建筑石膏緩凝劑的研究進(jìn)展

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我國(guó)是石膏資源大國(guó),天然石膏儲(chǔ)量豐富，工業(yè)副產(chǎn)石膏產(chǎn)量急劇增加。石膏廣泛應(yīng)用于建材、化工、農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域，建筑石膏具有綠色輕質(zhì)、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、防火保溫、隔音抗震等諸多優(yōu)點(diǎn)。作為新型低耗建材，建筑石膏具有較大的市場(chǎng)需求和良好的發(fā)展前景。

但建筑石膏凝結(jié)硬化時(shí)間較短，其應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。為解決過快凝結(jié)問題，通常向石膏膠凝材料中加入緩凝劑，可以有效地延長(zhǎng)建筑石膏凝結(jié)時(shí)間，從而改進(jìn)石膏材料的生產(chǎn)工藝和施工效果。建筑石膏緩凝劑的研究進(jìn)展極大地影響著石膏材料的技術(shù)和應(yīng)用。

一、研究現(xiàn)狀

目前常用的建筑石膏緩凝劑主要有以下三類：有機(jī)酸及其可溶性鹽、堿性磷酸鹽及大分子蛋白質(zhì)類緩凝劑。其緩凝機(jī)理主要有以下幾種：1.可以降低半水石膏溶解度；2.減緩半水石膏的溶解速率；3.具有緩凝作用的離子吸附在二水石膏晶體表面并結(jié)合于晶格中；4.形成有效的絡(luò)合物從而阻礙離子向晶體周邊擴(kuò)散[1]。近幾年，緩凝劑的研究主要集中在緩凝機(jī)理、復(fù)配效果以及強(qiáng)度影響等方面。

(一)有機(jī)酸及其可溶性鹽。有機(jī)酸及其可溶性鹽主要有檸檬酸、檸檬酸鈉、酒石酸、酒石酸鈉以及丙烯酸鈉等。有機(jī)酸及其可溶性鹽的緩凝機(jī)理主要是有機(jī)酸與鈣離子絡(luò)合，有機(jī)酸鈣在石膏晶體表面沉淀，抑制晶體c軸生長(zhǎng)，降低晶體的生長(zhǎng)速率，石膏水化進(jìn)程減慢，從而達(dá)到緩凝效果[2]。

彭家慧[3]研究發(fā)現(xiàn)，在緩凝劑低摻量條件下，檸檬酸相比于多聚磷酸鈉及骨膠緩凝效果明顯。檸檬酸對(duì)半水石膏溶解、液相離子濃度及二水石膏過飽和度影響較小，其緩凝作用主要在于抑制二水石膏的生長(zhǎng)。陳明鳳[3]等試驗(yàn)表明，pH值對(duì)檸檬酸緩凝劑影響較大。在pH=8.5時(shí)，檸檬酸3個(gè)羧基完全電離，形成的絡(luò)合物檸檬酸鈣穩(wěn)定性最好，此時(shí)緩凝劑效果最好。馮春花[4]等研究認(rèn)為，檸檬酸緩凝效果優(yōu)于酒石酸?？紫楦禰5]等發(fā)現(xiàn)，檸檬酸加入量為0.3%就可以有較好的緩凝效果，但隨著增量加大，石膏晶體結(jié)構(gòu)惡化，強(qiáng)度急劇下降。

(二)堿性磷酸鹽。堿性磷酸鹽類緩凝劑主要有六偏磷酸鈉、多聚磷酸鈉以及三聚磷酸鈉等。堿性磷酸鹽類緩凝劑的作用機(jī)理主要是與鈣離子形成難溶的磷酸鈣，附著在半水石膏和二水石膏上，抑制半水石膏溶解和二水石膏晶核的生長(zhǎng)，同時(shí)堿性磷酸鹽對(duì)二水石膏晶體中鈣離子選擇性吸附，阻礙二水石膏晶體生長(zhǎng)并改變晶體形貌[6，7]。

