緩凝劑對(duì)不同種類石膏性能的影響

張伶俐，羅慧，夏偉軍

（廣東龍湖科技股份有限公司，湖北 武漢 430040）

緩凝劑對(duì)不同種類石膏性能的影響

張伶俐，羅慧，夏偉軍

（廣東龍湖科技股份有限公司，湖北 武漢 430040）

研究了國內(nèi)外不同石膏緩凝劑對(duì)石膏的作用效果。通過應(yīng)用于脫硫建筑石膏、天然建筑石膏的凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等對(duì)比，對(duì)幾種石膏緩凝劑進(jìn)行性能評(píng)估。并選擇合適的石膏緩凝劑應(yīng)用于石膏基產(chǎn)品。

石膏緩凝劑；脫硫石膏；天然石膏；凝結(jié)時(shí)間；強(qiáng)度

0 前言

近幾年來，我國石膏工業(yè)得到飛速發(fā)展，石膏作為建筑材料在建筑中的應(yīng)用量越來越大，這主要體現(xiàn)在紙面石膏板和粉刷石膏的用量明顯增大。但石膏在應(yīng)用方面還存在很多問題，主要集中在石膏凝結(jié)時(shí)間較短，一般在6～10 min。因此，緩凝劑成了石膏應(yīng)用中必不可少的添加劑[1-2]。目前，國內(nèi)外對(duì)石膏緩凝劑作了大量的研究，研究最廣泛的有4類石膏緩凝劑，分別是有機(jī)酸及其可溶鹽、堿性磷酸鹽、蛋白質(zhì)類以及幾類之間的復(fù)配[3-4]。另外，生產(chǎn)石膏的原料主要為含硫酸鈣的天然石膏（又稱生石膏）或含硫酸鈣的化工副產(chǎn)品（加工而成脫硫石膏）和磷石膏、氟石膏等廢渣。脫硫石膏是一種工業(yè)副產(chǎn)石膏，也稱排煙脫硫石膏或FGD石膏（Flue Gas Desulphurization Gysum），這種石膏主要是以由含硫元素的燃料（包括煤炭、石油等）經(jīng)燃燒而得到的煙氣，再經(jīng)脫硫技術(shù)處理而產(chǎn)生的石膏。其定義如下：脫硫石膏是由煙氣脫硫產(chǎn)生，由品位較高、顆粒較小的二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O）晶體組成的[5-6]。天然石膏則是自然界的石膏礦，主要成分為二水石膏（CaSO4·2H2O）。上面2種二水石膏經(jīng)煅燒脫水，形成以β-半水石膏為主要成分的膠凝材料。這2種石膏由于原料不同，因此在生產(chǎn)應(yīng)用中，所用添加劑及配方也不盡相同。因此，研究不同石膏添加劑對(duì)不同石膏原料的性能影響非常有必要。

本文主要通過實(shí)驗(yàn)市場上幾種不同的石膏緩凝劑，對(duì)脫硫石膏、天然石膏的凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度的影響，優(yōu)選出適合不同石膏的緩凝劑種類及摻量，揭示緩凝劑對(duì)不同石膏的強(qiáng)度影響規(guī)律，為石膏的合理應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

脫硫建筑石膏（以下簡稱脫硫石膏），湖北武漢；天然建筑石膏（以下簡稱天然石膏），湖北應(yīng)城。2種石膏的化學(xué)成分見表1，物理力學(xué)性能見表2。

表1 脫硫石膏和天然石膏的化學(xué)成分%

表2 脫硫石膏和天然石膏的物理力學(xué)性能

從表1可以看出，脫硫石膏和天然石膏的化學(xué)成分相似，但脫硫石膏中的CaO、SO3的含量均高于天然石膏，因此，就干料中半水石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)而言，該脫硫石膏品位優(yōu)于天然石膏品位。但其含有Cl-和F-水溶性離子等成分，這些雜質(zhì)對(duì)石膏制品的性能會(huì)造成不同程度的危害。

從表2可以看出，脫硫石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量明顯高于天然石膏。這是因?yàn)槊摿蚴嘞啾忍烊皇囝w粒較細(xì)（一般在200目左右），且石膏的顆粒大小比較均勻，顆粒大多集中在40～60 μm，其級(jí)配要比天然石膏粉（140 μm）差很多。另外還可以看出，脫硫石膏凝結(jié)時(shí)間比天然石膏凝結(jié)時(shí)間短，強(qiáng)度比天然石膏高。這大概是因?yàn)樵撁摿蚴嘀械陌胨噘|(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，且游離水較少，而天然石膏中還含有部分黏土類雜質(zhì)。

