建筑石膏相關(guān)外加劑研究及經(jīng)濟效益分析

姚毅惠,趙志曼,劉育成,張文佳,郜　峰

(昆明理工大學　建筑工程學院,云南　昆明　650500)

建筑石膏相關(guān)外加劑研究及經(jīng)濟效益分析

姚毅惠,趙志曼,劉育成,張文佳,郜峰

(昆明理工大學建筑工程學院,云南昆明650500)

[摘要]適宜的外加劑能大大地改善各類石膏的性能,本文主要概括了脫硫石膏、磷石膏、天然石膏及其他石膏類型的外加劑的研究現(xiàn)狀,并具體分析了其經(jīng)濟效益。

[關(guān)鍵詞]外加劑；各類石膏；經(jīng)濟效益

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.04.133

石膏有著多種用途,將其用作建筑材料也有一些歷史了,但一直都用的是性質(zhì)穩(wěn)定的天然石膏。隨著我國工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展,產(chǎn)生了越來越多的工業(yè)副產(chǎn)物,如生產(chǎn)磷化肥的副產(chǎn)物之一磷石膏、對含硫材料燃燒后處理的副產(chǎn)物之一脫硫石膏等。近年來,我國一直在強調(diào)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展模式,這些副產(chǎn)石膏產(chǎn)量大、污染重,將其作為建筑材料來使用,正符合循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展之道。但是,這些副產(chǎn)石膏與天然石膏性質(zhì)不同,它們都含有較多有機雜質(zhì),性質(zhì)不穩(wěn)定,并且力學性能較差。而適合的外加劑則能改善各種副產(chǎn)石膏的性能。本文基于相關(guān)文獻,總結(jié)概括了相關(guān)石膏外加劑的研究現(xiàn)狀,并對其經(jīng)濟效益進行了分析。

1主要建筑石膏

1.1脫硫石膏

脫硫石膏是對對含硫材料燃燒后產(chǎn)生的煙氣進行脫硫凈化處理后得到的一種工業(yè)副產(chǎn)石膏。脫硫石膏目前在建筑方面有多種用途,如脫硫建筑石膏砌塊、脫硫石膏粉刷抹面、脫硫石膏基材料等。

在提高脫硫石膏性能的時候,可以通過添加復合外加劑的方式。廖琳[1]等人將含量為1.74%的包含緩凝組分、保水組分、減水組分的自配添加劑,同時添加含有氧化硅、氧化鋁、氧化鈣等成分的無機材料,配制成PW-G型脫硫石膏專用外加劑,使其水化產(chǎn)物晶體緊密,形狀良好,晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榉浅Ｒ?guī)則的幾何形狀。因此使其強度、保水性等性能得到了提升。劉民榮[2]等人將自配的聚乙烯醇乳液與檸檬酸、三聚氰胺化學試劑通過正交試驗后得出復合外加劑的最佳配比為檸檬酸摻量為0.06%,三聚氰胺摻量為1.0%,聚乙烯醇乳液摻量為5.0%。同時講述了檸檬酸通過與溶液中的Ca+離子生成檸檬酸鈣不容沉淀物,來延緩晶體生長的緩凝機理；作為陰離子表面活性劑的三聚氰胺在脫硫石膏顆粒表面產(chǎn)生吸附,使固體顆粒在液相中的分散性能和硬化體的孔結(jié)構(gòu)得到改善的提高強度和防水性能機理；作為有機高分子物質(zhì)的聚乙烯醇乳在脫硫石膏制品中能形成具有阻水作用的不規(guī)則網(wǎng)膜,填充石膏晶體間的孔隙之中,降低孔隙率,從而提高其強度和防水性能機理。脫硫石膏砌塊是目前應用較多的一種建筑制品,砌塊的最主要功能是承重,則如何提高脫硫石膏砌塊的強度就是重點。

