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化学石膏用于自流平材料的研究简述

    自流平材料是一种以无机或有机胶凝材料为基材,加入适量的骨料和减水剂、保水剂等外加剂复合形成的新型建筑地面自我流平材料。其最大特点是自流平性,能在自身重力作用下自由流动形成平整的地面,可克服普通水泥砂浆施工时平整度难以控制的通病。

    自流平材料组成中的主要基材不同可以分为有机系和无机系。有机系自流平材料主要指环氧自流平材料,其独特的化学结构和双组分有机化合物使有机系自流平具有良好的物理机械性能和耐酸、油脂等化学品性能,已成为应用最普遍的自流平材料。无机系自流平材料可分为以水泥为基材的水泥系自流平材料和以石膏为基材的石膏系自流平材料。水泥系自流平材料强度高、流动度好,且耐水性能优异,在市场上得到广泛认可。石膏系自流平材料具有较好的保温隔热、隔声防火和耐久性等特点,与水泥基相比略显弹性, 自重轻脚感好、舒适度高。石膏基自流平材料对石膏品质要求较高,但我国优质天然石膏较少,因此化学石膏系自流平具有较大的开发潜力和经济效应。

1   化学石膏种类

1.1   磷石膏

    磷石膏是磷肥厂等化工企业产生的固体废弃物,每生产1 吨湿法磷酸约产生5 吨磷石膏,近几年,我国年均排放的磷石膏已接近4000 多万吨,磷石膏已成为我国排放量最大、利用率最高的工业废渣之一。磷石膏除二水硫酸钙主要成分外,还含有未分解的磷灰石、不溶性P2O5、共晶P2O5、氟化物及氟、铝、镁的磷酸盐和硫酸盐、有机物等杂质,是影响磷石膏性能的主要因素。现阶段磷石膏主要用于生产水泥缓凝剂、石膏砖、路基填料、石膏砌块、石膏板、粉刷石膏、抹灰石膏以及制硫酸联产水泥和改良土壤等。

1.2   脱硫石膏

    脱硫石膏主要是火电厂对燃煤燃烧后产生的烟气进行烟气脱硫(FGD) 净化处理而得到的工业废渣。国家规定所有燃煤企业必须采用脱硫技术处理二氧化硫。按1 吨产生约3 吨脱硫石膏计算,2011 年由火电厂和工厂脱硫产生的脱硫石膏年排放量约2500 多万吨,将成为化学石膏排放量最多的工业废渣。脱硫石膏的主要成份是二水硫酸钙,一般为88% ~ 95%,主要杂质为碳酸钙、亚硫酸钙和氯化物等。欧美发达国家对脱硫石膏进行研究和利用始于20 世纪70 年代末,现已基本形成较完善的研究、应用体系,利用率高达80% ~ 90%,我国对脱硫石膏的研究起步较晚,至今未能形成规模化开发利用。脱硫石膏可应用于制备腻子粉、高强石膏粉、胶凝材料、粉刷石膏、做水泥缓凝剂,也可以应用于钢结构防火涂料等领域。

1.3   氟石膏

    氟石膏是氟化盐厂利用荧石和浓硫酸反应制取氟化氢后排放的工业废渣。氟化钙中二水硫酸钙一般在75% 以上,其中干法氟化铝生产排放氟石膏的二水硫酸钙含量超过95%,已达到优质天然石膏的标准。我国每年氟石膏排放量100吨左右。氟石膏可以作水泥缓凝剂、矿化剂、陶瓷石膏模具、胶凝材料和生产石膏砌块、石膏板等建筑材料。

1.4   钛石膏

    由于欧美发达国家的少数几家生产钛白粉的企业垄断,我国生产钛白粉仍然采用硫酸法,用硫酸法生产钛白粉产生大量的酸性废水,钛石膏就是用石灰中和处理废水而产生的。1 吨钛白粉约产生5 吨左右钛石膏,全国每年钛石膏产量约100 多万吨。钛石膏的二水硫酸钙一般为70% ~ 85%,主要杂质为铁、铝、钛、铬。我国对钛石膏的研究开发利用起步晚,目前主要有重庆大学和济南大学等大学的部分专家研究钛石膏的资源化利用,主要集中研究制备路基填料、水泥缓凝剂以及墙体材料等。

1.5   柠檬石膏

    柠檬石膏是以红薯等原料生产柠檬酸时排除的副产品。每生产一吨柠檬酸约产生2.4 吨柠檬石膏,我国每年排放的柠檬石膏50 万吨左右。柠檬石膏的主要成分二水石膏含量高达95% 以上,除此之外,含有少量的猛、氟等杂质。目前主要应用于制备砌块、纸面石膏板等墙体材料。

1.6   其他化学石膏

    除以上化学石膏外,还有硼酸厂排放的硼石膏、海水制盐或淡化过程产生的盐石膏以及排放量较少的酒酸石膏、味精石膏、铜石膏、添加剂石膏、铬石膏、芒硝石膏、乳酸石膏等。

2   化学石膏制备自流平材料的组成

    化学石膏经预处理之后的主要成分含量、结构与天然石膏相近,以一定的配合比可复合成性能与天然石膏制备的自流平材料相近的石膏基自流平材料。常见的石膏基自流平材料成分如表1。

    日本是最早研究石膏基自流平材料的国家,最具代表的是日本住宅公团,随后美国、韩国、德国等欧美发达国家也相继开发出石膏基自流平材料。表2 是日本典型的石膏基自流平材料配方,表3 是典型石膏基自流平材料性能。

表1   常见的石膏系SL 成分

组成物种类

   

组成物名称

   

基料

   

α 型、β 型半水石膏、半水石膏等

   

骨料

   

河砂、海砂、石英砂等

   

混合材

   

粉煤灰、矿渣粉等

   