緩凝劑：選用不同種類、不同來源的5種緩凝劑。PE，意大利SICIT2000公司，降解聚酰胺鈣鹽；P粉，德國TRICOSAL公司，氨基酸縮聚物鈣鹽；國產(chǎn)A，市售，蘇州，無機(jī)鹽類緩凝劑；國產(chǎn)B，市售，蘇州，蛋白質(zhì)類緩凝劑；國產(chǎn)C，市售，上海，蛋白質(zhì)與表面活性劑及無機(jī)鹽復(fù)合而成。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

凝結(jié)時(shí)間：參照GB/T 9776—2008《建筑石膏》進(jìn)行測試。

抗折、抗壓強(qiáng)度：按GB/T 9776—2008成型40 mm×40 mm× 160 mm的試塊，在實(shí)驗(yàn)室干養(yǎng)護(hù)條件下，分別測試1 d強(qiáng)度和絕干強(qiáng)度。絕干強(qiáng)度測試方法為：先在實(shí)驗(yàn)室溫度（20±2）℃，濕度（50±5）%的條件下干養(yǎng)護(hù)7 d，然后在40℃鼓風(fēng)箱中烘干至絕干狀態(tài)，測試抗折、抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩凝劑對(duì)脫硫石膏凝結(jié)時(shí)間的影響（見表3）

表3 緩凝劑種類及摻量對(duì)脫硫石膏凝結(jié)時(shí)間的影響

從表3可以看出：

（1）PE對(duì)脫硫石膏的緩凝效果最好，當(dāng)摻量為0.02%時(shí)，初凝時(shí)間35 min，終凝時(shí)間55 min；摻量為0.08%時(shí)，初凝時(shí)間134 min，終凝時(shí)間149 min。

（2）國產(chǎn)A對(duì)脫硫石膏的緩凝效果最差，當(dāng)摻量為0.2%時(shí)，初凝時(shí)間19 min，終凝時(shí)間70 min；摻量為0.5%時(shí)，初凝時(shí)間70 min，終凝時(shí)間170 min。

（3）相同摻量時(shí)，PE緩凝效果優(yōu)于P粉；國產(chǎn)B、國產(chǎn)C二者緩凝效果差不多。

2.2 緩凝劑對(duì)天然石膏凝結(jié)時(shí)間的影響（見表4）

表4 緩凝劑種類及摻量對(duì)天然石膏凝結(jié)時(shí)間的影響

從表4可以看出：

（1）PE對(duì)天然石膏的緩凝效果最好，當(dāng)摻量為0.02%時(shí)，初凝時(shí)間27 min，終凝時(shí)間42 min；摻量為0.08%時(shí)，初凝時(shí)間104 min，終凝時(shí)間115 min。

（2）國產(chǎn)B對(duì)天然石膏的緩凝效果最差，當(dāng)摻量為0.25%時(shí)，初凝時(shí)間34 min，終凝時(shí)間67 min；摻量為0.35%時(shí)，初凝時(shí)間76 min，終凝時(shí)間99 min。

（3）相同摻量時(shí)，PE緩凝效果優(yōu)于P粉；國產(chǎn)A緩凝效果略好于國產(chǎn)C。

2.3 緩凝劑對(duì)脫硫石膏強(qiáng)度的影響（見表5）

表5 緩凝劑種類及摻量對(duì)脫硫石膏強(qiáng)度的影響

從表5可以看出：

（1）除P粉外，其它緩凝劑隨著緩凝劑摻量的增加，脫硫石膏強(qiáng)度隨之降低。而P粉為緩凝劑時(shí)，隨著其摻量的增加，脫硫石膏的強(qiáng)度先小幅升高然后降低。

（2）隨著緩凝時(shí)間延長，脫硫石膏強(qiáng)度下降。要達(dá)到相同緩凝效果時(shí)，每種緩凝劑的摻量并不一致。通過表3找出緩凝效果近似的點(diǎn)，例如：初凝時(shí)間為70～80 min時(shí)，PE摻量0.04%，絕干抗壓強(qiáng)度為11.0 MPa；P粉摻量0.12%，絕干抗壓強(qiáng)度為8.7 MPa；國產(chǎn)B、國產(chǎn)C摻量均為0.20%，絕干抗壓強(qiáng)度均為8.7 MPa?？芍琍E對(duì)脫硫石膏強(qiáng)度的影響最小，然后依次是P粉、國產(chǎn)B、國產(chǎn)C，但三者相差不大。