當添加明礬、Na2SO4或Na2CO3為0.5%時,可使砌塊的抗壓強度得到明顯的提升,其機理在于鹽類外加劑可以在脫硫石膏顆粒表面不斷生成二水石膏,二水石膏又不斷的結(jié)晶,并填充砌塊中的孔隙,使其孔隙率降低,進而提升砌塊的強度[3]。通過微觀分析,可以看到,脫硫粉刷石膏初期主水化反應比較緩慢,其主體為短柱狀的二水石膏,并摻雜著少量的絮狀沸石、纖維狀及網(wǎng)絡(luò)狀水化硅酸鈣及片狀的Ca(OH)2,同時還存在著少量的針狀的Aft。當摻加相應的礦物原料及外加劑時,脫硫粉刷石膏的水化反應加劇,晶體形狀及結(jié)構(gòu)變得緊密,由短柱狀變?yōu)閳A柱狀,使得其能成功制成脫硫粉刷石膏[4]。趙煥起[5-6]等人在研究脫硫石膏抹面材料的外加劑時發(fā)現(xiàn),在綜合了緩凝效果及力學性能后,在硼砂、六偏磷酸鈉和檸檬酸這三種緩凝劑中,綜合性能最好的是摻量為0.18%的六偏磷酸鈉。在摻加主要由有機硅防水劑和有機乳液等按照一定比例復合配制而成的復合防水劑0.32%后,脫硫石膏主要水化產(chǎn)物為較細的棒狀長方體和針狀體的二水石膏,并且使脫硫石膏晶體之間的間隙變小,同時防水劑微?？捎行畛涿摿蚴嗑w的孔隙,使脫硫石膏力學強度得到提高,吸水率下降,使?jié)M足脫硫石膏抹面材料對防水性能的要求。

在通過對Retardan、檸檬酸、檸檬酸鈉和六偏磷酸鈉這四種緩凝劑對脫硫石膏的緩凝機理進行研究之后,并進行一系列的實驗驗證后,曹青[7]等人發(fā)現(xiàn)在緩凝效果方面,Retardan>檸檬酸>檸檬酸鈉>偏磷酸鈉,再結(jié)合添加緩凝劑后試塊的強度,確定Retardan為最佳緩凝劑。位建強[8]等人在進行脫硫石膏-粉煤灰-礦粉復合膠結(jié)材改性研究時發(fā)現(xiàn),0.8%的陰離子型FDN萘系減水劑的減水效果最明顯,同時,乳膠粉使脫硫石膏的泌水和泛霜現(xiàn)象得到了明顯改善,而作為早強劑的硅酸鈉不僅能提高脫硫石膏的強度,而且也能使其泛霜現(xiàn)象得到改善。粉刷石膏也是脫硫石膏的一種重要的用途,通過添加緩凝劑可以使其的凝結(jié)時間延長,便于施工,并且有機酸類緩凝效果比蛋白類緩凝劑效果強；添加保水劑能有效地避免料漿中的水分過多地轉(zhuǎn)移到基層墻體上,從而造成縫、空鼓、剝落等質(zhì)量問題,在這其中,纖維素類保水劑效果最好。

1.2磷石膏

磷石膏是在生產(chǎn)產(chǎn)濕法磷酸時排放出的副產(chǎn)物,具有刺鼻的氣味,長期堆積在地面,會造成周圍環(huán)境污染,同時有毒物質(zhì)滲入土壤后,會引起附近的地下水變質(zhì),植被死亡。并且我國每年都會排放大量的磷石膏,而將磷石膏制備成建筑石膏,將其變廢為寶。磷石膏與天然石膏雖都是石膏,卻不盡相同,天然石膏內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)呈不規(guī)則的球狀、粒狀、鱗片狀等多樣化,顆粒粒徑主要分布在20～80μm,所占比例為82.4%,級配穩(wěn)定又合理,而磷石膏的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)則為粗大的板狀、菱狀結(jié)晶,同時顆粒粒徑在60μm以下所占比例為92.5%,級配不合理,平均粒徑偏小,并且含有磷、氟、有機物等雜質(zhì),這些因素都會影響磷石膏的性能,使其與天然石膏有很大的差距[9-11]。因此,就需要通過添加外加劑來改善磷石膏的性能,使得磷建筑石膏制品能夠達到規(guī)范要求。楊家寬[12]等人在制備以石硝為骨料的磷石膏蒸壓磚時發(fā)現(xiàn),添加自配的復合外加劑后,磷石膏的水化反應加快,而水化反應生成的高強托勃莫來石包裹著磷石膏和石硝,進而致密的結(jié)構(gòu),提高其強度。

