蛋白類緩凝劑對建筑石膏的適應性

黃 滔， 彭小芹， 王淑萍， 邱 峰

(1.重慶大學 材料科學與工程學院， 重慶 400045； 2.四川省建材工業(yè)科學研究院， 四川 成都 610081)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，中國工業(yè)副產(chǎn)品——石膏的排放量呈現(xiàn)逐年遞增趨勢，其中占比最大的為磷石膏和脫硫石膏.根據(jù)中國建材聯(lián)合會石膏建材分會的統(tǒng)計，中國2013年石膏排放量約為1.84×1012t，其中磷石膏約為7.00×107t，脫硫石膏約為7.55×107t，而且石膏當年綜合利用率僅為48.1%[1].截止“十三五”規(guī)劃末期，中國磷石膏的年排放量仍預計為8.0×107～8.5×107t[2].石膏的堆存對地下水及周邊環(huán)境等存在潛在的巨大隱患.因此，拓展石膏的利用途徑是提高其綜合利用率的必由之路.

機械噴涂輕質(zhì)抹灰石膏是2010年中國華東地區(qū)出現(xiàn)的新產(chǎn)品，具有施工效率高、不空鼓、不開裂等優(yōu)點，已由沿海逐漸發(fā)展到內(nèi)地.2015年中國抹灰石膏的銷量達到2.56×106t.由于抹灰石膏的凝結(jié)時間短，為滿足施工要求，抹灰石膏中往往摻有緩凝劑.建筑石膏常用的緩凝劑主要有無機鹽和蛋白類兩大類[3-8]，其中蛋白類緩凝劑具有摻量小、緩凝效果好、晶體形貌影響小及強度損失小等優(yōu)點[9-10].作為膠凝材料的建筑石膏由于各地資源不同，呈現(xiàn)出不同類型.筆者前期進行的緩凝劑對比研究發(fā)現(xiàn)，同一蛋白類緩凝劑并不完全適用于所有建筑石膏，因此有必要研究不同類型建筑石膏對蛋白類緩凝劑緩凝效果的影響，以期為蛋白類緩凝劑生產(chǎn)企業(yè)和石膏砂漿生產(chǎn)企業(yè)提供一定的指導。

1 試驗

1.1 原材料

建筑石膏采用脫硫建筑石膏(FGD)和磷建筑石膏(PG)，其基本情況和化學組成分別見表1，2.4種蛋白類緩凝劑RJ-1，RJ-2，RC-1和RC-2均為市售，其中前2種為進口緩凝劑，后2種為國產(chǎn)緩凝劑.分析純Ca(H2PO4)2·H2O(SSP)為市售.

表1 建筑石膏的基本情況

表2 建筑石膏的化學組成

Note:P2O5in table 2 is water soluble.

1.2 試驗方法

按照GB/T 17669.1—1999《建筑石膏一般試驗條件》中要求的(20±2) ℃，相對濕度為(65±5)%條件進行測試.按照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏凈漿物理性能的測定》和GB/T 5484—2012《石膏化學分析方法》對建筑石膏的凝結(jié)時間和pH值進行測試.采用島津IRAffinity-1傅里葉變換紅外光譜儀對建筑石膏進行紅外(IR)測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 緩凝劑的結(jié)構(gòu)特征

圖1為4種緩凝劑的紅外光譜圖.由圖1可見，4種蛋白類緩凝劑具有相似的分子結(jié)構(gòu)，主要官能團為酰胺鍵和羧基，其主要區(qū)別為酰胺鍵的峰位不同，且酰胺Ⅰ帶與酰胺Ⅱ帶是否有重疊峰.

圖1 緩凝劑的紅外光譜圖Fig.1 IR sprecta of the retarders

2.2 緩凝劑對建筑石膏凝結(jié)時間的影響

圖3為不同摻量(以建筑石膏質(zhì)量計)的RJ-1和RC-1對GY1505，HD1506和ZB1507凝結(jié)時間(t)的影響.由圖3可見：隨著RJ-1和RC-1摻量的增加，建筑石膏的凝結(jié)時間均有所增加；摻入0.12%RJ-1后，ZB1507的初、終凝時間分別增大約67倍和50倍，而GY1505和HD1506的初、終凝時間最大僅增大約6倍；摻入0.12%RC-1后，GY1505的初、終凝時間分別增大約133倍和110倍，HD1506的初、終凝時間分別增大約88倍和112倍，而ZB1507的初、終凝時間最大僅增大約28倍.

