玻璃纖維和硅酸鈉復合對鹽石膏性能的影響

李志新，徐開東，馮浩強，王繼娜，張建武，馬先偉，牛季收

(河南城建學院材料與化工學院河南省城市固廢綜合處置與生態利用協同創新中心，平頂山 467036)

0 引 言

鹽石膏是制鹽工業產生的固體廢棄物，巖鹽、海鹽和湖鹽是我國的三大食鹽來源[1]。由于鹽生產方法(煮海為鹽、湖池曬鹽和鑿井取鹽)的不同而分成二水石膏(CaSO4·2H2O)和無水石膏(CaSO4)兩種，煮海為鹽產生的鹽石膏主要以二水石膏(CaSO4·2H2O)為主，鑿井取鹽產生的鹽石膏主要以無水石膏(CaSO4)為主[2-3]。據統計，每生產100萬噸真空鹽就會產生鹽石膏廢渣2萬噸左右[4-5]，不僅占用大量土地，增加處理費用，而且還嚴重污染環境。

井鹽鹽石膏的產生量最大,占總量的50%左右，主要分布在河南、四川、重慶、湖北、湖南、江西、江蘇、安徽等地。與天然石膏相比，井鹽鹽石膏的粒度小、強度低，利用困難，己成為一種污染環境的固體廢棄物[6]，因此，亟需開發井鹽鹽石膏的改性措施，李貴素[7]通過在井鹽鹽石膏中添加硫鋁酸鹽水泥熟料來改善它的性能，使強度提高到400 MPa以上；陳俠等[8]也對某一硫酸鹽激發劑作用下，鹽石膏的水化過程進行了研究，要求激發劑的摻量一定要適中。

盡管井鹽鹽石膏(以下簡稱“鹽石膏”)在改性技術方面已有研究并取得一定的成果，但整體研究淺顯，單一外加劑性能改善效果差。本文旨在研究玻璃纖維與硅酸鈉復合對鹽石膏水膏比、凝結及硬化強度等性能的影響，并通過掃描電鏡研究兩者復合改善鹽石膏性能的機理，為鹽石膏的資源化利用奠定理論基礎。

1 實 驗

1.1 原材料

鹽石膏取自中國平煤神馬集團聯合鹽化有限公司，建筑石膏由應城市盛昌石膏制品有限公司生產，白度84～86，化學組成分別見表1和表2。

此外，玻璃纖維購自長沙立行建材科技有限公司，九水硅酸鈉來自天津博迪化工有限公司，三聚磷酸鈉來自武漢聯德化學品有限公司，九水硅酸鈉和三聚磷酸鈉均為分析純。

1.2 實驗方法

鹽石膏的基本配比為：鹽石膏50%、建筑石膏50%、三聚磷酸鈉0.12%。試件制備和性能測試參照《抹灰石膏》GB/T 28627—2012進行，采用QUANTA 450掃描電子顯微鏡分析石膏晶體形貌。表面或斷面經噴金處理。

2 結果與討論

2.1 玻璃纖維對鹽石膏的影響

2.1.1 玻璃纖維對鹽石膏性能的影響

玻璃纖維對鹽石膏水膏比、凝結時間及強度的影響，如圖1所示?？梢钥闯?，加入玻璃纖維后，鹽石膏的水膏比和凝結時間變化不大，水膏比基本在20%～22%之間，凝結時間在60～80 min之間。玻璃纖維增大了鹽石膏的強度，且隨纖維摻量的增加，它的抗折強度和抗壓強度呈現先升高后降低的趨勢，在纖維摻量為0.20%時，強度最大，此時，它的抗折強度和抗壓強度分別由原來的1.15 MPa和3.44 MPa增加到2.03 MPa和5.08 MPa，增幅分別達76.52%和47.67%。由此可知，玻璃纖維顯著改善了鹽石膏的強度，適宜的玻璃纖維摻量為0.20%。

