打散,然后加入石膏和水泥搅拌1min; 再加入适量水和石膏缓凝剂搅拌1~2min;最后加入EPS颗粒搅拌1~2min,形成粘稠状浆体, 制成300mm×300mm×30mm和100mm×10 mm×100mm砌块,砌块自然养护一定时间后备用。
1.3基础配比的确定
根据专利[2]可知,在石膏基EPS复合材料中,最终的保温性能主要是由EPS的含量所决定。 棉花秸秆是一种木质素含量较高的植物纤维,掺入棉花秸秆主要为了改善EPS颗粒的和易性,在拌和过程中棉花秸秆对EPS有一定的缠绕作用,同时,纤维中析出的糖分对EPS颗粒表面有吸附作用,使EPS颗粒在拌和和振捣过程中不易上浮,均匀分布在胶凝材料中[3]。 但过多的棉花秸秆纤维会降低复合材料的力学性能。 通过试验可知,棉花秸秆添加量达到2%以上可满足普通振捣要求。 因此,本文将棉花秸秆的掺量定为材料总量的2%。 综合各项指标最终确定的基础配比为:棉花秸秆纤维掺量2%,矿渣添加量38%,石膏添加量50%,水泥添加量10%,水灰比为0.65。
2保温性能试验
2.1 EPS含量对导热系数的影响
按前述配合比制成的砌块自然养护7d,用30 mm×300mm×30mm砌块在TPMBE-300平板导热仪上测试导热系数。用100mm×100mm×100mm砌块在压力机上测试抗压强度。 试验结果见图1。
从图1可知,随着EPS掺量的增加,复合材料的抗压强度呈下降趋势。 这一方面是因为EPS颗粒密度较小,体积比较大,每添加1克EPS颗粒相当于增加体积5%,通常,同种材料密度越大抗压强度就越大,EPS颗粒的添加相当于增加了体积减小了密度;另一方面,随着EPS颗粒掺量的增加,胶凝材料所占比重下降,使复合材料内的胶凝材料不能完全包裹EPS空隙, 造成材料内部产生更多有害空隙,导致材料抗压强度逐渐下降。 从图1还可看出, 随着EPS掺量的增加, 导热系数也呈逐渐下降趋势。 这是因为EPS颗粒是由聚苯乙烯塑料发泡而成, 颗粒本身热阻较大, 而且颗粒内部含有大量微小的封闭气孔, 这些封闭气孔保温性良好。 因此, EPS掺量越多,材料内部这些封闭气孔就越多,其热阻也就越大,保温性能越好。
2.2空气湿度对导热系数的影响
本课题除了包括西北严寒农牧区抗震节能农宅建设外,还包括严寒农牧区设施农业中的暖圈建设。 暖圈建设所使用的建筑材料除了需要具备一定的强度和保温性能外还需要具备一定的防潮功能。 石膏复合材料具有调节空气相对湿度的性能,即吸收和释放水分的特性,但石膏复合材料吸湿后会造成强度和导热系数的变化。 因此,在湿度大的环境下,必须进行材料保温性能的试验研究。 根据以上分析设计试验方案如下:前述基础配合比及水灰比不变,EPS掺量11‰(拌合物质量比), 制成相应规格砌块,在温湿度检定箱内控制恒温20℃,不同相对空气湿度(40%~80%)环境下存放7d后,测试砌块的导热系数和抗压强度。 试验结果见图2。
从图2可见,不同湿度下,材料的导热系数呈逐渐增大的趋势,说明保温性能逐渐下降,尤其空气湿度超过60%以后变化的更加明显。 另一方面, 材料的抗压强度也呈逐步下降趋势。 这是因为在潮湿状态下石膏复合材料逐渐吸收空气中的水分,石膏晶体在水分作用下失去一定的稳定性,局部晶体发生了溶解,导致复合材料强度下降。 同时,由于复合材料的吸水性导致材料含有一定的水分,材料内部的水分会对保温性能带来不良影响,具体表现就是导热系数的增大。 另外,严寒地区材料内部如果出现水份,会导致材料孔隙内的水分结冰,产生体积膨胀,使硬化后的石膏晶体遭到破坏,导致复合材料抗冻性减弱。