彭家慧[8]等研究表明，三聚磷酸鈉可以明顯減低前期石膏水化率，降低液相離子濃度和過飽和度，二水石膏晶體析出環(huán)境改變，從而改變晶體形貌。多聚磷酸鈉在堿性條件下，石膏強(qiáng)度較高，而在酸性條件下強(qiáng)度較低[9]。劉俊飛[10]等發(fā)現(xiàn)，磷酸鹽類緩凝劑在小于0.005%低摻量下，隨摻量增大，凝結(jié)時(shí)間明顯增加，強(qiáng)度損失急劇增加。

(三)大分子蛋白質(zhì)類。大分子蛋白質(zhì)類緩凝劑主要以骨膠為典型代表。其緩凝機(jī)理主要為骨膠中活性基團(tuán)與鈣離子絡(luò)合，吸附在石膏晶核表面，減緩石膏水化進(jìn)程，從而達(dá)到緩凝效果。

彭家慧[11]等研究發(fā)現(xiàn)骨膠可以使早期水化速率減慢，延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間。通過絡(luò)合覆蓋使二水石膏晶核變慢，晶體粗化，但形貌并未發(fā)生改變。骨膠添加量少，就可以有較好的緩凝效果，對(duì)強(qiáng)度影響較小。pH值對(duì)骨膠影響較小，在石膏中加0.3%骨膠，石膏強(qiáng)度隨pH值并無明顯變化。姚毅惠[12]等試驗(yàn)表明，以磷石膏為材料，骨膠添加量為0.42%，緩凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度最好。黃滔[13]等研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)類緩凝劑中酰胺基團(tuán)可與鈣離子螯合，緩凝效果較好。

(四)緩凝劑復(fù)配。緩凝劑復(fù)配通常指兩種及以上緩凝劑混合使用。國(guó)內(nèi)復(fù)配緩凝劑相關(guān)研究較少。張勁[14]等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以檸檬酸、蘋果酸、三聚磷酸鈉為主的復(fù)合緩凝劑相較于單一緩凝劑緩凝效果好和強(qiáng)度損失較小；在復(fù)合緩凝劑摻量0.1%條件下，終凝時(shí)間73min，抗壓抗折強(qiáng)度損失分別只有4%和12.2%。曹曉梅[14]等研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)類緩凝劑PT和三聚磷酸鈉復(fù)配，在蛋白質(zhì)類緩凝劑PT和三聚磷酸鈉添加量分別為0.05%和0.12%條件下試驗(yàn)，凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)于5h，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別下降26%和5%，相比于單一緩凝劑凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度影響小，效果好。

二、問題和展望

近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)建筑石膏緩凝劑的研究多集中于常規(guī)緩凝劑的機(jī)理、工業(yè)副產(chǎn)石膏的性能影響以及部分復(fù)配緩凝劑效果。存在的問題主要有以下幾點(diǎn):常規(guī)緩凝劑的研究多集中于緩凝效果和微觀晶體結(jié)構(gòu)，機(jī)理研究理論相對(duì)統(tǒng)一，復(fù)配緩凝劑機(jī)理理論研究較少；不同工業(yè)副產(chǎn)石膏緩凝劑效果差異大，緩凝劑研發(fā)緩慢，難以滿足市場(chǎng)需求；緩凝劑用量過大對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生較大損失，嚴(yán)重影響建筑石膏的廣泛應(yīng)用。

緩凝劑作用于石膏水化和晶體生長(zhǎng)過程，研究水化進(jìn)程中緩凝劑離子和官能團(tuán)的作用，為加速研發(fā)新的緩凝劑提供理論基礎(chǔ)；通過微米級(jí)晶體角度，研究緩凝劑對(duì)石膏強(qiáng)度影響，為解決強(qiáng)度損失提供可能；工業(yè)副產(chǎn)石膏雜質(zhì)成分多，探究不同雜質(zhì)成分對(duì)緩凝劑和建筑石膏的影響，可以提高緩凝劑使用效率；目前國(guó)內(nèi)外緩凝劑復(fù)配研究較少，充分發(fā)揮復(fù)配緩凝劑的疊加效應(yīng)，已成為當(dāng)前緩凝劑研究重要方向。