2.1.2 玻璃纖維對鹽石膏微觀形貌的影響

研究表明，晶體的微觀結構決定著石膏的強度等性能，石膏硬化體內部是由大量相互搭接的晶體構成，石膏晶體間或其它相關能產生交叉搭接的晶體，對石膏的強度十分重要[9]。因此，研究了玻璃纖維對鹽石膏硬化體微觀形貌的影響，如圖2所示。未摻玻璃纖維時，鹽石膏硬化體晶體間搭接少且較為疏松，見圖2(a)。圖2(b)顯示了纖維的摻入雖未改變鹽石膏硬化體的微觀形貌，但卻創造了新的晶體搭接，玻璃纖維就像在石膏基體中植入了微細的“鋼筋”一樣，將不同的石膏晶體連接起來，增強了鹽石膏的連續性，增加了石膏內部晶體相互交叉搭接的程度，抑制了石膏裂縫的產生。圖2(c)給出了纖維摻加0.50%時，晶體中石膏與纖維的情況，纖維分布密集，方向一致，不能充分發揮摻加纖維的“微筋”作用，多余的纖維增大了應力的集中和石膏中的孔隙，減少了石膏晶體的有效含量，因此，玻璃纖維摻量不宜過高。

圖1 玻璃纖維對鹽石膏性能的影響Fig.1 Effect of glass fiber dosage on properties of salt-gypsum

圖2 摻玻璃纖維鹽石膏硬化體的微觀形貌Fig.2 Microstructure of hardened salt-gypsum with glass fiber

2.2 硅酸鈉對鹽石膏性能的影響

2.2.1 硅酸鈉對鹽石膏性能的影響

為揭示硅酸鈉對鹽石膏性能的影響，測定了摻加硅酸鈉鹽石膏的水膏比、凝結時間及其強度，結果見圖3。從圖3(a)可以看出，隨硅酸鈉摻量的增加，鹽石膏的水膏比略有增加，這是由于摻入硅酸鈉增大了溶液的濃度所致。圖3(b)顯示了摻入的硅酸鈉縮短了鹽石膏的凝結時間，且隨硅酸鈉摻量的增加，它的凝結時間不斷縮短，摻量超過1.5%后，它的凝結時間縮短幅度變小。圖3(c)給出了摻加硅酸鈉后，鹽石膏的強度，可以看出，鹽石膏的強度隨硅酸鈉摻量的增加呈現先升高后降低的趨勢，在硅酸鈉摻量達到1.5%時，它的強度增加幅度也變小，在硅酸鈉摻量為3%時，它的強度最高，抗折強度和抗壓強度分別由原來的1.15 MPa和3.44 MPa增加到2.39 MPa和5.80 MPa，增幅分別達107.83%和68.60%。由此可知，硅酸鈉的摻入顯著改善了鹽石膏的強度。

圖3 硅酸鈉對鹽石膏性能的影響Fig.3 Influence of sodium silicate on properties of salt-gypsum

2.2.2 硅酸鈉對鹽石膏微觀形貌的影響

用掃描電鏡觀察了鹽石膏硬化體的微觀形貌，如圖4所示。從圖4(a)可以看出，未摻加硅酸鈉時，鹽石膏硬化體主要為粗大的短柱狀或棱形狀晶體，它的長徑比較小，晶體之間的搭接也較為薄弱，結構疏松。摻加3%硅酸鈉后，它的結構發生了明顯的變化，多出一些長徑比較大的石膏晶體，增加了石膏晶體間的有效搭接，硅酸鈉也與石膏在表面形成一層致密的硅酸鈣，從而增大了鹽石膏的強度，見圖4(b)。當硅酸鈉的摻量更大(5%)時，多余的硅酸鈉無法與石膏結合，反而增加了漿體的濃度，需要更多的水分來包裹多余的硅酸鈉，鹽石膏水化硬化后，多余水分蒸發，又不利于鹽石膏強度的發展，從而宏觀上表現為鹽石膏強度的降低，見圖4(c)。

圖4 摻硅酸鈉鹽石膏硬化體的微觀形貌Fig.4 Microstructure of hardened salt-gypsum with sodium silicate

2.3 玻璃纖維與硅酸鈉復合對鹽石膏性能的影響

表3 摻玻璃纖維和硅酸鈉鹽石膏的性能Table 3 Properties of salt-gypsum with glass fiber and sodium silicate

3 結 論

(1)玻璃纖維對鹽石膏水膏比和凝結時間的影響很小，強度呈現先升高后降低的趨勢，在玻璃纖維摻量為0.20%時，纖維均勻分布在石膏內，它與石膏晶體間相互搭接，共同來承擔荷載，并能抑制裂縫的產生，從而改善了鹽石膏的強度。

(3)玻璃纖維和硅酸鈉復合可顯著改善鹽石膏的強度，硅酸鈉與石膏反應在石膏表面形成一層致密的硅酸鈣層，使其硬化體結構變得致密，玻璃纖維像微鋼筋一樣穿插于石膏晶體中間，與石膏共同承擔荷載，從而提高了鹽石膏的強度。