燕 可 翀

(太原理工大学环境科学与工程学院，山西 太原 030024)

脱硫石膏理化性质及其在水泥基建材中的应用

燕 可 翀

(太原理工大学环境科学与工程学院，山西 太原 030024)

在系统分析了工业脱硫石膏颗粒形貌、粒径分布、化学组分等理化性质的基础上，重点针对其应用于水泥基建筑材料的研究进展进行了归纳总结，以期为我国工业脱硫石膏的建材化利用提供一定的技术指导。

脱硫石膏，颗粒形貌，粒径分布，水泥基建材

0 引言

工业脱硫石膏是燃煤电厂燃烧含硫煤所生成的烟气在进行工业脱硫过程中所得到的一种副产物。截至目前，我国工业脱硫石膏的产生量已超过8 000万t。大量的工业脱硫石膏堆存且得不到有效处置，不仅造成了严重的环境污染和生态破坏，而且造成了一定程度上的资源浪费。工业脱硫石膏，亦属于石膏的一种，与天然石膏相类似，它们的主要化学成分相一致，均为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。但不同之处表现在工业脱硫石膏和天然石膏具有差异化的颗粒形貌、粒径分布和化学成分，特别是就工业脱硫石膏中杂质成分含量上明显高于天然石膏。正是由于这些差异的存在，导致了工业脱硫石膏与天然石膏在后续资源化利用过程中表现出不同的特性。大量研究结果表明，工业脱硫石膏可用于建筑、建材、化学化工及农业生产等众多领域，是一种重要的工业原材料。特别是就其用于水泥基建筑材料的应用已有广泛报道，是其处置利用的有效方式和适宜途径。本文系统分析了工业脱硫石膏颗粒形貌、粒径分布、化学组分等理化性质，重点针对其应用于水泥基建筑材料的国内外研究进展进行归纳总结，以期为我国工业脱硫石膏建材化利用提供一定的技术指导。

1 工业脱硫石膏的理化性质

1.1 颗粒形貌与粒径分布

不同电厂、不同工艺所产生的工业脱硫石膏在颗粒形貌、粒径分布等方面具有一定差异，这对其应用于水泥基建筑材料具有较大影响。郭大江等人[1]曾研究表明采用正常脱硫工艺所产生的工业脱硫石膏外观呈现灰黄色或灰白色,而当脱硫装置运行不稳定，特别是当有部分粉煤灰进入脱硫装置时,工业脱硫石膏则呈现深灰色或者黑色。就工业脱硫石膏的物理性状而言，通常其呈现胶粘状，主要是因为工业脱硫石膏中通常含有10%～15%的水分。

在工业脱硫石膏的微观形貌方面，汪潇等人[2]曾研究表明工业脱硫石膏的形貌多种多样，主要有圆饼状、球状、板状和不规则形状等。其中，板状颗粒以规则的长方体形貌存在，粉体粒径相对较大，一般可达50 μm以上；圆饼状粉体颗粒的直径约在30 μm～50 μm，厚度可达10 μm，粒径分布较为均匀；球状颗粒粒径分布较宽，大颗粒直径约20 μm，小颗粒直径约2 μm，且小颗粒含量较多；不规则颗粒状为10 μm～20 μm，多为玻璃态物质。工业脱硫石膏表观形象与微观形貌见图1。

煅烧工序是工业脱硫石膏应用过程中常见的处理工艺，因此有必要对工业脱硫石膏经煅烧后的粒度变化加以考察。吴蓉[3]曾对不同电厂工业脱硫石膏经特定温度煅烧前后的粒度进行测定，实验结果表明，未经煅烧的工业脱硫石膏粉体颗粒基本呈现正态分布，而经过煅烧后的工业脱硫石膏具有更小的粒径。对于脱硫石膏而言，粒径在20 μm～60 μm的颗粒含量约为65%，20 μm～80 μm的颗粒含量约为70%以上，粒径分布范围较窄。经过煅烧后，粒径20 μm以下颗粒含量高达70%，20 μm～60 μm的颗粒含量超过28%，20 μm～80 μm的颗粒含量约为30%。因此，可以采用煅烧的方式去获得粒径更小的工业脱硫石膏，以便其后续利用。

1.2 化学组分与矿物组分

工业脱硫石膏的化学成分以CaSO4·2H2O为主。不同电厂所生产的工业脱硫石膏常因燃烧工艺、脱硫工艺的不同而具有较大的差异。但总体上而言，工业脱硫石膏中都含有一定量的杂质成分，如氧化硅、氧化铁、氧化铝、氧化镁等。郭大江等人[1]分析对比了工业脱硫石膏和天然石膏的化学组分差异，结果详见表1。Koukouzas等人[4]也曾系统研究了工业脱硫石膏的化学组成和矿物组成，发现工业脱硫石膏的主要成分为二水硫酸钙晶相，化学组分中氧化钙和三氧化硫的含量分别为31.9%～32.5%和45.90%～46.40%。

表1 工业脱硫石膏和天然石膏的化学组分对比

2 工业脱硫石膏用于水泥基建筑材料

将工业脱硫石膏用在水泥基建筑材料中，其作用主要表现在两个方面：1)脱硫石膏作为烧制水泥熟料矿物的掺合料以及某些混合材料的激发剂。2)脱硫石膏以硫酸盐的形式使用，用于水泥水化产物Ca(OH)2和含铝相反应生产钙矾石，使其不断填充于硬化浆体骨架中，从而提高整体的密实程度，最终改善产品的力学性能。

施惠生等人[5]研究表明，将工业脱硫石膏掺入矿渣水泥中，不但可以改善水泥产品的力学特性，而且还能达到改善水泥机械强度和调节水泥凝结时间的效果。与添加化学纯石膏所得产品相对比，工业脱硫石膏的添加对矿渣制水泥产品的缓凝效果更显著，在添加同等硫含量的工业脱硫石膏时，水泥产品的凝结时间可延长约20 min。

