英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

石膏的水化和膨胀性能对使用水库沉积物制备的轻质砖的性能影响

梁汉溪 李杰红

摘要：本研究通过采用台湾水库的沉积物作为烧结试样的主要材料。在应用隔断墙轻质砖组分中添加一定量的石膏含量(10—30%)，以及改变其烧结温度、烧结时间和水分含量。利用数据对比分析了轻质砖的密度，收缩变化和力学性能。结果表明，石膏水化膨胀性能降低了材料的干燥收缩和整体烧结收缩。烧结出来的轻质砖密度低于对照组(烧结材料中没有石膏)和市场上的红砖。在实验过程中，利用一个合适的石膏含量(20%)烧结成轻质砖,将其用于压缩试验中，测试结果表明，该烧结砖可以应用于隔断墙轻质砖。为了减少浪费,降低成本，提高自然资源的利用率,利用石膏将水库沉积物烧结成轻质砖的想法及设计是可行的。

关键词：水库泥沙 石膏 烧结 轻质砖 隔墙

要点：分析水库沉积物的材料性能

生产轻质砖的过程提出了运用水库沉积物

控制石膏含量对密度和抗压强度的影响

烧结砖的参数分析和材料性能

添加石膏对烧结砖轻量化的影响

1 前言

为了促进再生材料的重复利用和减少资源浪费，台湾的绿色建筑材料标准中强调了绿色建筑材料的回收与再利用。在2005至2012年经批准的绿色建筑材料中,有34个循环绿色建筑材料(8%)、57高性能绿色建筑材料(13.4%)和329种健康和生态绿色建筑材料(78.6%)。很明显,回收建筑材料已经得到了人们的高度重视。此外,如果新型建筑材料具有良好的性能,可以克服传统建筑材料的性能缺陷,从而提高产品的优越性,满足高性能绿色建材的要求。根据斯皮尔曼对于良好材料的定义，这种科技和发展结合的建筑材料生产概念应考虑：（1）工业废弃物的二次利用和剩余产品的应用；（2）生产建筑材料的环境负荷和产品性能评估。这个概念符合台湾绿色建材的基本特征:设计的建筑材料的原料应该尽可能减少利用自然资源,以及产品的设计应以改善生产过程并且要实现可持续生产为前提。此外,产品应可回收利用,造成最少的环境污染和浪费。目前建筑行业产品的设计概念和技术要应对环境和生态的变化。在台湾的石门水库泥沙问题的严重性已经类似于加利福尼亚和日本。自从1963年5月台湾石门水库开始蓄水,台风、暴雨和其它自然和人为灾害已经使水库水存储体积减少了40%，严重影响了水库的存储功能和正常运行。

以轻骨料沉积物,燃烧粉煤灰、火山灰和淡水污泥等为原料的轻骨料烧结技术和相关研究开发已经得到逐渐改善，其材料性能和测试技术也已经被广泛应用。获得的标本粉末和水库沉积物能满足轻骨料的性能要求，实验表明,提供的标本粉末有着更好的可加工性和试样密实度,因为样品的孔隙大小分布是一致的,膨胀性是统一的。玻璃层的产生使标本形成很高的粘度,因此标本膨胀集中,质量相应的减轻。本文研究了水库沉积物,其中的主要成分是二氧化硅(64.55%),氧化铝的含量为16.06%和约19.39%的助熔剂，发现其可以烧结为轻骨料。有人烧结粘土和水库沉积物的混合物,并改变烧结温度，研究结果表明,烧结体最大密实度远低于标准，抗压强度最大时的烧结温度为1100℃。有人额外向其中添加了稻壳灰粘土和沙土，研究的结果表明,稻壳灰的加入没有影响砖的质量,增加越多的稻壳灰砖的抗压强度越强。研究表明,废物的烧结过程产生了CaSO₄大粒子，大小可以填补了空缺,有利于烧结颗粒的叠加，换句话说,产品成分中的一部分石膏粉粒在950 - 1050 ℃时分解，石膏成分在材料的形成过程中引起膨胀。把硅藻土、石灰和石膏一定比例混合来设计制备轻质砖，研究结果表明,不同的石膏含量改变了轻质砖的强度和密度。

此外，关于使用石膏的不燃砖建筑材料的一系列的调查已经再实施。近些年，有人研究利用生产硼酸时的生产废料（硼石膏)来生产轻质砖产品，粘土和硼石膏混合物制得的不燃砖有着更好的抗压强度并且能减少砖的体积密度。为了减少建筑垃圾和能源消耗，有人设计出在脱硫处得到脱硫石膏，与天然石膏相比，其纯度更高一点，用其制作的不燃砖有着更加良好的机械性能和热性能。

