建筑石膏相關(guān)外加劑研究及經(jīng)濟(jì)效益分析

姚毅惠++趙志曼++劉育成++張文佳++郜峰

[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(jì)效益。

[關(guān)鍵詞]外加劑；各類石膏；經(jīng)濟(jì)效益

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(jì)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(qiáng)調(diào)循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jī)雜質(zhì)，性質(zhì)不穩(wěn)定，并且力學(xué)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(xiàn)，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(jì)效益進(jìn)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(jìn)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(fù)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(jī)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(qiáng)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(xué)試劑通過正交試驗(yàn)后得出復(fù)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(jī)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(qiáng)度和防水性能機(jī)理；作為有機(jī)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(qiáng)度和防水性能機(jī)理。脫硫石膏砌塊是目前應(yīng)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(qiáng)度就是重點(diǎn)。

當(dāng)添加明礬、Na2SO4或Na2CO3為0. 5%時，可使砌塊的抗壓強(qiáng)度得到明顯的提升，其機(jī)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(jìn)而提升砌塊的強(qiáng)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(yīng)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(dāng)摻加相應(yīng)的礦物原料及外加劑時，脫硫粉刷石膏的水化反應(yīng)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(xué)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(jī)硅防水劑和有機(jī)乳液等按照一定比例復(fù)合配制而成的復(fù)合防水劑0. 32%后，脫硫石膏主要水化產(chǎn)物為較細(xì)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(xué)強(qiáng)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(jī)理進(jìn)行研究之后，并進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(qiáng)度，確定Retardan為最佳緩凝劑。位建強(qiáng)[8]等人在進(jìn)行脫硫石膏-粉煤灰-礦粉復(fù)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(qiáng)劑的硅酸鈉不僅能提高脫硫石膏的強(qiáng)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(jī)酸類緩凝效果比蛋白類緩凝劑效果強(qiáng)；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(jī)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(dá)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(fù)合外加劑后，磷石膏的水化反應(yīng)加快，而水化反應(yīng)生成的高強(qiáng)托勃莫來石包裹著磷石膏和石硝，進(jìn)而致密的結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)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(yīng)后，能生成活性更高、顆粒更細(xì)的二水石膏，進(jìn)而增強(qiáng)非煅燒磷石膏砌塊的早期強(qiáng)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(dá)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?zhàn)?，添加纖維素醚和膠粉后，保水率和強(qiáng)度都有提高，當(dāng)單獨(dú)摻加有機(jī)硅增水劑也可達(dá)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(diǎn)，但也有著凝結(jié)速度快、強(qiáng)度低、耐水性差等缺點(diǎn)。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(jìn)石膏晶體以片狀形式生長發(fā)育，使石膏的力學(xué)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(qiáng)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(jī)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(fù)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，進(jìn)而減少了因水分蒸發(fā)而留在石膏內(nèi)的孔隙，提高其強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)其流動性，并且對石膏強(qiáng)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(jī)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(yīng)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(diǎn)是強(qiáng)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(jìn)一步促成復(fù)鹽生成二水石膏完成再結(jié)晶的過程，達(dá)到提高氟石膏強(qiáng)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(qiáng)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(dá)到一定的摻量后，氟石膏的強(qiáng)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(jī)保水劑相對有機(jī)保水劑成本較低，把有機(jī)保水劑與無機(jī)保水劑以一定的比例復(fù)配得到的保水劑效果更好，經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(fù)配的效果比單摻增強(qiáng)劑更好。

3 外加劑的經(jīng)濟(jì)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(fù)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(jì)的發(fā)展趨勢。綜上兩點(diǎn)，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(jì)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(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度的影響很大，但有些自配的復(fù)合緩凝劑則能達(dá)到既緩凝又能對其強(qiáng)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(qiáng)度增強(qiáng)。

（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(qiáng)劑則主要使石膏制品能達(dá)到其早期強(qiáng)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(fù)合的外加劑效果好，因次，復(fù)合外加劑是研究的重點(diǎn)，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(yīng)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(jī)用量減少等。

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