在新疆农牧区设施农业的暖圈中,在通风不良的环境里空气湿度会大于70%,不同高度相对湿度也不同,1.6m最高,3.0m最低, 且夜间湿度高于白天,并受舍外气候的影响[4]。 为了保障复合材料在暖圈中的应用,需要对复合材料进行相关处理,主要考虑采用设置防水兼隔气层,试验阶段主要采用丙烯酸涂抹复合材料表层,这种方式一方面可以阻碍空气中的水分进入材料内部,另一方面可减少动物尿液对材料的腐蚀。 试验时我们将丙烯酸涂抹在整个试块表面后干燥2d后, 在温湿度检定箱内控制恒温20℃,在湿度70%和80%环境下存放7d后,测试复合材料的导热系数。 测试结果显示, 石膏EP复合材料经丙烯酸乳液包覆后,导热系数与干燥状态下的结果相差不大。 因此,当暖圈通风环境不良时,可以采用丙烯酸乳液涂抹表层对石膏EPS材料进行保护,以确保复合材料的保温性能。
3石膏基EPS复合材料的防火性能
在实际工程中常用的保温材料有三种类型:1无机的和不燃的;2有机无机复合的,如胶粉聚苯颗粒;3有机高分子保温材料[5]。 石膏基EPS棉花秸秆纤维复合材料由于使用了可燃的EPS颗粒和棉花秸秆纤维作为保温材料,属于第二类,即有机无机复合的保温材料,具有引发火灾的可能。
3.1试验板材的准备
采用前述试验配比不变,制成350mm×550mm× 120mm规格的板材,表面不做抹灰处理,自然条件下养护7d后。 采用汽油喷灯作为火源对板材进行防火试验。 试验板材的背火面平均分布9个测温点, 采用TM550非接触式红外测温仪每隔5min测温一次,共测试90min。 试验板材背火面测温点布置见图3,各测温点的时间-温度变化曲线见图4。
3.2试验结果及分析
由图3和图4可见,试验板材经1千多度高温耐火试验90min,未失去完整性;向火面经高温燃烧90min, 背火面平均温升14.5℃, 最高单点温升为20.6℃(5号点),远低于耐火极限判定标准规定的温度,未失去隔热性。
试验结束后,板材向火面核心区域状况见图5。 由图5可见,向火面核心区裂缝呈不规则状,裂缝深3~6mm,长10~30mm。经过90min燃烧试验后,板材背火面较试验前无明显变化,没有微裂缝及水汽出现,背火面始终完整。 图6为试验板材向火面燃烧中心内部状况,从图6可见,向火面40mm厚复合材料受到了影响,其表层已完全酥化,酥化部分深度达到10mm,强度很低,掉渣;但内侧30mm材料仍然保持一定的强度,可以看见棉花秸秆炭化后形成的黑色孔洞和EPS软化后留下的空心洞。
GB 50016—2006《建筑设计防火规范》规定,民用建筑中非承重外墙的耐火极限为1.00h,耐火等级最高的一级耐火防火墙的耐火极限是3.00h。石膏-EPS-棉花秸秆纤维复合材料作非承重墙体材料时只需要满足60min的耐火极限,本试验设定的90min超过国家相应规范,且在90min的燃烧后材料没有明显变化。分析可知,石膏EPS复合材料虽含有可燃的有机EPS和无机棉花秸秆,但主要成份依然是石膏和矿渣这两种不燃材料,尤其是石膏的耐火性能是其他材料无法相比的。石膏复合材料遇火,在100℃以上时二水石膏分子中的结晶水发生变化,到300℃以上时基本完全脱去结晶水,这部分水会在复合材料表层形成水膜,温度继续升高后会释放大量的水分,形成不溶性的无水石膏,虽强度下降但幅度有限。EPS和棉花秸秆高温下由于被石膏包裹只会软化和炭化,不会发生明火燃烧现象。
4结论
(1)利用废旧聚苯乙烯(EPS)泡沫塑料颗粒作为保温材料,以石膏为主要胶凝材料,辅以棉花秸秆纤维、水泥和矿渣, 制备了导热系数0.13~0.23W (m·K),抗压强度2~3.3MPa的复合保温材料。
(2)制备的复合材料因石膏的独特分子结构而具有良好的防火性能。 90min耐火试验表明,板材不窜火,背火面温度变化远低于国家标准,是一种性能优良的防火材料。
石膏复合材料 篇9
