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RFC流化床焙燒熟石膏粉的性能研究

2021-02-23 17:45:48陶有生
新型建筑材料 2021年1期
關(guān)鍵詞:硬石膏石膏粉流化床

陶有生

生產(chǎn)不同性能和用途的石膏制品需要不同性能的熟石膏粉。熟石膏粉的性能除了與石膏原料的品種、組成、品質(zhì)有關(guān)外,還取決于焙燒工藝和技術(shù)。本文對(duì)RFC流化床焙燒熟石膏粉的物相組成進(jìn)行分析,并介紹了RFC流化床焙燒熟石膏粉的性能、應(yīng)用范圍以及RFC流化床的焙燒機(jī)理。

1 RFC流化床焙燒的熟石膏粉物相分析

石膏制品的性能是由熟石膏中不同類型及性質(zhì)的脫水相遇水水化生成的不同性能二水硫酸鈣而形成的。由脫水相的種類、性質(zhì),以及各相在熟石膏粉中所占比例而決定的。

1.1 石膏及其脫水相

從熱力學(xué)角度認(rèn)為,石膏及其脫水產(chǎn)物都是CaSO4-H2O系統(tǒng)中的一個(gè)相。到目前為止比較公認(rèn)的有5個(gè)相、7個(gè)變體:二水石膏DH(CaSO4·2H2O),半水石膏HH(α-CaSO4·1/2H2O、β-CaSO4·1/2H2O),過(guò)燒無(wú)水硬石膏AⅢ、AⅢ'(α-CaSO4、β-Ca-SO4),僵燒硬石膏AⅡ(CaSO4),硬石膏AⅠ(CaSO4)。

在常溫常壓下,能夠獨(dú)立存在的相只有4個(gè):二水石膏、半水石膏、硬石膏AⅢ和硬石膏AⅡ。二水石膏在不同條件下加熱脫水,形成不同的脫水相。

據(jù)澳大利亞RBS速成建筑系統(tǒng)有限公司Franc Omahen介紹,熟石膏中不同程度的含有DH、HH、AⅢ、AⅢ'、AⅡ、AⅡn、AⅡm、AⅡs組分,其中HH占比最大,為主要成分。

每種脫水相由于形成條件不同、脫水轉(zhuǎn)變方式不同,具有不同的結(jié)構(gòu)與相產(chǎn)物性能。熟石膏中脫水相種類以及各相所占比例不同,使熟石膏粉的性能各不相同。

1.2 脫水相性能及其水化、硬化

1.2.1 半水石膏

二水石膏轉(zhuǎn)變成半水石膏后,其結(jié)構(gòu)發(fā)生2個(gè)變化:一是2個(gè)離子層之間的水分子丟失3/4的水;二是Ca2+與SO42-離子彼此錯(cuò)動(dòng)了位置,形成鈣、硫交錯(cuò)層。半水石膏中形成直徑為0.3 nm的水溝成為水分子通道,使半水石膏極易水化。

半水石膏有α 型和β 型2種:α 型半水石膏由致密、粗大、完整的晶體組成,晶體形態(tài)多呈棒狀、柱狀、粒狀及針狀、纖維狀;β 型半水石膏由疏松、細(xì)小、不規(guī)則的晶粒組成。晶粒形態(tài)多呈鱗片狀、少量薄板狀。α 與β 半水石膏的晶體形態(tài)、分散度和內(nèi)表面積的不同導(dǎo)致兩者性能的差異。

1.2.2 過(guò)燒無(wú)水硬石膏

過(guò)燒無(wú)水硬石膏分α 和β 兩種形態(tài)(AⅢ、AⅢ'),由α 和β 半水石膏脫水而形成,其晶格與半水石膏相似。它與半水石膏的差別在層間的半水分子被脫出。結(jié)構(gòu)從三方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄怠?/p>

過(guò)燒無(wú)水硬石膏結(jié)構(gòu)疏松,內(nèi)表面積大。初始水化速度極快,但AⅢ+H2O→HH,HH+H2O→DH,使AⅢ總水化時(shí)間延長(zhǎng),強(qiáng)度發(fā)展慢、早期強(qiáng)度低,造成熟石膏粉性能不穩(wěn)定,因此須經(jīng)陳化,使其轉(zhuǎn)變成半水石膏后性能才能趨于穩(wěn)定。