2.4 緩凝劑對(duì)天然石膏強(qiáng)度的影響（見表6）

表6 緩凝劑種類及摻量對(duì)天然石膏強(qiáng)度的影響

從表6可以看出：

（1）除國產(chǎn)A外，緩凝劑在低摻量情況下，天然石膏強(qiáng)度反而提高，但隨著緩凝劑摻量的增加，石膏強(qiáng)度明顯降低。原因是天然石膏中存在部分游離水分子，不摻緩凝劑的情況下，化學(xué)反應(yīng)迅速，放出大量的熱，水分子轉(zhuǎn)化成水蒸氣排出，導(dǎo)致硬化的二水石膏形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)，石膏強(qiáng)度降低。而摻入少量緩凝劑后，石膏化學(xué)反應(yīng)減緩，石膏中游離的水分子滲出石膏漿體，從而導(dǎo)致生成的二水石膏結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度因此提高。

（2）隨國產(chǎn)A緩凝劑摻量增加，天然石膏強(qiáng)度呈無規(guī)律性變化，其原因可能是石膏強(qiáng)度太低，而且存在試驗(yàn)誤差因素，因此觀察不到變化趨勢。

（3）在表4中找出凝結(jié)時(shí)間相差不大的點(diǎn)，如初凝時(shí)間為50～60 min時(shí)，PE摻量0.04%，絕干抗壓強(qiáng)度為5.6 MPa；P粉摻量0.04%，絕干抗壓強(qiáng)度為6.2 MPa；國產(chǎn)A摻量0.30%，絕干抗壓強(qiáng)度為3.9 MPa；國產(chǎn)C摻量0.25%，絕干抗壓強(qiáng)度為5.6 MPa。因此，P粉對(duì)天然石膏強(qiáng)度的影響最小，PE和國產(chǎn)C差不多，而國產(chǎn)A對(duì)天然石膏強(qiáng)度的影響最大。

2.5 緩凝劑作用機(jī)理

本文采用的5種緩凝劑可分為3大類，其緩凝作用機(jī)理也各不相同。國產(chǎn)A屬于多聚磷酸鹽系列緩凝劑，國產(chǎn)B屬于蛋白質(zhì)類緩凝劑，PE、P粉和國產(chǎn)C為蛋白質(zhì)和無機(jī)鹽的復(fù)合緩凝劑。

國產(chǎn)A的緩凝機(jī)理：多聚磷酸鹽與石膏形成某種沉淀膜覆蓋在半水石膏和二水石膏晶核表面，既阻礙了半水石膏的溶解，延緩了晶核的形成，同時(shí)還抑制了晶核的長大。國產(chǎn)B的緩凝機(jī)理：研究發(fā)現(xiàn)，大分子緩凝劑（蛋白類）摻入石膏基材料中，與二水石膏表面的鈣離子結(jié)合，覆蓋在二水石膏的晶核表面，降低晶核表面能，抑制了晶核的生長。同時(shí)由于蛋白質(zhì)膠體的吸附和保護(hù)作用，蛋白質(zhì)膠體雖抑制石膏晶體生長，但不改變晶體形貌，對(duì)石膏強(qiáng)度影響較小。根據(jù)PE和P粉的化學(xué)成分分析，二者均屬于蛋白質(zhì)同無機(jī)鈣鹽復(fù)合緩凝劑。因此二者在一定程度上和蛋白類的緩凝機(jī)理類似，同時(shí)還兼具了無機(jī)鹽的緩凝作用。因此，緩凝劑PE、P粉和國產(chǎn)C蛋白類與表面活性劑及無機(jī)鹽復(fù)合后，各自發(fā)揮緩凝作用的同時(shí)，也產(chǎn)生了協(xié)同作用，無機(jī)鹽對(duì)石膏的緩凝加上蛋白類對(duì)石膏強(qiáng)度的保護(hù)作用，最終使得國產(chǎn)C的緩凝效果介于國產(chǎn)A與國產(chǎn)B之間[7-9]。