鉴于以上研究背景,本研究课题是将石膏的水化和膨胀属性应用于水库沉积物的烧结，并且分析用其烧成的建筑隔墙轻质砖性能。

2 实验材料和方法

本研究实验材料为淡水沉积物来自台湾石门水库内淡水沉积物，半水石膏(CaSO₄1/2H₂O),并改变了烧结温度、烧结时间和含水量,并且讨论了该方案制备的隔断墙轻质砖的基本力学性能。

2.1 样品制备和烧结过程

利用水库泥沙沉降槽的收集石门水库的沉积物泥沙，干泥沙在阳光下彻底地干燥,然后在100℃的烘箱中放置24小时让沉积物中的含水量降到最低。由于石膏的膨胀效果，并且吸收水后会变硬,beta;型半水石膏被用于这项研究。beta;型半水石膏的标准稠度混合水含量约为70%,终凝固化时间是25-35分钟,沉积物水化成型后的含水率为20%左右，因此,在这项研究烧结过程中的含水量是35-45%。研究的试样是由干水库沉积物和beta;半水石膏石膏按10%,20%和30%的重量比混合而成，将不同比例的水(35%,40%,和35%)慢慢加入干粉,通过机械搅拌混合,然后完全倒在模具，施加5MPa的压力，液压机使用的模具规格是长220毫米，宽110毫米，高55毫米。在模具上成型约24小时后移除模具,在烧结前在100℃电子炉上干燥48小时。烧结过程中先在30分钟内从室温到105℃来蒸发水分,然后以5度/分钟的速率逐渐增加到烧结温度，烧结温度变化范围是900—1100 ℃,烧结时间是分别是30分钟,1 h和2 h。

2.2 材料特性测定

基于统一的土壤分类系统台湾西门水库沉积物被列为细腻的沙子和粉质粘土，根据x射线衍射(XRD)分析水库沉积物，沉积物包含五种成分:石英、铁辉石、伊利石、斜绿泥石和正长石，根据上述论述,水库沉积物由二氧化硅、氧化铝和其他助溶剂组成。本研究使用电感耦合等离子体原子发射光谱法分析水库沉积物和石膏的化学成分，沉积物包含58.15%的二氧化硅,19.69%的氧化铝,7.47%的Fe₂O₃。石门水库沉积物成分和毒性浸出过程特性如表1所示，这研究显示了沉积物的不同的组成比例。正如所看到的，石门水库沉积物的组合物与由莱利提出的骨料膨胀面积相比，在SiO₂，Al₂O₃和通量（氧化钙，氧化镁，氧化铁，K₂O，Na₂O）的含量均在陶瓷材料与莱利的良好膨胀属性的混合比例范围之内。图2显示了水库沉积物的化学成分比例的研究,根据研究发现沉积物样本在高温下生成热塑性玻璃相,即沉积物在高温下融化具有相当大的粘度。

2.3 实验方法

性能分析是针对烧结试样的基本力学性能,包括体积收缩(干燥收缩和烧结收缩),体积密度、吸水率、抗压强度、抗弯强度和显微结构的分析。更好的轻质砖被选为开展基于基本和力学性能分析砖棱镜压缩试验。各烧结材料相同的五个样品用于基本和机械性能测试。烧结试样的堆积密度和吸水率通过阿基米德法根据ASTM C20测定，试样的机械性能如抗压和弯曲强度测定根据ASTM C67(2009)，使用中国国家标准2887（CNS2887）测定分析各烧结材料的干燥收缩和整体收缩特性，用于制造砖块为收缩率测试，使用的模具具体尺寸为（115 25 25），烧结试样前，试验片从模具中取出并在室温下干燥24小时后，然后放置在一个100℃的干烤箱内24小时，所得试样大小然后与试样的原始尺寸相比较，得到的收缩的量计算干燥收缩率。烧结过程后，将试验片在室温下放置24小时，然后测量与原始试样的大小进行比较，以获得所产生的烧结收缩量。通过比较干燥收缩和整体收缩的数据，我们可以清楚地了解在烧结过程中产生的性能及体积变化。使用下面公式确定测试期间的样品体积收缩率的变化：

S_d=(L一L_d)/L_d x 100

其中S_d是线性干燥收缩率;L是标本的初长度;L_d是干标本的长度。

S_f=(L一L_f)/L_f X 100

其中其中S_f是线性的整体收缩; L是样品的初始长度; L_f是烧结体的长度。此外，使用ASTM C1314（2014）进行了检查的砖棱镜的压缩试验。这些测试的结果被用来评估轻质隔壁的应用特性。本研究采用了田口方法设计实验，并使用了正交的样品分为9个组。各种附加的材料性能参数在表2中显示出来。通过控制不同的影响因素和实验条件找到最好的品质所对应的条件和配比，并与对照组相比较来寻找最好的材料种类，烧结制度及原料所占比例等。过程中参数之间的相互作用在本研究中被忽略。