過(guò)燒無(wú)水硬石膏的α 與β 形態(tài)在特性上也有一定差別,這和α、β 半水石膏的結(jié)晶形態(tài)以及比表面積不同有關(guān)。

AⅢ'可以回到CaSO4·1/2H2O狀態(tài),有催化作用,可使CaSO4·1/2H2O更加活躍、強(qiáng)度提高。

1.2.3 僵燒無(wú)水硬石膏

僵燒無(wú)水硬石膏AⅡ是在40~1180 ℃唯一穩(wěn)定的相。其結(jié)晶結(jié)構(gòu)與天然硬石膏相同。在工業(yè)生產(chǎn)中,隨著焙燒溫度的不同,可產(chǎn)生與水反應(yīng)能力不同的僵燒無(wú)水硬石膏,有AⅡ、AⅡn、AⅡm、AⅡs,當(dāng)焙燒溫度超過(guò)600 ℃,而且時(shí)間較長(zhǎng),就會(huì)生成AⅡs、AⅡm相。僵燒無(wú)水硬石膏的晶體結(jié)構(gòu)較其它種類的石膏牢固,具有較高的熱穩(wěn)定性,活性很低,溶解速度較慢,水化硬化能力較差,強(qiáng)度極低。

1.2.4 脫水相的水化硬化

脫水相的水化活性順序?yàn)椋篈Ⅲ>HH>AⅡ;凝結(jié)速度順序?yàn)椋篐H>AⅢ>AⅡ;早期強(qiáng)度順序?yàn)椋篐H>AⅢ>AⅡ

1.3 不同焙燒工藝及裝備焙燒的熟石膏相組成(見(jiàn)表1)

表1 不同焙燒工藝及裝備焙燒的熟石膏相組成%

從表1看出:

(1)焙燒工藝和裝備不同所生產(chǎn)的熟石膏中脫水相的種類和各脫水相所占比例不同,差別很大。

(2)除RFC流化床焙燒的熟石膏是單一的β 相以外,其他焙燒爐所焙燒的熟石膏都是混合相。

(3)RFC流化床焙燒的熟石膏中HH含量高,是所有現(xiàn)有焙燒工藝中最高的,而其他脫水相含量極低。

世界各國(guó)生產(chǎn)使用的熟石膏有單相的,也有混合相的。歐洲普遍使用混合相熟石膏;美國(guó)多使用單一相熟石膏;德國(guó)既使用混合相熟石膏也使用單一相熟石膏;我國(guó)主要使用混合相熟石膏,以α 相為主的單一相熟石膏也有使用。但這些混合相熟石膏的物理力學(xué)性能和使用效果均不及RFC流化床焙燒的熟石膏。影響這些混合相熟石膏性能的是其中存在的AⅢ、AⅡ和殘留的DH,它們使熟石膏性能不穩(wěn)定。

澳大利亞RBS速成建筑系統(tǒng)有限公司Franc Omahen的研究認(rèn)為:AⅡs脫水相最有害,它遇水溶解不凝結(jié)。在常溫下使它轉(zhuǎn)變成CaSO4·2H2O時(shí)間很長(zhǎng),在潮濕條件下,時(shí)間長(zhǎng)會(huì)吸水膨脹,產(chǎn)品在夏季易發(fā)生崩裂和墻面裂縫。

一般來(lái)說(shuō),所有焙燒爐(裝置)所焙燒的熟石膏中均含有不同數(shù)量的AⅡ相。在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中,有時(shí)會(huì)達(dá)到6%~7%,對(duì)于直燃回轉(zhuǎn)窯可能達(dá)到5%~20%,因?yàn)橹比蓟剞D(zhuǎn)窯的燃燒溫度經(jīng)常超過(guò)600 ℃。單一相的熟石膏中有時(shí)也存在。RFC流化床焙燒的熟石膏中AⅡ相極少,幾乎為0。

為了消除這些脫水相對(duì)石膏制品生產(chǎn)和使用性能造成不利影響。在熟石膏的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,通常在焙燒工序后面增設(shè)陳化工序,使AⅢ、DH相在一定條件下迅速轉(zhuǎn)變成HH相,比表面積下降,初始水化速度減慢,凝結(jié)時(shí)間趨于正常,強(qiáng)度得到提高,但陳化不能克服AⅡ帶來(lái)的不利影響。