石膏在我国的分布非常广泛且储存量丰富,总储蓄量高达600 亿t,居世界之首。 石膏属气硬性胶凝材料,具有成型工艺简单、材料生产能耗低、原材料来源广泛等优点, 是公认的新型绿色建筑材料。钢渣和矿渣是冶炼钢铁过程中从高温炉分离出来的杂质,年排放量5000 万t左右,钢渣、矿渣的资源利用不仅可以减少环境污染、节约资源,并且可以降低成本,提高经济效益。 矿渣目前已经磨细成矿粉大量使用,而对于钢渣由于其磨性较差且含有大量的游离Ca O会造成拌合物体积安定性不良,使得钢渣利用率目前还不高。 在前期研究过程中,肖磊[1]及姚世明[2]等利用钢渣、矿渣、水泥等材料加入外加剂研制出了一种具有一定物理力学性能的复合砌块材料。 本研究用石膏部分替代水泥作胶凝材料,钢渣、矿渣作掺合料,采用正交试验设计方法[3,4,5],研究石膏掺量[6,7]、水胶比及减水剂[8]掺量三因素四水平下对复合砌块抗压强度、抗折强度、以及软化系数的影响[9,10]。
1试验方法
1.1原材料
石膏: 乌鲁木齐某装饰材料厂生产的熟石膏粉,即半水石膏(Ca SO2·1/2H2O),为白色粉末,比重2.6~2.759g/cm3。
水泥:新疆某公司产42.5 级普通硅酸盐水泥。
矿渣:宝钢集团新疆某公司产,粒径3mm以下,其主要化学成分见表1。
%
钢渣:宝钢集团新疆某公司产,粒径1~5mm以下,其主要化学成分见表2。
减水剂:FDN萘系高效减水剂,褐色粉末状。
%
缓凝剂:市售,蛋白类骨胶,灰白色粉末状。
1.2 正交试验设计及结果
选择石膏掺量、水胶比及减水剂掺量为三个影响因素,各因素选取4 个水平,见表3。 其中,石膏的百分含量以替代之前水泥的质量为基准,水胶比是用水量比上替代后胶凝材料的总质量(水泥+石膏), 减水剂的百分含量是以替代后胶凝材料总质量(水泥+石膏)为基准。 缓凝剂掺量均为替代后胶凝材料总质量的0.4%。
以复合砌块的抗压强度、抗折强度以及软化系数作为考察指标,按正交表L16(45) 安排正交试验,如表4 所示。
1.3 试件制作
将称量好的水泥、钢渣、矿渣混合物干拌均匀,将称好的减水剂和缓凝剂放入水中均匀搅拌。 再将混合物加入之前搅拌均匀的水和外加剂拌合,最后再加石膏、水及外加剂继续搅拌,入模振捣成型。
试件尺寸为40mm×40mm×160mm的长方体,每种不同配合比制作9 个试块,抗压强度和抗折强度采用3 个试块,软化系数采用6 个试块。 在常温条件下养护7d后进行抗压、抗折及软化系数测定。
2 试验结果与分析
2.1 极差分析
对复合砌块进行抗压强度、抗折强度及软化系数极差分析,结果见表5。 其中,Ki(i=1,2,3,4)表示各因素在同一水平下的试验结果之和,Ki(i =1,2,3,4) 则表示各因素同一水平下试验结果的平均值,,Ri(i=1,2,3,4) 为极差,Ri越大说明该因素的水平变化对试验指标影响越大,反之则越小。
由表5 可以分析出每个因素对复合砌块抗压强度的影响,极差分析因素的主次大小为:石膏>水胶比>减水剂, 并且分析出每个因素对复合砌块抗折强度的影响,极差分析因素的主次大小为:石膏>水胶比>减水剂,由于胶凝材料中含有石膏,软化系数也是一个重要的物理指标,其极差分析因素的主次大小为:石膏>水胶比>减水剂。 上述极差分析可知,石膏掺量是影响复合砌块的主要因素,其次是水胶比,再次是减水剂。 为更直观分析各个因素水平变化对抗压强度、抗折强度、软化系数试验指标影响变化情况,分别绘制了抗压强度、抗折强度、软化系数的正交分析点图(图1)。 由图1 可知,随着石膏掺量的增大软化系数逐渐减小, 且在水胶比为0.4、减水剂为1.1%时软化系数达到最高值;随着石膏的掺量增大抗折强度先降低后增大,且在水胶比为0.4、减水剂为1.2%时抗折强度达到最大值;随着石膏的掺量增大抗压强度逐渐减小,且在水胶比为0.4、减水剂为1.2%时抗压强度达到最高值。
2.2 方差分析
方差分析主要考虑将试验条件改变所引起的数据波动与由试验误差所引起的数据波动严格区别开来,并判断所考察因素作用的显著程度,通过spss软件对正交试验结果进行方差分析。
方差分析可以进一步地直观显示各个因素对试验指标影响的显著性。 由表6 方差分析结果可知,石膏对复合砌块的抗压强度、抗折强度、软化系数有非常显著的影响,其次是水胶比,最后为减水剂,与上述的极差分析结果一致。