另外，從上述試驗(yàn)中可以看出，不同緩凝劑對(duì)不同種類石膏的緩凝效果不同，相同緩凝效果時(shí)，對(duì)強(qiáng)度的影響也不同。PE和P粉相比，PE對(duì)脫硫石膏和天然石膏的緩凝效果都很好，但P粉明顯更適合天然石膏的緩凝，且對(duì)天然石膏的強(qiáng)度影響較小，這可能是由于二者分子質(zhì)量不同或者分子結(jié)構(gòu)不同，因而對(duì)不同的石膏產(chǎn)生不同的緩凝效果。國產(chǎn)A、B、C三者相比，國產(chǎn)A對(duì)脫硫石膏緩凝效果不佳，國產(chǎn)B對(duì)天然石膏緩凝效果不佳。所以可以得出，無機(jī)復(fù)合緩凝劑更適合應(yīng)用于天然石膏，而蛋白質(zhì)類對(duì)天然石膏表現(xiàn)不理想，蛋白質(zhì)與無機(jī)鹽復(fù)合的緩凝劑則比較均衡，對(duì)天然石膏和脫硫石膏適應(yīng)性都不錯(cuò)，但不同分子結(jié)構(gòu)或分子量對(duì)不同石膏種類也有不同影響。

2.6 緩凝劑在粉刷石膏中的應(yīng)用

由于不同緩凝劑對(duì)應(yīng)不同種類的石膏應(yīng)用有所不同，因此，以抹灰石膏為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。底層抹灰石膏配方見表7，GB/T 28627—2012《抹灰石膏》對(duì)底層抹灰石膏的要求及本試驗(yàn)2種配方抹灰石膏性能測試結(jié)果見表8。

表7 底層抹灰石膏配方

表8 底層抹灰石膏的性能測試結(jié)果

從表8可以看出，2組配方所測性能符合GB/T 28627—2012對(duì)底層抹灰石膏的要求，說明本試驗(yàn)的配方設(shè)計(jì)是合理可行的。

3 結(jié)語

（1）緩凝劑對(duì)脫硫石膏緩凝時(shí)間的影響效果為：PE明顯優(yōu)于P粉，國產(chǎn)B、C明顯優(yōu)于國產(chǎn)A。

（2）緩凝劑對(duì)天然石膏緩凝時(shí)間的影響效果為：PE稍優(yōu)于P粉，國產(chǎn)A優(yōu)于國產(chǎn)C，國產(chǎn)C優(yōu)于國產(chǎn)B。

（3）相同緩凝效果時(shí)，PE對(duì)脫硫石膏的強(qiáng)度影響最小，其它緩凝劑對(duì)脫硫石膏強(qiáng)度的影響差不多。

（4）相同緩凝效果時(shí)，P粉對(duì)天然石膏強(qiáng)度的影響最小，PE和國產(chǎn)C差不多，而國產(chǎn)A對(duì)天然石膏強(qiáng)度的影響極大。

（5）無機(jī)類緩凝劑適宜用于天然石膏，蛋白類緩凝劑不適宜天然石膏，二者復(fù)合類緩凝劑則2種石膏都能適應(yīng)。

綜上，緩凝劑對(duì)不同石膏的凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度影響都不相同原因可能是石膏的化學(xué)組分不同，也可能是不同緩凝劑對(duì)石膏緩凝作用機(jī)理不同。因此，采用不同石膏作原料時(shí)，要慎重選擇合適的石膏緩凝劑。在設(shè)計(jì)配方時(shí)要綜合性能、生產(chǎn)成本等多方面因素，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，找出綜合性價(jià)比優(yōu)越的配方進(jìn)行生產(chǎn)，從而提高產(chǎn)品競爭力。

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Effect of retarder on the properties of different kinds of gypsum

ZHANG Lingli，LUO Hui，XIA Weijun
（Guangdong Longhu Sci.Tech.Company Limited，Wuhan 430040，China）

The effects of different plaster retarders on gypsum are studied in this paper.The performance evaluation of those retarders is carried out through comparing the setting time and strength of desulfurized gypsum and nature gypsum.And the adaptive gypsum retarder applied to gypsum-based product is selected.

gypsum retarder，desulfurized gypsum，natural gypsum，setting time，strength

TU526；TQ177.3+7

A

1001-702X（2016）09-0018-04

2015-12-02；

2016-03-22

張伶俐，女，1983年生，湖北當(dāng)陽人，助理工程師。