硼砂对脱硫建筑石膏水化的影晌及其机理分析.pdf

全 国中文核 心期刊 钎 巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 硼砂对脱硫建筑石膏水化的 影晌及其机理分析 夏强 蒋林华 仲超 圣兆兴 李晓 张飞军 河海 大学 力 学与材料 学院 江 苏 南京2 1 0 0 9 8 摘要 针对脱硫建筑石膏凝结硬化快的特点 研究了硼砂对脱硫建筑石膏水化进程与二水石膏晶体形貌的影响 以及不同 p H 值 时硼砂 的缓凝效果 结合光 电子能谱技术对其缓凝机理进行 了分析 结果表 明 硼砂可 以抑制脱硫建筑 石膏早期水化 使 其水化放 热减缓 凝 结时间延长 但石膏硬化体 强度 有所降低 硼砂在碱性 的水化条件下对脱硫石 膏缓凝 效果最佳 在 p H值 1 0时凝结 时间 出现峰值 硼砂 的掺入会改变二水石 膏的晶体形貌 使二水石 膏形貌 由针状变成短柱状 晶体 尺寸明显粗化 晶体之 间搭接不 良 引 起强度损 失 硼砂与脱硫石膏表面钙元素发生络合作用 在其表面形成化学吸附层 抑制晶核长大 延缓石膏水化进 程 关键词 脱硫建筑石膏 硼砂 水化进程 晶体形貌 缓凝机理 中图分类号 T Q1 7 7 3 7 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 7 0 2 X 2 0 1 1 1 0 0 0 0 5 0 4 Effe ct o f b o r a x o n t h e h y d r a t io n p r o ce s s o f FGD b u il d in g g y p s u m a n d it s me ch a n is m a n a l y s is X A Q i a n g J I A NG L i n h u a Z H O N G C h a o S HE NG Z h a o x in g L I Xi a o Z H AN G F e u n C o l l e g e o f Me ch a n i cs a n d Ma t e r i a l s Ho h a i U n i v e r s i t y N a mi n g 2 1 0 0 9 8 J i a n g s u C h i n a Abs t r act As FGD b u il d in g g y p s u m h a s a ch a r a ct e r of f a s t s o l id it y t h e e f f e ct o f b o r a x o n t h e h y d r a t io n p r o ce s s a n d cr y s t a l mo r ph o l o g y o f d e h y d r a t e o f FGD b u il d in g g y p s u m a n d r e l a t io n s h ip b e t we e n p H v alue a n d r e t a r d in g e f f e ct we r e a n aly z e d F u r t h e r mo r e b y u s in g t h e X r a y p h o t o e l e ct r o n s p e ct r o s co p y t e ch n iq u e it s r e t a r din g me ch a n is m wa s a l s o s t ud ie d T h e r e s u l t s in d ica t e t h a t t h e a d d it io n of b o r a x r e t ard s t h e e a r l y h y d r a t io n of FGD b u il d in g gyps u m wh ich l e a d s t o a d e l a y in t h e h y d r a t io n h e a t e v o l u t io n I t ca n als o p r o l o n g t h e s e t t in g t ime b u t h a s a l it t l e in fl u e n ce o n S t r e n g t h d e v e l o p me nt Bo r ax h a s a b e t t e r r e t a r d in