2.3 石膏掺量对复合砌块抗压强度、软化系数及抗折强度的影响
2.3.1 石膏对复合砌块抗压强度、软化系数的影响
由图1 可知, 石膏替代水泥量从50%、60%、70%、80%时,复合砌块的软化系数和抗压强度逐渐下降,且下降幅度分别为33.33%和20.45%。 这主要是由于水泥中的铝酸三钙与氢氧化钠和水反应生成水化铝酸钙,水化铝酸钙又与石膏反应生成钙矾石。 由于石膏掺量过高产生大量钙矾石造成石膏复合砌块安定性不良,直接影响砌块抗压强度,并且建筑石膏水化为二水石膏的过程理论上只需要18.6%的水,但为了保证浆体有一定的流动性,在含有石膏浆体的搅拌过程中往往加入的水量远远大于理论所需拌合用水量,石膏复合砌块成型后多余的水被保留在砌块体内,当水分蒸发后,复合砌块内部形成多孔结构致使密度减小,强度降低。 并且石膏的水化产物中二水硫酸钙晶体的溶解度较大,石膏复合砌块在水的作用下时造成二水硫酸钙晶体的溶解,破坏了整体结构,造成结构疏松,从而使软化系数大幅度下降。
2.3.2 石膏对抗折强度的影响
随着石膏掺量的增加,石膏复合砌块的抗折强度先降低后增加,但总体上石膏掺量增大对复合石膏砌块的抗折强度呈增大状态,抗折强度相对增加幅度为20.50%。 这主要是由于建筑石膏的水化产物为二水石膏晶体,随着石膏掺量的增加,二水石膏晶体量也不断增加,使得二水石膏晶体之间相互挤压造成晶体之间搭接的密实程度增大,从而增强了石膏复合砌块的抗折强度。
2.4 回归分析经验公式
分别对试验结果的抗压强度、抗折强度、软化系数三种试验指标进行多元线性回归, 可假设线性回归模型为:
式中:yi(i=1,2,3)为试验指标,分别代表抗压强度、抗折强度、软化系数;x1为石膏掺量;x2为水胶比用量;x3减水剂掺量;e为随机误差。
抗压强度线性回归方程:
抗折强度线性回归方程:
软化系数线性回归方程:
由表7 可知,抗压强度和软化系数线性回归方程非常显著,而抗折强度为显著。 由此可以得出:在配合比设计过程中以抗压强度及软化系数为主要参考指标。
2.5 利用回归分析经验公式预测强度值
当石膏替代水泥用量的30%、40%、60%时,固定水胶比, 利用减水剂调节各配合比的拓展度,使每种配合比有较好的和易性和良好的工作状态,配合比见表8。 将表8 中的石膏、水胶比、减水剂用量带入抗压强度线性回归方程中,计算抗压强度与实际测得的抗压强度值做对比,其值见表9。 由表9 可见, 利用回归经验公式计算得到的7d抗压强度值与实测的抗压强度值较吻合,经验公式对于理论计算石膏复合砌块不同配合比抗压强度有一定的适用性和参考价值。
MPa
3 结论
(1)石膏复合砌块抗压强度、抗折强度、软化系数影响程度由大到小依次是: 石膏>水胶比>减水剂,其中,水胶比和石膏是影响复合砌块抗压强度、抗折强度的主要因素;影响复合砌块软化系数最主要的因素是石膏。 石膏替代水泥量不宜大于胶凝材料的60%。
(2) 本试验是中,7d抗压强度大于35.0MPa的共有四组配合比, 分析这四种配合比的软化系数、折压比可知,最佳的配合比为第5 组(A2B1C2),即石膏用量60%,水胶比0.4,减水剂1.1%。
(3) 通过加入适量的石膏, 可以减轻砌块的自重,该砌块可以用于承重墙,大大提高了残渣的利用率,符合资源可持续发展的要求,具有良好的社会效益和环境效益。
摘要：用石膏部分替代水泥作为胶凝材料,钢渣、矿渣作为掺合料,采用正交试验设计方法,将石膏、水胶比、减水剂在三因素四水平的影响下,对砌块的抗压强度、抗折强度及软化系数进行了极差和方差分析;采用多元线性回归分析方法建立基于抗压强度、抗折强度及软化系数的经验公式,并利用建立的抗压经验公式计算结果与实测值进行了对比。结果表明,石膏是影响复合砌块抗压强度、抗折强度及软化系数的主要因素,水胶比次之,减水剂影响程度最小。通过分析得出最佳水平为:石膏用量60%,水胶比0.4,减水剂1.1%。