2 RFC流化床焙燒熟石膏粉的性能

RFC流化床焙燒的熟石膏粉的物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 RFC流化床焙燒的熟石膏粉的物理力學(xué)性能

目前,實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的石膏焙燒工藝及設(shè)備有各種炒鍋、回轉(zhuǎn)窯、沸騰爐、彼特磨、立磨、快速氣流爐等。不同焙燒工藝焙燒的熟石膏粉物理力學(xué)性能見(jiàn)表3。

表3 不同焙燒工藝焙燒的熟石膏粉物理力學(xué)性能

從表2、表3可以看出:

(1)RFC流化床焙燒的熟石膏粉初凝、終凝時(shí)間都比其它工藝焙燒的熟石膏粉長(zhǎng)。這表明在使用時(shí)可少加或不加緩凝劑。

(2)RFC流化床焙燒的熟石膏粉抗壓強(qiáng)度比其它工藝焙燒的提高50%甚至1倍。因此,欲獲得相同強(qiáng)度的制品,其用量可減少。

(3)石膏焙燒爐型(焙燒工藝)對(duì)所生產(chǎn)的熟石膏粉性能影響極大。

3 RFC流化床焙燒的熟石膏粉的應(yīng)用

RFC流化床焙燒的熟石膏粉可用于以下領(lǐng)域:配制粉刷石膏;生產(chǎn)紙面石膏板;生產(chǎn)石膏空心隔墻板;生產(chǎn)RBS石膏空心大板;生產(chǎn)石膏砌塊;生產(chǎn)石膏裝飾件;制作衛(wèi)生陶瓷模具;制作自流平地坪;用于礦井噴錨、支護(hù)等。

3.1 RFC流化床焙燒的熟石膏粉生產(chǎn)紙面石膏板

采用RFC流化床焙燒的熟石膏粉生產(chǎn)紙面石膏板具有以下優(yōu)點(diǎn):熟石膏粉的抗壓強(qiáng)度高,可節(jié)省30%的β 熟石膏粉;標(biāo)準(zhǔn)稠度減小(水灰比?。晒?jié)省30%的烘干能耗;可摻加30%的粉煤灰;可降低石膏板30%的面密度,使9.5 mm的紙面石膏板的面密度降低至6 kg/m2以下,從而可降低30%的運(yùn)輸費(fèi)用;可提高產(chǎn)能30%。采用RFC流化床焙燒的熟石膏粉生產(chǎn)紙面石膏板可降低生產(chǎn)成本,提高收益率。

3.2 RFC流化床焙燒的熟石膏粉配制粉刷石膏

在配制粉刷石膏時(shí)可以添加不少于70%的粉煤灰,其具體摻量視粉煤灰品質(zhì)通過(guò)試驗(yàn)而定。用30%的流化床焙燒熟石膏摻加50%粉煤灰和20%的砂配制的粉刷石膏完全可以滿足我國(guó)市場(chǎng)需求。

采用澳大利亞天然石膏在RFC流化床中焙燒的熟石膏粉摻加不同摻量大同發(fā)電廠低品質(zhì)粉煤灰,抗壓強(qiáng)度如表4所示。

表4 粉煤灰摻量對(duì)粉刷石膏抗壓強(qiáng)度的影響

從表4可以看出:

(1)在RFC流化床焙燒的熟石膏粉中摻加不同比例的低品質(zhì)粉煤灰,其抗壓強(qiáng)度均達(dá)到德國(guó)可耐福粉刷石膏產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。摻加30%粉煤灰時(shí)絕干抗壓強(qiáng)度為15.90 MPa,如果摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰其強(qiáng)度會(huì)更高,可高于德國(guó)粉刷石膏產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)在RFC流化床焙燒的熟石膏粉中摻加70%粉煤灰時(shí),其絕干抗折強(qiáng)度可滿足德國(guó)可耐福P114產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求和德國(guó)粉刷石膏標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)在粉刷石膏中加入甲基纖維素可提高其抗折強(qiáng)度。