俞波[13]等人發(fā)現(xiàn)添加適量TJ-2后,由于它易溶于水,在水化反應后,能生成活性更高、顆粒更細的二水石膏,進而增強非煅燒磷石膏砌塊的早期強度。粉刷石膏也是磷石膏的一種重要的用途,通過添加緩凝劑可以使其的凝結(jié)時間延長,便于施工,緩凝劑能延緩磷石膏的溶解速度,降低溶液的過飽和度,阻滯晶核的形成和晶體的生長,來達到緩凝的效果；添加保水劑能有效地避免料漿中的水分過多地轉(zhuǎn)移到基層墻體上,從而造成縫、空鼓、剝落等質(zhì)量問題,在這其中,纖維素類保水劑效果最好[14-15]。對于磷石膏基建筑膩子,添加纖維素醚和膠粉后,保水率和強度都有提高,當單獨摻加有機硅增水劑也可達到相同的結(jié)果[16]。

1.3天然石膏

石膏是一種歷史悠久的多功能氣硬性膠凝材料,與水泥和石灰統(tǒng)稱為三大膠凝材料。它有著質(zhì)輕、耐火性好等優(yōu)點,但也有著凝結(jié)速度快、強度低、耐水性差等缺點。外加劑的添加會對石膏的性能產(chǎn)生影響。以黃姜水解提取皂素后廢渣為原料配制成的木質(zhì)素磺酸鈉-丙烯酰胺接枝共聚物的綠色外加劑可促進石膏晶體以片狀形式生長發(fā)育,使石膏的力學性能提高,以酸性鹽存在的檸檬酸雖然緩凝效果很好,但對石膏的強度損失很大[17-21]。

以聚乙烯醇與硬脂酸共同乳化所得的有機乳液防水劑為基礎(chǔ),同時添加由明礬石、萘磺酸鹽醛類縮合物組成的鹽類防水劑配制成的復合防水劑,改變了石膏晶體的結(jié)構(gòu),使晶體的各個面的生長速度相近,從而生成六方短柱狀晶體,從而降低吸水率,增加強度[22]。在添加木質(zhì)素磺酸鈣時,其分子均勻分散吸附在石膏顆粒的表面,減少了石膏的標準稠度用水量,進而減少了因水分蒸發(fā)而留在石膏內(nèi)的孔隙,提高其強度[23]。粉刷石膏[24-26]是石膏很重要的用途之一,它的生產(chǎn)和應用,克服了傳統(tǒng)粉刷材料的不足,以二亞乙基三胺五乙酸的五鈉鹽為主制成的SC緩凝劑比單一的檸檬酸、酒石酸等緩凝劑的緩凝效果好,增強其流動性,并且對石膏強度損失也比較小。

保水劑的添加可以防止?jié){體上墻后的垂掛,及水分大量蒸發(fā)引起的墻面開裂等問題,常用的主要有：甲基纖維素(MC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、羥乙基甲基纖維素(HEMC)等。富含羰基和羧基的有機聚合物制配成的改性劑,能夠改善粉刷石膏的凝結(jié)時間、黏結(jié)力、保水性。

2其他類型的建筑石膏

氟石膏[27-30]是工業(yè)上用螢石(CaF2)與濃硫酸反應生成氟化氫后得到的副產(chǎn)物,每生產(chǎn)1t的氟化氫大約需要排出3.6t氟石膏廢渣。它的特點是強度低、凝結(jié)速度慢等,因此需要添加合適的改性劑才能使其成為可用的建筑石膏。氟石膏是沒有活性的,在添加鹽類激發(fā)劑后,可增大無水石膏溶解度,并進一步促成復鹽生成二水石膏完成再結(jié)晶的過程,達到提高氟石膏強度的目的。激發(fā)劑的主要類型有明礬、硫酸鈣等,摻量不同,效果也就不同。添加減水劑可以減少施工過程中水的用量,節(jié)約水資源,同時減少留在氟石膏中的水分子,增加其強度,在常用的苯系減水劑、氨基磺化系減水劑、磺化三聚氰胺系減水劑、多聚羧酸系減水劑等中,發(fā)現(xiàn)多聚羧酸系減水劑隨著摻量的增加減水效果最明顯。而每種減水劑在達到一定的摻量后,氟石膏的強度會隨著減水劑摻量的增加而減小。

