改善氯离子对脱硫石膏制品性能影响的方法研究

1.1 有机硅防水剂对高氯脱硫石膏纸面石膏板粘接性能的影响

掺加不同量有机硅防水剂后，石膏板在自然养护和标准养护条件下纸板的粘接性能分别见表2、表3。

从表2、表3 可以看出，掺加有机硅防水剂可以提高纸面石膏板的耐水性能，无论是在自然养护还是在标准养护条件下，随着防水剂掺量的增加，其纸板粘接性能均呈现出先提高后降低的趋势；在防水剂掺量为1.5%时，纸面石膏板纸板的粘接性能最佳。这是因为在石膏水化过程中，防水剂在石膏晶体之间形成以甲基硅醇钠为主要成分的憎水性物质，能够填充在石膏晶粒间和孔隙中，降低气孔率，尤其是减少连通孔的数量，均化孔结构，增加水化产物的密实度；有效降低氯离子在石膏板热处理过程中向界面迁移的速率，降低了界面处氯离子含量，改善了纸面石膏板纸板之间的粘接性能。同时，有机硅防水剂中的憎水性物质覆盖在石膏晶粒表面，使石膏晶粒与水的亲和力降低，提高了石膏的耐水性能。因此，在标准养护条件下，掺加有机硅防水剂后纸面石膏板纸板的粘接性能提高。但当防水剂掺加量过多时，在石膏晶粒表面形成的防水膜会降低晶粒之间以及石膏晶粒与护面纸之间的粘接强度，还可能降低改性淀粉的活性，使纸面石膏板纸板粘接性能下降。

1.2 矿物掺合料对高氯脱硫石膏纸面石膏板性能的影响

为了研究矿物掺合料对脱硫石膏制品性能的影响，选取3 种常见的矿物掺合料（水泥、粉煤灰、矿渣）进行正交复配。以掺量分别为0、2%、4%、6%设计3 因素4 水平正交试验。在室温下，将上述不同配合比的物料按标准稠度用水量加水拌合，成型，在室温下养护28 d，将试样磨细后，按JC/T 2074—2011 测试不同条件下（加热和不加热）氯离子含量，正交试验设计和测试结果见表4，极差分析见表5。

从表4 可以看出，掺加不同矿物掺合料之后，脱硫石膏对氯离子的固化效果均有不同程度的提高。分析表5 结果可知，在加热或者不加热条件下测试时，对氯离子含量的影响程度依次均为矿渣>水泥>粉煤灰。掺合料的最优配方为7# 样品：水泥掺量为1.2 g（2%）、粉煤灰掺量为2.4 g（4%）、矿渣掺量为3.6 g（6%）。此时，加热条件下氯离子含量为642.75 mg/kg；不加热条件下氯离子含量为177.31 mg/kg。

7# 样品的SEM 照片见图1，XRD 图谱见图2。

从图1 可以看到网状C-S-H 凝胶的存在，呈弥散状分布在石膏晶粒表面，C-S-H 凝胶内部含有数量众多的微细孔隙，因此具有极大的内比表面积[3]，对氯离子具有很强的吸附固化能力，可以有效地阻止氯离子在石膏硬化体中的迁移。

C-S-H 凝胶主要有2 部分来源，水泥水化产物以及矿渣、粉煤灰的火山灰效应。此外，矿渣和粉煤灰比表面积较大，能够为石膏水化提供充足的空间，其微集料效应还可以降低孔隙率，改善孔结构，提高石膏晶粒之间的连接强度。矿渣之所以具有比粉煤灰更好的固化氯离子的能力，是因为矿渣中含有较多的Al₂O₃，能够提高水化产物中水化铝酸钙的量，其次矿渣的二次水化活性较高，能生成更多的C-S-H 凝胶，其对氯离子的化学结合和物理吸附作用均优于粉煤灰。

由图2 可见，与文献对比，样品中除含有二水硫酸钙的特征峰外，还存在Friedel 盐的特征峰。

研究表明，水泥的水化产物水化硫铝酸钙对氯离子有很好的固化作用。水化铝酸钙可以与氯离子反应，生成长板状的Friedel 盐（单氯型水化氯铝酸钙或三氯型水化氯铝酸钙），对氯离子起到化学固化作用[7-8]，氯离子被固化形成的氯铝酸盐[3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·(10~12)H₂O或CaO·Al₂O₃· 3CaCl₂·(30~32)H₂O]也是AFm 或AFt 家族的一种，具有与Ca(OH)₂相似的层状晶体结构，其组成可用式[Ca(Al，Fe)(OH)₆]·X·nH₂O表示，其中X 为半个双价阴离子或一个单价阴离子。