3.3 RFC流化床焙燒的熟石膏粉鋪筑自流平地坪

地坪用材料需要有15 MPa以上的抗壓強(qiáng)度,用其它焙燒設(shè)備生產(chǎn)的β 石膏抗壓強(qiáng)度一般達(dá)不到15 MPa,常常采用混合相,如采用β+α 或添加更多外加劑。如果用無(wú)水石膏或α石膏雖可達(dá)到要求,但無(wú)水石膏的凝結(jié)時(shí)間比水泥還長(zhǎng),而α石膏的價(jià)格太高。

RFC流化床焙燒的熟石膏粉完全可以滿足自流平地坪的要求,用澳大利亞天然石膏經(jīng)流化床焙燒后配制的自流平地坪石膏粉,凝結(jié)時(shí)間1 h,經(jīng)1 d后的抗壓強(qiáng)度達(dá)25 MPa,干燥后達(dá)30 MPa,2~3 d就達(dá)到德國(guó)可耐福標(biāo)準(zhǔn)的28 d抗壓強(qiáng)度要求。

3.4 RFC流化床焙燒的熟石膏粉制作衛(wèi)生陶瓷模具

制作衛(wèi)生陶瓷模具用石膏不僅要求強(qiáng)度高,還要求有適合的標(biāo)準(zhǔn)稠度、吸水率以及使用次數(shù)和使用多次以后的吸水率、吸水速度。

RFC流化床焙燒的熟石膏粉密度適中、吸水速度適宜、漲縮性好。在陶瓷模具中所表現(xiàn)的性能優(yōu)于α 石膏或α+β 石膏。不僅均勻性好,更能滿足座便器中座圈兒對(duì)均勻度的要求。用RFC流化床焙燒的熟石膏粉生產(chǎn)70件陶瓷以后,模具還很新。

3.5 RFC流化床焙燒的熟石膏粉制作RBS速成墻板

RBS速成墻板是澳大利亞RBS速成建筑系統(tǒng)有限公司基于RFC流化床焙燒的熟石膏粉而研發(fā)的一種新型多孔空心建筑墻板,尺寸為12 000 mm×3000 mm×200 mm。使用時(shí),根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙從大板上切鋸出所需規(guī)格、尺寸的墻體構(gòu)件,再運(yùn)至施工工地,現(xiàn)場(chǎng)組裝成裝配式建筑。

4 RFC流化床焙燒的熟石膏機(jī)理分析

石膏晶包(CeLL)形狀呈六面體,前面介紹的5個(gè)獨(dú)立的石膏相,其晶體結(jié)構(gòu)各具特色。它們決定著各個(gè)相的特性,如密度、溶解度、光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)和力學(xué)性能。

RFC流化床焙燒的熟石膏物理力學(xué)及使用性能優(yōu)于其它爐型焙燒的,這是因?yàn)椋?/p>

(1)石膏結(jié)晶成六面體。目前現(xiàn)行的焙燒工藝及裝備所焙燒的熟石膏的結(jié)晶晶體的角度與焙燒前一樣,沒(méi)有發(fā)生變化。

(2)物理學(xué)上,結(jié)晶體的潛能不同,經(jīng)RFC流化床焙燒的熟石膏晶體的角度發(fā)生改變,改變了角度的晶體貯了更多的潛能。

(3)CaSO4·1/2H2O+H2O→CaSO4·2H2O是放熱反應(yīng),反應(yīng)放熱量越多,溫度就越高,活性越高,強(qiáng)度也越高。其它性能與此成正比。RFC流化床焙燒的熟石膏水化反應(yīng)溫度達(dá)38~50℃,而法國(guó)和泰國(guó)所生產(chǎn)的熟石膏反應(yīng)熱僅32 ℃。這亦表明了RFC流化床焙燒的熟石膏的物理力學(xué)和使用性能比其他爐型所焙燒的熟石膏優(yōu)越的原因。

(4)二水石膏在穩(wěn)定的(150±1)℃環(huán)境中,較長(zhǎng)時(shí)間流化懸浮焙燒,所獲得的脫水β 相組成單一、穩(wěn)定。晶體結(jié)構(gòu)均為排列一致、遇水反應(yīng)、分布非常均勻,瞬間放熱速度和釋放能量一致。

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