為了保證氟石膏充分水化,避免開裂等現(xiàn)象的發(fā)生,需要添加保水劑,無機保水劑相對有機保水劑成本較低,把有機保水劑與無機保水劑以一定的比例復配得到的保水劑效果更好,經(jīng)濟性也好。AK糖石膏[31]是生產(chǎn)乙?；前匪徕浀墓I(yè)副產(chǎn)石膏,在適宜的煅燒強度下,其能轉(zhuǎn)化為膠凝性能較好的β型石膏,在減水劑方面,KAl(SO4)2·12H20、NaHSO4與LK聚羧酸減水劑復配的效果比單摻增強劑更好。

3外加劑的經(jīng)濟效益分析

我國不僅具有豐富的天然石膏資源,同時每年會產(chǎn)生大量工業(yè)副產(chǎn)石膏,但是,由于其性能復雜,添加外加劑是改善所有石膏制品性能的重要途徑。在如今的建材市場中,大力發(fā)展新型建材,石膏類建材具有質(zhì)輕、隔音性好、隔熱性好等優(yōu)良性能,將工業(yè)副產(chǎn)石膏用于建筑材料,既解決了其堆放及污染環(huán)境等問題,也符合我國目前循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展趨勢。綜上兩點,石膏類外加劑具有巨大的市場潛力。

添加減水劑,最直接的經(jīng)濟效益是減少水的用量,降低成本,水是大自然最寶貴的資源,添加減水劑后帶來的環(huán)境效益是不可小覷的,同時,使用減水劑后,石膏制品中的水含量就會減少,這將大大減少石膏制品的拆模時間,為企業(yè)增加利潤；添加緩凝劑,可以延長石膏制品的緩凝時間,方便其施工,為相關(guān)企業(yè)節(jié)約人、物等資金；添加保水劑,可避免墻面干裂、脫落等問題,為后期的質(zhì)量檢驗及維修節(jié)約資本。

4結(jié)論

建筑石膏的外加劑主要為緩凝劑、減水劑、保水劑、增強劑等,每種石膏的性質(zhì)都是不同的,因此,同一種外加劑對不同類型石膏的效果是不一樣的。

(1)在緩凝劑方面,選用最多的是檸檬酸,雖然它的緩凝效果較好,但是,它對石膏強度的影響很大,但有些自配的復合緩凝劑則能達到既緩凝又能對其強度影響較小的效果。

(2)減水劑主要有苯系減水劑、聚羧酸系減水劑、氨基磺化系減水劑、磺化三聚氰胺系減水劑等,它們在不同類型石膏中發(fā)揮的作用各有千秋,使用適宜劑量的減水劑后,可以使其用水量降低,強度增強。

(3)保水劑多用于粉刷石膏中,使其避免出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象,增強劑則主要使石膏制品能達到其早期強度要求。

(4)在外加劑的選取方面可以發(fā)現(xiàn),單一的外加劑的作用不如復合的外加劑效果好,因次,復合外加劑是研究的重點,這對提高石膏制品的性能有很大幫助。

(5)石膏類外加劑具有很大的市場潛力,添加相應的外加劑可以為相關(guān)企業(yè)帶來利潤,如用水量減少、拆模時間縮短、人材機用量減少等。

參考文獻：

[1]廖琳,潘鋼華,唯晨光,等.PW-G型外加劑對脫硫建筑石膏性能的影響研究[J].混凝土與水泥制品,2007(6).

[2]劉民榮,李國忠,趙帥.復合外加劑對脫硫建筑石膏性能的影響[J].新型墻材,2009(1).

[3]于洋,伯玉婷,李國忠.摻加外加劑對脫硫石膏砌塊強度的影響探討[J].建筑砌塊與砌塊建筑,2008(5).