王昕等人[6]将不同电铲所产的工业脱硫石膏用作缓凝剂，同时对其制得水泥产品的物理性能影响进行研究比较，同时探讨了工业脱硫石膏的组分对所制得水泥产品特性的影响。实验结果显示，与添加化学纯石膏相比较，采用工业脱硫石膏对水泥早、后期的机械强度均有一定程度改善，但在水泥凝结时间方面却有所差异。此外，研究还表明，采用亚硫酸钙含量及钙硫比低的工业脱硫石膏作为水泥添加剂，其水泥制品的物理性能均接近或部分优于掺天然石膏所得产品。

张翔等人[7]将不同添加量的硅酸盐水泥和粉煤灰掺入工业脱硫石膏中，形成硅酸盐水泥—粉煤灰—脱硫石膏复合材料，并研究了其力学性能和耐水性能。结果表明：当分别添加16%和8%的硅酸盐水泥和粉煤灰时，复合材料的7 d的抗折强度约为5.85 MPa、抗压强度约为21.33 MPa，吸水率下降达18.19%。康明等人[8]研究了矿粉、高钙灰及工业脱硫石膏对水泥收缩性能方面的影响。实验结果显示，在水泥—矿物复合材料体系中,自收缩随着复合材料的水化活性增加而增加。孙家瑛等人[9]研究了工业脱硫石膏无熟料钢渣水泥混凝土复合材料的力学强度和耐久性，并对其与同配比条件下所获得的普通硅酸盐水泥混凝土进行对比，从而提出了工业脱硫石膏无熟料钢渣水泥混凝土复合材料的适用领域。

3 我国工业脱硫石膏建材化利用存在的问题

当前，我国在应用工业脱硫石膏制备建筑材料方面仍然存在较大的缺陷，主要体现在：1)不同燃煤电厂所产生的工业脱硫石膏物化性能存在一定程度上的差异，尚缺乏系统的比较和分析；2)大量的工业脱硫石膏掺入可能会导致水泥基建筑产品发生膨胀开裂，这也就需要我们进一步探索脱硫石膏复合材料体系与水泥基建筑产品膨胀开裂之间的关系，找出影响试样膨胀的关键因素，并对其加以控制；3)在实际应用过程中，如果不断增加工业脱硫石膏掺量，相应的降低水泥掺量，会导致水化产物中的钙矾石和胶凝成分含量相应地减少，从而致使硬化浆体密实程度下降。密实度的下降会使得空气中的CO2气体更容易渗透进入胶凝材料体系内部，与水化产物Ca(OH)2生产CaCO3，从而加速碳化，影响建材产品的耐久性[10]。

4 结语

利用工业脱硫石膏作为水泥基建筑材料的原料，从成本上能为企业创造更大的利润。但因其本身的物理特性和化学特性对建材生产可能造成一定的影响。特别是不同电厂、不同燃烧和脱硫工艺对所产生工业脱硫石膏的理化性质具有较大影响。如若水泥基建筑材料生产过程中采用工业脱硫石膏作为原料，还需结合电厂的实际情况，通过系统的实验来确定工业脱硫石膏的最佳掺量以及生产条件，在此基础上才有可能获得理想的技术经济指标。

[1] 郭大江,袁运法,胡浩然,等.脱硫石膏性能研究及其在普通硅酸盐水泥中的应用[J].硅酸盐通报,2010,29(2):357-360.

[2] 汪 潇,杨留栓,朱新峰,等.湿法脱硫石膏颗粒特性与杂志赋存状况分析[J].环境科学与技术,2013，9(36):135-138.

[3] 吴 蓉.脱硫石膏在水泥基材料中的应用[A].亚洲粉煤灰及脱硫石膏综合利用技术国际交流大会[C].2015:234-238.

[4] Koukouzas N,Vasilstos C. Mineralogical and chemical properties of FGD gypsum from Florina, Greece [J]. J Chem Techn Biotechn, 2008,83(1): 20-26.

[5] 施惠生,刘红岩.脱硫石膏在矿渣水泥中的资源化利用[J].同济大学学报(自然科学版),2008，36(1):66-70.

[6] 王 昕,颜碧兰,刘 晨,等.脱脱硫石膏对水泥性能的影响及其品质差异分析[J].水泥,2010(10):1-8.

[7] 张 翔,何延树,何 娟.硅酸盐水泥—粉煤灰—脱硫石膏复合材料的性能研究[J].硅酸盐通报,2014，33(4):796-799.

[8] 康 明,朱洪波,王培铭.矿粉、高钙灰及脱硫石膏对水泥收缩性能的影响[J].建筑材料学报,2008，11(2):190-194.

[9] 孙家瑛,谢京来.脱硫石膏无熟料钢渣水泥混凝土物理力学性能研究[J].混凝土,2008(310):9-14.

[10] 伍勇华,姚源,南 峰,等.脱硫石膏—粉煤灰—水泥胶凝体系强度及耐久性能研究[J].硅酸盐通报,2014,33(2):315-320.

The physical and chemical properties of desulfurization gypsum and its application in cement based building materials

Yan Kechong

(EnvironmentalScienceandEngineeringSchool,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China)

Based on system analysis on the particle morphology, particle size distribution, chemical compositions and other physical and chemical properties of industrial desulfurization gypsum, this paper summarized the research progress applied it in cement based building materials, in order to provide some technical guidance for building materials application of industrial desulfurization gypsum in China.

desulfurization gypsum, particle morphology, particle size distribution, cement based building material

1009-6825(2017)20-0121-02

2017-04-28

燕可翀(1982- )，女，讲师

TU525

A