圖2 酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶的多峰擬合光譜圖Fig.2 Multimodal fitting IR sprecta of amide Ⅰ and amide Ⅱ

圖3 RJ-1和RC-1摻量對建筑石膏凝結(jié)時間的影響Fig.3 Influence of RJ-1 and RC-1 content on the setting time of calcined gypsum

以緩凝度Rm來表征緩凝劑的緩凝效果，其計算方法見式(1)：

Rm=(tr-m-t0-m)/t0-m

(1)

式中：tr-m為摻入緩凝劑后建筑石膏的凝結(jié)時間；t0-m為凈建筑石膏的凝結(jié)時間；其中m為建筑石膏凝結(jié)時間的類型，m為i表示初凝，m為f表示終凝.

圖4為4種蛋白類緩凝劑摻量分別為0.05%時，GY1601和ZB1609的凝結(jié)時間.由圖4可以發(fā)現(xiàn)，4種蛋白類緩凝劑在不同類型建筑石膏中的凝結(jié)時間發(fā)生了變化.由圖4得到緩凝度的計算數(shù)據(jù)，見表3.由表3可見，在不同類型建筑石膏中，4種蛋白類緩凝劑各自的緩凝度并不一致.由表3還可見，具有仲酰胺的RC-2，RJ-1和RJ-2在脫硫建筑石膏中的緩凝度大于它們在磷建筑石膏中的緩凝度，但具有伯酰胺的RC-1在脫硫建筑石膏的緩凝度小于其在磷建筑石膏中的緩凝度.說明蛋白類緩凝劑的緩凝度受到建筑石膏類型的影響.

圖4 緩凝劑摻量為0.05%時建筑石膏的凝結(jié)時間Fig.4 Setting time of calcined gypsum when w(retarder) is 0.05%

Type ofretarderGY1601ZB1609RiRfRiRfRC-21.691.386.504.76RJ-12.691.8610.6310.60RJ-23.692.7642.1329.00RC-17.465.384.503.32

2.3 建筑石膏pH值和對緩凝劑緩凝度的影響

當RC-1摻量為0.05%時，磷建筑石膏pH值對其凝結(jié)時間的影響見表4.由表4可見：當磷建筑石膏的pH值為6.55，接近7時，RC-1的緩凝時間最短；磷建筑石膏pH值不同，RC-1的緩凝時間也有所不同.這說明對某種具體的蛋白類緩凝劑來說，其緩凝效果受磷建筑石膏pH值的影響.

圖5為緩凝劑摻量為0.05%時磷建筑石膏GY1601 pH值對其凝結(jié)時間的影響.由此計算出的緩凝度見表5.由表5可以發(fā)現(xiàn)：4種蛋白類緩凝劑的緩凝度均隨磷建筑石膏pH值的增加而增大；具有不同類型酰胺鍵的蛋白類緩凝劑的緩凝效果不受磷建筑石膏pH值的影響.

表4 RC-1摻量為0.05%時磷建筑石膏pH值對其凝結(jié)時間的影響

圖5 緩凝劑摻量為0.05%時GY1601 pH值對其凝結(jié)時間的影響Fig.5 Influence of pH value on the setting time of GY1601 when w(retarder) is 0.05%

Type ofretarderpH=6.55pH=7.71pH=10.20RiRfRiRfRiRfRC-21.691.3845.4637.7683.1573.29RJ-12.691.8652.2347.19103.4689.38RJ-23.692.76100.85101.10133.77120.05RC-17.465.38102.23102.33135.15117.57

圖6 緩凝劑摻量為0.05%時摻入SSP對ZB1609凝結(jié)度的影響Fig.6 Influence of SSP on the retarding degree of ZB1609 when w(retarder) is 0.05%

圖7 緩凝劑對DCP紅外光譜的影響Fig.7 Influence of retarders on the IR spectrum of DCP

3 結(jié)論

(1)蛋白類緩凝劑可與鈣離子生成螯合物，延緩建筑石膏的凝結(jié)時間，同時仲酰胺與鈣離子生成的螯合物緩凝效果優(yōu)于伯酰胺與鈣離子生成的螯合物.

(2)具有不同酰胺鍵類型的蛋白類緩凝劑，其緩凝度受到建筑石膏類型的影響，且隨建筑石膏pH值的增加而增大.

(4)脫硫建筑石膏宜選用酰胺基團主要為仲酰胺的蛋白類緩凝劑，磷建筑石膏宜選用酰胺基團主要為伯酰胺的蛋白類緩凝劑.