g e f f e ct in alk a l in e h y d r a t io n co n d it io n s a n d t h e s e t t in g t ime r e a che s t h e p e a k p o in t wh e n p H 1 0 T he a d d it io n o f b o r ax wil l l e a d t o t h e t r a n s f o r ma t io n of d ih y d r a t e crys t al f r o m n e e d l e l ik e t o s ho r t p ri s ma t ic I t co u l d ca u s e t h e l a r g e cr y s t al s iz e s a n d f e w l in k s b e t we e n crys t a l s in t h a t t h e s t r e n gth wil l b e l o we r Bo r a x in t e r a ct s wit h t h e Ca e l e me n t o n t h e crys t al n u cl e i s u r f a ce o f d e h y d r a t e s a n d f o rm s a che mica l a d s o rpt io n l a y e r in h ib it in g it s g r o wt h a n d co n s e q u e n t l y s l o win g d o wn t h e h y d r a t io n p r o ce s s Ke y wo r d s F G D b u i l d i n g g y p s u m b o r ax h y d r a t i o n p r o ce s s crys t a l m o rph o l o g y r e t a rdin g me ch a n i s m 脱硫石膏是火电厂采用湿法脱硫工艺的副产物 是一种优 质的建材资源 其G A S 0 4 2 H 0含量比天然石膏更高 脱硫石膏 代替天然石膏不仅可以保护有限的天然石膏资源 而且可以充 分利用工业废物 实现资源的优化 与普通石膏相比 脱硫建 筑石膏凝结更快 其塑性工作时间一般只有几分钟 不能满足 成型和施工的需要 需采用缓凝剂控制其合理的凝结时间 国内外对建筑石膏缓凝剂的缓凝效果 对石膏水化进程 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 7 8 0 8 5 河海大学 国家级创新项 目 G 2 0 1 0 1 1 1 7 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 2 1 作者简介 夏强 男 1 9 8 9 年生 江苏南京人 主要从事无机非金属材料 及数值模拟方面的研究 通讯作者 蒋林华 E m a i l l h j ia n g h h u e d u cn 和微结构的影响以及缓凝机理进行了广泛的研究 埘 但对脱 硫石膏缓凝剂的研究还较少见 将天然石膏某些缓凝剂应用 于脱硫石膏 出现缓凝效果不佳甚至不能发挥缓凝作用 在一 定程度上限制了脱硫石膏的推广使用 本文主要研究硼砂对 脱硫建筑石膏水化进程 二水石膏晶体形貌的影响以及不同 p H值时的缓凝效果 分析了缓凝机理 探讨硼砂用作脱硫建 筑石膏缓凝剂的可行性 1 试验 1 1 原材料 脱硫建筑石膏 南京一夫建材实业有限公司生产 灰白色 粉末 其化学成分如表 1 所示 基本物理性能见表 2 硼砂 氢 氧化钠 分析纯 N E W BUI L DI NG MATE Rl AL S 5 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 夏强 等 硼砂对脱硫建筑石膏水化的影响及其机理分析 表 1 脱硫建筑石膏的主要化学成分 其它 C a O S O3 S i O2 A 1 2 0 3 F e 2 0 3 Mg O H2 0 3 7 9 5 4 9 7 4 2 3 9 1 4 3 0 2 6 0 2 5 6 3 7 1 61 表 2 脱硫建筑石膏的基本物理性能 1 2 试验方法 石膏的凝结时间 标准稠度和强度根据 G B q 9 7 7 6 2 0 0 8 建筑石膏 进行测试 水化温度的测试 将石膏浆体倒入配瓶塞的广口保温瓶 