3 结果与讨论

3.1 水库沉积物和石膏的属性分析

水库沉积物和石膏的粒径用激光衍射粒度分析仪进行了分析。结果示于图3中。如图所示，沉积物样品的粒径为0.3至10微米之间，平均约2.5微米。石膏的颗粒大小为0.2至20微米，平均为4微米，很明显，石膏具有粗颗粒。图4示出沉积物和石膏的差热分析（DTA）和热重分析（TG）。正如所看到的，沉积物的DTA曲线在大约102℃时，因为沉积物表面上吸收的水被除去一个明显的吸热峰。TG曲线显示了最大TG损失比率在这个阶段，这种现象表明在烧结过程中样品应预热至该温度以避免烧结材料的开裂。当温度升高到650℃，TG曲线显示体重减轻，这是由于在此过程中淤泥土壤层间水被加热并且逐渐去除。根据DTA曲线该阶段有一个明显的吸热反应。石膏的差热分析TG和DTA曲线在550 C有相似变化情况，当石膏被加热到950℃，曲线具有明显的吸热现象，此吸热反被认为是从硫酸钙的分解所导致，为烧结砖的轻量化效果提供了合理的解释。

3.2 实验参数分析

实验参数分析讨论了烧结砖的基本性能和机械性能,包括抗压强度、抗弯强度、吸水率、体积密度和收缩性能等。标本的制备和测试程序如2.1和2.3中所描述，实验平均值如表3所示，通过分析数据分析各种因素对反应的影响来确定最优的原料比例。根据图5（a），可以看出石膏含量的增加压缩和弯曲强度会降低。中等的水含量，高的烧结温度（1100℃），适当的烧结时间（2小时）对增强烧结材料的强度有利的。从图5(b),可以看出轻质性能更好和整体收缩较低时石膏含量高，随着烧结温度升高和烧结时间延长整体收缩会增加，具有较高的石膏含量的吸水性增加，烧结温度降低同时烧结时间增加，随着石膏含量的增加所能承受的最大负载减小。在吸收过程中，将beta;型半水石膏的硬化会固定沉积物体的形状，并由此降低了试样的收缩率，同时,由于硫酸钙经过热解,从而增加孔隙度,样品吸收水的能力也增加,从而降低了密度和抗压强度。此外，加入过量的石膏可能会导致沉积物的组合物不能满足莱利膨胀面积因素，从而影响材料的烧结性能。就实验参数而言，试样的水含量极大影响着力学性能的测试结果，含水量水平影响试样的塑性体的形成，充足水分含量允许的beta;半水石膏产生双水合石膏的水化和硬化成型，在过量的水情况下，由于在加热过程中水的损失，所以形成的砖有着较低的密度和较差的机械性能。在烧结温度更高，烧结时间越长的情况下，在玻璃化方面有着更大的效果，然后得到的材料孔隙率被降低，同样的现象也可以通过增加收缩率或降低吸水率得到。实现最大抗压强度是A1B2C3D3参数组合，最小的堆积密度，总收缩率和吸水率的最佳组合分别是A3B3C1D1，A2B3C1D1和A1B3C3D3。根据S / N对比分析表明，抗压强度，密度，吸水率以及整体收缩的最佳材料比例组合是不同的。但是，考虑到总体性能，当石膏含量为10％，抗压强度和吸水性的实验结果是最好的，但总的收缩率差。因此，为了样品的强度保持满足一定的需求，适当的石膏含量为10％左右。当水含量是在40％时候抗压强度较好，而在45％时抗压强度明显下降。这项研究的目的是开发材料可以用作隔离墙材料和轻质隔室，所以试验样品的密度低是优选首要条件。然而,应该考虑强度满足要求,所以烧结时间应该短,以便满足节能和碳减排的要求，因此,在这项研究中材料密度要小于0.88g/cm³,所以选择烧结温度为1000℃，以此为前提设计后面实验。结果将在稍后讨论。

图6（a）和（b）为实验S2和S3组合用10％的石膏通过改变水含量，烧结温度和烧结时间的扫描电子显微镜（SEM）。正如所看到的，烧结后形成样品内有很多细孔，这些细孔是影响样品的机械强度的主导因素。根据文献,粘土的砖耐火性很低,和玻璃化现象发生在约1100 C,因此强度和硬度增加。S3的SEM显微照片显示了与在较低的烧结温度S2相比具有良好的致密性。

图6（c）和（d）为S6和MS6用20％的石膏（烧结温度提高到1000℃）

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[152396]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word