水化氯铝酸钙的热稳定性不好，在加热条件下晶体会发生一定程度的破坏，此时会有部分氯离子进入溶液中成为自由离子，物理吸附的氯离子在该条件下也会有部分进入水中成为自由离子，宏观表现为，加热条件下与不加热条件下相比，氯离子含量增加。

根据测得的氯离子含量，从中取氯离子含量较低的5 组试样（3#、5#、7#、8#、10#），根据各自的配比制成纸面石膏板，测试该5 组纸面石膏板在自然养护和标准养护条件下的纸板粘接情况，结果见表6。

从表6 可以发现，7# 试样的纸板干湿粘接性能较好，在该配合比下，氯离子不仅可以较好地固定在石膏板内，而且纸面石膏板在潮湿条件下的耐久性也得到显著提高。因为矿物掺合料是水硬性胶凝材料，本身对水分具有很好的适应性，同时还可以改善整个石膏产物的内部结构，使水分对石膏基体的侵入变得困难，耐水性能增强。

1.3 水灰比对高氯脱硫石膏纸面石膏板性能的影响

考虑到降低水灰比会在一定程度上降低脱硫石膏水化产物的气孔率，提高致密度，设计实验探究水灰比对氯离子在石膏制品中迁移速率的影响，水灰比为0.4、0.6、0.8 时，不同区域氯离子浓度随时间的变化情况见图3。

从图3 可见：

（1）在离表层0 和3 mm 处，随着热处理时间的延长，氯离子含量呈增加的趋势，而在离表层9 mm 处，氯离子含量呈缓慢下降的趋势。以上3 处含量的变化率在前2 h 内要明显大于之后，这与石膏板的热处理过程相对应。在距离表层6mm 处，氯离子含量随时间的变化规律性不大，但基本在1000mg/kg 附近波动，前期氯离子迁移速度较快，此处的氯离子向表面迁移，由于离子的扩散作用，石膏板中心部分氯离子会向此处迁移，客观上又起到补充氯离子的作用，其虽然在前2 h内波动较大，但后期基本维持在1000 mg/kg，与整个石膏板中氯离子的平均含量接近。

（2）水灰比对氯离子的扩散有较大影响，石膏板各层中氯离子含量随时间变化的趋势基本相同；但随着水灰比的增大，石膏板表层的氯离子含量明显增加。虽然由于石膏板芯部氯离子含量较少，变化趋势并不明显，但仍可以看出，随着水灰比的增大，石膏板中心部分氯离子含量逐渐降低。

这是由于随着水灰比的增大，石膏水化产物的气孔率增大，连通的毛细孔增多，使水分更容易穿过水化产物到达界面，氯离子在石膏中的迁移能力随之增强。同时，因为石膏水化需要的水分是一定的，水灰比的增大意味着在对纸面石膏板进行热处理过程中，将有更多的水分由石膏板内部迁移出去，这会在一定程度上提高氯离子向石膏板表面定向迁移的能力。

在整个热处理过程中，氯离子在石膏板中的迁移主要存在2 种形式，即扩散（从高浓度到低浓度进行的迁移）和对流（随水分而进行的迁移）。由于在该过程中水分的蒸发占主导作用，因此对流作用全程占优，氯离子不断向石膏板表面迁移、聚集，最终导致氯离子浓度在石膏板表面局部严重超标，纸面石膏板出现易受潮、纸板粘接不牢等情况。

不同水灰比时，在自然养护和标准养护条件下纸面石膏板纸板的粘接性能见表7。

由表7 可见，无论是在自然养护还是在标准养护条件下，石膏板的纸板粘接性能均随着水灰比的增大而呈下降的趋势，这也从侧面证明了以上分析结果。

3 结论

（1）掺加适量的有机硅防水剂可以有效提高高氯脱硫石膏制品的纸板粘接性能和耐水性能。

（2）矿物掺合料对石膏板中氯离子的固化效果显著，可降低氯离子在石膏板中的迁移能力，对石膏板纸板粘接性能改善效果明显。

（3）水灰比会影响氯离子在石膏制品中的迁移速率，水灰比越大，相同条件下氯离子的迁移速率越快，氯离子对石膏制品性能的影响也越大。

原标题：《改善氯离子对脱硫石膏制品性能影响的方法研究》