中 瓶塞打孔插入温度计 温度计底端直接插入石膏浆体 连 续测试不同时间的温度值 采用A R L 9 8 0 0 X P 型x 一 射线荧光光谱仪分析石膏的化 学成分 采用B r u k e r X射线衍射仪进行物相分析 试样水化 至一定龄期 用无水乙醇终止水化 干燥 取原始断面 采用 J S M 一 5 9 0 0 扫描电镜观察其晶体形貌 放大倍数为5 0 0 0 倍 采 用日 本U L V A C P H I 公司的P H I 5 0 0 0 V e r s a P r o b e 光电子能谱 仪测试脱硫石膏特征元素的化学结合能 2 结果与讨论 2 1 硼砂对脱硫建筑石膏水化进程的影响 硼砂掺量对脱硫建筑石膏初凝时间和硬化体 1 d 强度的 影响分别见图1 图2 图 1 硼砂掺量对脱硫建筑石膏初凝时间的影响 7 0 60 专 5 0 繁4 0 3 0 嚣 2 0 1 0 0 0 1 2 3 4 5 硼砂掺量 图2 硼砂掺量对脱硫建筑石膏硬化体 1 d强度的影响 6 新型建筑材料 2 0 1 1 1 0 由图1 可见 硼砂对脱硫建筑石膏具有较好的缓凝效果 掺量在0 5 以内 脱硫建筑石膏的 初凝时间略有延长 掺量 达 l 时 初凝时间从5 m i n 延长到 1 9 m i n 对比图2可见 此 时脱硫建筑石膏的强度损失也开始急剧增大 达到1 0 硼 砂掺量进一步增大 初凝时间随之大幅延长 石膏硬化体强度 降低 抗折强度的变化趋势与抗压强度相似 硼砂掺量小于 3 时 抗折强度损失较大 大于3 时 抗压强度损失较大 脱硫建筑石膏以二水石膏为主 在常压 干燥的条件下煅 烧而成 水化活性高 凝结硬化快 早期水化率高 水化放热集 中 空白样和硼砂掺量为 l 的脱硫建筑石膏浆体水化过程 中的温度变化曲线见图3 1 4 l2 8 毯e 赠4 2 0 图 3 脱硫建筑石膏水化温度变化曲线 由图3 可知 脱硫建筑石膏的水化放热可以分为3 个阶 段 第 1 阶段石膏与水接触放出溶解热 温度升高 但在一定 时间内水化温度增长缓慢 第2阶段水化温度迅速升高 第3 阶段水化速率减慢 温度达到峰值 从空白样的曲线看 水化 温度的加速阶段对应于石膏的初凝到终凝时期 温度峰值出 现在终凝时间之后 掺入 1 硼砂以后 石膏水化诱导期延长 初始水化放缓 温度上升延缓 图4是空白 样和掺加 l 硼砂脱硫建筑石膏硬化体水化 1 5 m i n 时的X R D图谱 白样 上 I互 L 氐 L 0 2 0 4 0 t 6 0 8 0 1 0 0 20 图4 脱硫建筑石膏硬化体的 X R D图谱 由图4 可知 空白样水化 1 5 ra in 时已 经有较多的C a S O 2 H 0生成 而掺加 1 硼砂的石膏硬化体中主要物相仍是 G A S 0 4 0 5 H 0 C a S 0 4 2 H 0的衍射峰很少 表明硼砂的加入抑 制了石膏的水化进程 减缓了C a S 0 4 0 5 I I 2 0向C a S 0 4 2 H 0的 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 夏强 等 硼砂对脱硫建筑石膏水化的影响及其机理分析 转变 图5 是硼砂掺量 l 时脱硫石膏硬化体的抗压强度随时 间的变化 图5 脱硫建筑石膏硬化体抗压强度变化曲线 由图5 可见 硼砂尽管减缓了石膏的水化 延长了石膏的 凝结时问 对石膏硬化体强度增长有所影响 但2 h 后强度已 经基本达到峰值 可以满足施工时短时间强度的要求 2 2 p H值对硼砂缓凝效果的影响 硼砂的水溶液呈弱碱性 p H值约为9 5 采用0 0 2 的稀 盐酸或N a O H调节溶液的p H值 测试不同p H值时硼砂对脱 硫建筑石膏缓凝效果的影响 结果见图6 3 5 3 0 i 2 壶2 0 妻1 5 葵 1 O 5 0 图6 F S l p H值时硼砂对脱硫建筑石膏缓凝效果的影响 从图6 可见 在p H值 1 0时硼砂对脱硫石膏的缓凝效果 最佳 凝结时间出现峰值 并且碱性条件下硼砂的缓凝效果均 优于酸性条件 可见硼砂适用于碱性的水化条件 2 3 硼砂对脱硫建筑石膏晶体形貌的影响 见图7 a 空白样 b 掺 1 硼砂 c 掺5 硼砂 图7 硼砂对脱硫石膏晶体形貌的影响 由图7 a 可知 脱硫建筑石膏硬化体的晶体形貌与普通 建筑石膏相似 主要是交叉搭接的长径比较大的针状晶体 掺 l 硼砂后脱硫建筑石膏的晶体形貌 见图7 b 与纯石膏硬 化体相比没有发生多大变化 仍然是纵横交错的细长针状晶 体 当硼砂掺量达到5 时 见图7 c 针状特征减小 石膏晶