减水剂

   

SM 高效减水剂、烷基苯磺酸钠、木质素磺酸钠等

   

缓凝剂

   

铵盐类、蛋白质分解类、纤维素、磷酸盐、糖类等

   

消泡剂

   

有机硅油、非离子表面活性剂等

   

保水剂

   

纤维素、聚丙烯酸盐、天然橡胶等

   

PH调节剂

   

石灰、水泥等

   

表面硬化剂

   

三聚氰胺甲醛树脂、尿醛树脂等

   

 

表2   典型石膏基自流平材料配方

材料名称

   

用量(Kg)

   

α- 半水石膏

   

70

   

水泥

   

15

   

石英砂

   

15

   

保水剂( 纤维素)

   

0.5

   

缓凝剂( 胺酸类)

   

0.02

   

消泡剂( 有机硅油)

   

0.02

   

   

40

   

 

表3   典型石膏基自流平材料性能

性能

   

测试结果

   

备注

   

硬化体比重

   

1.55

   

硬化时间(h)

   

2~4

   

抗弯强度(MPa)

   

>6

   

干燥至恒重

   

抗压强度(MPa)

   

>15

   

干燥至恒重

   

表面硬度(kg/mm2)

   

0.4

   

布氏硬度

   

表面粘结强度(MPa)

   

0.3

   

瓷砖用PVAC

   

与基地的粘结强度(MPa)

   

0.8

   

基底为混凝土

   

表面弹性模量(MPa)

   

1.0×105

   

热传导率

   

0.4千米/米·时·度

   

热膨胀率

   

1.0~2.0×10ˉ5/℃

   

 

3   化学石膏制备自流平材料的特点

    化学石膏基SL 属石膏系SL,可作为水泥基SL 的替代品,除了具有良好的流动性,易于石膏,劳动强度低,不会产生离析、分层、泌水、起泡等不良现象,较好的平整度,抗压、抗折、耐水性、耐磨性等物理性能较好,耐久性好,与基底粘结牢固、不空鼓,不易开裂、剥落等性能外,还应具有以下特点:

    1)地面致密光滑而不起灰,略有弹性、脚感好,相对水泥系自流平地面更舒适;

    2)地面强度好,收缩率低,能够满足一般建筑地面的要求;

    3)自流平地面无残留化学药品,无化学异味;

    4)石膏硬化体含有大量结晶水,导热系数较小,能够在较高温或发生火灾时释放出水蒸气,提高地面的耐火性能及保温性能;

    5)初终凝时间与水泥相近,早期硬化体强度较好,养护周期适当,施工1~2 天内能够上人;

    6)石膏硬化体是一种多孔材料,当环境湿度较大时,呼吸孔能自动吸湿,相反则能自动释放孔内水份,调整室内温度及湿度,提高室内环境的舒适度;

    7)化学石膏制备自流平材料能够做到绿色环保无污染,不仅解决了化学石膏难利用的难题,加快化学石膏的资源化利用,而且能最大程度创造经济价值。

4    制备化学石膏基自流平材料存在的问题

4.1   存在的问题

    1)化学石膏预处理最有效的方法是水洗法,但水洗法会带来二次污染。因此一般选用成本较低、无污染、效果好的石灰中和法,但化学石膏原材料来源、生产条件等影响,预处理时很难控制石灰的最佳加入量。

    2)化学石膏成分较复杂,含杂质种类较多,含量虽少,但是严重影响化学石膏的性能。因来源、生产工艺等差异,不同企业排放的化学石膏,甚至同一企业不同时间段排放的废渣成分也会存在较大差异,严重影响化学石膏的利用。

    3)2007年以前,在我国,石膏系自流平尚无统一的国家或行业标准,因此到现在为止化学石膏制备自流平材料的研究因参照的标准不同,导致施工工艺、性能要求参差不齐,施工造价较高。

    4)化学石膏基自流平地面材料的抗压、抗折强度、耐水性、耐磨性等物理性能与水泥基自流平地面材料相比存在一定差距,仅限于住宅、超市等对强度要求不是很高的地面铺筑。

    5)部分化学石膏因来源、生产环境不同以及预处理工艺影响,含有少量有毒化学物质、放射性物质,严重制约消费者放心接受化学石膏基自流平材料的产品。

    6)化学石膏一般为免费资源,是促进化学石膏制备自流平材料发展的动力,但是随着化学石膏资源利用的不断推进,当利用率提高后,供应也会相对紧张,可能会收费,影响研究和利用化学石膏制备自流平材料及其他副产品的积极性。

    7)目前化学石膏预处理及添加剂、转晶剂成本较高,导致与生产水泥基自流平材料成本基本相等,严重制约化学石膏基自流平材料的应用推广。

    8)国内经济不发达,国民一般选择成本较低的水泥砂浆直接铺筑地面。自流平材料还不太适合国情,加上施工工艺及设备较落后,自流平材料还未进入国民的视野。

4.2   改进方法

    (1) 化学石膏杂质是影响其应用的重要因素,深入研究杂质对自流平性能的影响,是加快化学石膏制备自流平材料的必经之路。

    (2) 选择成本较低的预处理方式和添加剂类型,降低化学石膏基自流平材料的生产成本。

5   结论

    化学石膏已经成为排放量最大的工业废渣之一,尚未得到有效开发利用,占用了大量的土地且带来环境污染。自流平材料作为一种新型材料,随着设计部门和施工部门的深入了解和认识以及我国劳动力缺口不断扩大,劳动强度低,舒适度高,稳定性好,保温效果较佳,绿色环保无污染的化学石膏基自流平材料将逐渐进入国民的视野,在地面铺筑材料方面起着越来越重要的作用,具有较好的经济效益、环保效果,是一种极具前景的新材料。


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