再生建筑石膏水化硬化及增强改性研究

发布时间：2020-05-15 18:49

【摘要】：建筑石膏具有低碳、循环、多功能等特点,是国际上推崇的绿色建材。但全球每年将排放出大量的废弃石膏,造成了严重的资源浪费及环境污染等问题。而石膏中二水相与半水相分别在一定条件下可相互转化,具有无限循环利用的理论基础。因此,明确再生建筑石膏强度劣化的内在原因以及进行增强改性研究对实现废弃石膏规模化、高效率的再生利用具有重大的理论价值和实际指导意义。系统深入地研究了再生次数对建筑石膏粉体物理性质、物理力学性能、水化进程以及硬化体微结构等影响,揭示出再生建筑石膏强度劣化机理。在此基础上,采用颗粒级配优化及减水剂降低标准稠度需水量、活性矿物材增加水化产物、纤维增韧等多种手段对再生建筑石膏进行增强改性研究,并从水化进程与硬化体微结构等方面阐明增强作用机制。再生建筑石膏强度显著劣化,相比原生降幅高达47%-58%,但不同再生次数石膏间的强度差异则较小。再生半水石膏粒径细化,颗粒级配较差,且结构裂隙增多,导致粉体比表面积与空隙率增大,从而造成再生建筑石膏标准稠度需水量从原生的0.62大幅提高到0.81~0.85。由水膏比增加导致的硬化体孔隙率增加、孔径粗化等孔结构恶化是造成再生建筑石膏强度削弱的主要因素。随着再生次数增加,溶液中初始液相离子过饱和度逐渐降低,致使析晶的临界半径增大,延缓水化进程,导致硬化体中二水石膏晶体内部缺陷增多,且晶体形貌由原生的细长针棒状逐渐变为三次再生的短柱状,晶体间搭接程度变差。但硬化体中晶体缺陷增多与形貌的变化仅略微减小抗折强度,是造成再生建筑石膏强度降低的次要因素。另外,再生建筑石膏中二水相与半水相在相互循环转化过程中,二水石膏晶体缺陷及形貌大小、长径比则决定了下一次再生半水石膏比表面积、空隙率及球形度等粉体物理性质,从而引起标准稠度需水量变化,进而对下一次再生建筑强度产生相应影响。随着再生半水石膏粒径增大,一方面粉体比表面积与空隙率大幅减小,从而显著降低标准稠度需水量,增加硬化体密实度,有利于强度提高;另一方面液相离子过饱和度降低,增大了析晶的临界半径,延缓水化进程,导致析出的二水石膏晶体呈粗大片层状,从而削弱强度。最终确定再生半水石膏粒径在80~145μm区间对强度提高最有利,而在200μm区间则大幅削弱强度,是有害区间。采用Fuller分布模型对再生半水石膏进行颗粒级配优化,当分布指数m值为0.6时,再生建筑石膏强度具有最大值,相比未优化的强度增幅高达约70%。减水剂对再生建筑石膏增强效果的顺序为:SMFASFASPFDNPC-1641FPC-S08。其中,聚羧酸类PC-1641F、PC-S08增强效率较高,临界掺量仅为0.5%,抗压强度增幅却分别高达117%、89%;而在大掺量范围内,SMF增强效果最好,掺量为1.2%时抗压强度增幅高达186%。主要原因是SMF还具有细化孔径作用,从而导致相同减水率下再生建筑石膏强度最大;而PC-S08则增加大孔数量,粗化孔径,且晶体形貌呈粗大的短柱状,因此削弱了增强效果。由减水率、引气、水化进程等造成硬化体中孔隙率、孔径分布及晶体形貌等变化是决定减水剂增强效果的三个关键因素。另外,FDN、SMF、ASF及ASP具有加快再生建筑石膏水化进程作用,从而增大浆体流动度经时损失,缩短凝结时间;而聚羧酸类PC-S08、PC-1641F则显著延缓水化进程,从而大幅减小浆体流动度经时损失,延长凝结时间。三种水泥对再生建筑石膏增强效果顺序为:SACACOPC,20%掺量下28d抗压强度相比空白样增幅分别高达119%、83%、50%。另外,OPC与SAC均缩短了水化诱导期,加快水化进程;而AC则延长水化诱导期,延缓水化进程。大量的C-S-H凝胶、AH_3等水化产物吸附包裹在二水石膏晶体表面,增加晶体间胶接力,同时有效填充硬化体中孔隙,增加结构密实度。矿渣在碱激发方式下,胶凝活性得到显著提高,水化程度增加,水化产物C-S-H凝胶数量增多,有效填充硬化体中孔隙,增加结构致密性,从而导致20%掺量下28d基体抗压强度增幅高达54%,是硫酸钙激发方式下的2倍多。PVA纤维改性的再生建筑石膏在破坏过程中具有明显的应变-硬化现象,挠度、抗折强度、韧性等均得到大幅提高,增强增韧效果显著优于PP纤维。尤其是掺加1.2%、长度为12mm的PVA纤维,基体抗折强度增幅为47%,韧性指数TI高达53.9。另外,相比疏水性PP纤维,亲水性PVA纤维具有加快再生建筑石膏水化进程,缩短凝结时间作用,且对浆体流动性具有较大的负面影响。硬化体中PVA纤维-石膏基体的界面过渡区裂隙较小,结构较为致密;而PP纤维-石膏基体的界面过渡区则存在明显的裂隙,结构较为疏松,削弱了胶结力。
【图文】：

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图 2.1 天然石膏矿微观形貌2.1 Microstructure of natural gyps 试验所用天然石膏矿化学组成（position of natural gypsum ore usedSiO2Al2O3Fe2O31.15 0.42 0.13类、主要成分、生产厂家以及 2.2 试验所用减水剂主要成分及ents and traits of water reducing age 生产厂家缩合物星辰化工

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干处理（45-50℃），得到原生建筑石膏；最后将原生建筑石膏按照上述工艺经过多次循环后分别制备出一次、二次、三次再生建筑石膏。图2.2 再生建筑石膏的制备工艺流程图Fig. 2.2 Process flow chart for preparation of recycled building gypsum试验中选用纯度较高的天然石膏矿，则可以有效避免杂质在循环制备过程中产生的负面影响。为揭示出再生建筑石膏强度劣化规律及内在原因，首先对比研究了三种状态下四种半水石膏的粉体物理性质、流动度以及物理力学性能。三种对比方法如下所述：① 按照图 2.2 的工艺流程，分别制备出四种半水石膏，记作“相同制备工艺”；并测试了粉体物理性质以及在标稠需水量下的物理力学性能。② 通过筛分法将各再生半水石膏分成<15 μm、15~45 μm、45~80 μm、80~145
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ177.377

【参考文献】