[4]楊瑞海,陸文雄,余淑華,等.脫硫粉刷石膏的微觀分析[J].粉煤灰,2006(6).

[5]趙煥起,李國忠.脫硫石膏抹面材料防水性能的試驗研究[J].2013(10).

[6]趙煥起,李國忠.緩凝劑對脫硫石膏抹面材料性能影響的研究[J].混凝土與水泥制品,2013(3).

[7]曹青,張鉻,郝艷.緩凝劑對脫硫石膏水化的影響及其緩凝機理研究[J].新型建筑材料,2010,37(6).

[8]位建強,劉巧玲,曹明莉.脫硫石膏-粉煤灰-礦粉復合膠結(jié)材改性研究[J].新型建筑材料,2010(4).

[9]畢娟.影響建筑磷石膏性能的主要因素研究[J].商品與質(zhì)量,2011(2).

[10]李美,彭家惠,張建新,等.磷建筑石膏的特性及其改性[J].硅酸鹽通報,2012,31(3).

[11]杜勇.建筑磷石膏改性與應用[D].重慶：重慶大學材料科學與工程學院,2010.

[12]楊家寬,謝永中,劉萬超,等.磷石膏蒸壓磚制備工藝及強度機理研究[J].建筑材料學報,2009.

[13]俞波,陳吉春,薛爽.非煅燒磷石膏砌塊的添加劑試驗研究[J].中國建材科技,2007(5).

[14]李美,彭家惠,杜勇,等.磷石膏基粉刷材料工作性的研究[J].材料導報,2010(24).

[15]范征宇,宋亮.緩凝劑對半水磷石膏凝結(jié)硬化性能的影響[J].哈爾濱師范大學自然科學學報,2002(1).

[16]唐剛,李美,王騰飛.磷石膏基建筑膩子的配制[J].重慶建筑,2011,10(5).

[17]黃鳳萍,李纓,陳利紅.綠色高效外加劑對模型石膏性能的影響[J].非金屬礦,2011,7(5).

[18]李庚英,林芳輝,彭家惠.建筑石膏緩凝劑的研究[J].汕頭大學學報,1998,13(2).

[19]吳亞俊,丁益.外加劑對石膏制品性能影響的研究[J].山西建筑,2012,38(9).

[20]Brachaczek W.The Hydrophobicity of Renovation Plaster in Manufacturing Technology Optimized by Statistical Methods [J].Construction and Building Materials,2013(49).

[21]Van H J,Naldini S,Rodrigues J D.Plasters and Renders for salt Laden Substrates [J].Construct Build Mater,2009(23).

[22]李建權(quán),李國忠,張國輝.石膏復合防水劑對石膏晶體形成的影響[J].建筑材料學報,2007,4(2).

[23]周峻鵬,彭瑜,柳華實.外加劑對石膏制品性能影響[J].建材技術(shù)與應用,2005(3).

[24]姜叢盛,王瑩.外加劑及摻材對粉刷石膏性能的影響[J].硅酸鹽通報,2003(5).

[25]張高科,張強.粉刷石膏復合外加劑的研制[J].新型建筑材料,2001(6).

[26]葉蓓紅,王瑞麟.粉刷石膏常用外加劑[J].化學建材,2001(1).

[27]許紅升,張錦峰,李國忠.復合外加劑對氟石膏制品強度和泛霜效果影響的研究[J].新型墻材,2005(11).

[28]王錦華,呂冰鋒,楊新亞,等.氟石膏基粉刷石膏的應用研究[J].硅酸鹽通報,2011,30(3).

[29]李汝奕,王佩建,成曉光,等.氟石膏廢渣改性生產(chǎn)粉刷石膏研究[J].環(huán)境科學與技術(shù),2007,30(7).

[30]趙帥,田穎,李國忠.摻加外加劑對氟石膏的改性研究劑[J].有機氟工業(yè),2008(1).

[31]陳友治,王斌,李方賢,等.煅燒制度及外加劑對AK糖石膏的強度影響[J].新型建筑材料,2010(4).

[作者簡介]姚毅惠(1991—),女,昆明理工大學建筑工程學院在讀研究生。研究方向：工程造價與投資管理。