改性增強(qiáng)天然建筑石膏的應(yīng)用研究

張立乾 李海燕 王 能

山西聚義新型建材技術(shù)研究院

1 引言

石膏是一種用途廣泛的工業(yè)材料和建筑材料。石膏是單斜晶系礦物，是主要化學(xué)成分為硫酸鈣（CaSO4）的水合物。石膏及其制品的微孔結(jié)構(gòu)和加熱脫水性，使之具優(yōu)良的隔音、隔熱和防火性能，可用于水泥緩凝劑、石膏建筑制品、模型制作、醫(yī)用食品添加劑、硫酸生產(chǎn)、紙張?zhí)盍?、油漆填料等?/p>

建筑石膏，又稱β 型半水石膏，簡(jiǎn)稱β 石膏，其化學(xué)式為CaSO4·0.5H2O，生產(chǎn)β石膏的原料主要為含兩個(gè)結(jié)晶水硫酸鈣的天然石膏（又稱生石膏）或含硫酸鈣的化工副產(chǎn)品和磷石膏、氟石膏、硼石膏等廢渣，其化學(xué)式為CaSO4·2H2O，也二半水石膏。

天然二水石膏CaSO4·2H?O又稱為生石膏，經(jīng)過(guò)煅燒、磨細(xì)可得β型半水石膏：CaSO4·1/2H2O，即建筑石膏，簡(jiǎn)稱β石膏，又稱熟石膏、灰泥。若煅燒溫度為190°C可得模型石膏，其細(xì)度和白度均比建筑石膏高。若將生石膏在400°C～500°C 或高于800°C 下煅燒，即得地板石膏，其凝結(jié)、硬化較慢，但硬化后強(qiáng)度、耐磨性和耐水性均較普通建筑石膏為好。

相對(duì)于β石膏，就是α石膏即高強(qiáng)石膏，其特點(diǎn)是晶粒較粗，比表面積比較小，調(diào)成石膏漿體的可塑需水量很小（比β石膏少的多），約為35%～45%，因而硬化后孔隙率小，具有較高的強(qiáng)度和密實(shí)度，故名高強(qiáng)石膏。一般制備方法是，二水石膏在1.3 大氣壓下，124°C的飽和水蒸氣下蒸煉而得。

隨著市場(chǎng)科技日新月異的發(fā)展和應(yīng)用技術(shù)的不斷深入，市場(chǎng)并不僅僅只滿足于高強(qiáng)石膏，畢竟其制備工藝復(fù)雜且生產(chǎn)成本高，因此伴隨市場(chǎng)的需求而誕生了改性增強(qiáng)建筑石膏或β 石膏，其為β石膏的新應(yīng)用拓展了應(yīng)用范圍。

本研究基于現(xiàn)有公司天然建筑石膏的應(yīng)用潛力而進(jìn)行了深入的改性增強(qiáng)試驗(yàn)。并設(shè)計(jì)了科學(xué)而合理的試驗(yàn)計(jì)劃。通過(guò)添加各種助劑改性增強(qiáng)建筑石膏粉的試驗(yàn)，使增強(qiáng)后的普通建筑石膏具有類似高強(qiáng)石膏的抗折強(qiáng)度，并研究其作用機(jī)理和應(yīng)用效果，為建筑石膏的新應(yīng)用拓展市場(chǎng)空間。

2 原材料

2.1 建筑石膏

表1 細(xì)度100目石膏粉的物性指標(biāo)

2.2 其他試驗(yàn)原料

表2 一些原料的規(guī)格指標(biāo)

3 試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案是依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，每種原料單獨(dú)添加到石膏中，根據(jù)建筑石膏的國(guó)標(biāo)要求，測(cè)試其標(biāo)稠、凝結(jié)、抗折、抗壓等。并對(duì)不同原料復(fù)合配比添加到石膏中，進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)測(cè)試。通過(guò)初步的試驗(yàn)篩選基本確定了每種原料的添加比例范圍，配比設(shè)計(jì)如表3。

表3 各個(gè)原料的配比設(shè)計(jì)（%）

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 水泥對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖2 減水劑對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖3 硫酸鉀和減水劑組合對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖4 其他原料對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖5 多組分對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

通過(guò)每個(gè)原料與建筑石膏粉的單獨(dú)配比試驗(yàn)和測(cè)試，改性后的石膏指標(biāo)主要是標(biāo)稠用水量、凝結(jié)時(shí)長(zhǎng)、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，本次研究結(jié)合應(yīng)用目標(biāo)，重點(diǎn)分析研究了關(guān)鍵指標(biāo)抗折強(qiáng)度的變化，即兩小時(shí)抗折強(qiáng)度。表1為建筑石膏改性前的指標(biāo)包括抗折強(qiáng)度（2.13MPa）。

圖1 說(shuō)明，P.032.5 水泥的添加量在3%～5%時(shí)，對(duì)普通建筑石膏的抗折強(qiáng)度可明顯提高，0.3%是峰值，而在1%～3%和大于5%時(shí)是降低抗折強(qiáng)度，尤其超過(guò)5%時(shí)急劇下降。

圖2 說(shuō)明，減水添加量在0.1%～0.3%時(shí)，可提高普通建筑石膏的抗折強(qiáng)度，而超過(guò)3%則持續(xù)下降。

圖3說(shuō)明，因微量硫酸鉀的引入，可調(diào)高減水劑的添加量和復(fù)合提高普通建筑石膏的抗折強(qiáng)度[2]，可使減水劑添加量在0.3%～0.5%之間，而0.5%是峰值?？蓪⒔ㄖ嗟目拐蹚?qiáng)度從圖2 的峰值2.9MPa 提高到峰值3.7MPa 以上。參考相關(guān)文獻(xiàn)和進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證，微量的硫酸鉀可對(duì)建筑石膏中的少量無(wú)水硫酸鈣有活性激發(fā)作用，從而可參與水化作用而提高整體石膏的抗折強(qiáng)度[3]。

圖4中多條圖形走勢(shì)對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)多種試驗(yàn)料中只有聚乙烯醇和酚醛樹脂可提高普通建筑石膏的抗折強(qiáng)度。結(jié)合圖1到圖4可發(fā)現(xiàn)，對(duì)提高建筑石膏的抗折強(qiáng)度影響較大的原料依次為減水劑、水泥、聚乙烯醇、酚醛樹脂?？紤]到在干粉混合中遇水的溶解性和溶解度問題，聚乙烯醇和酚醛樹脂在常溫冷水中溶解不充分，難以完全發(fā)揮粘結(jié)作用，因此暫不考慮。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了磺酸鈉鹽減水劑、脂肪族高效減水劑、氨基高高效減水劑、聚羧酸高效減水劑等多種減水劑，最終發(fā)現(xiàn)聚羧酸高效減水劑對(duì)增強(qiáng)建筑石膏最明顯且添加量少可控制成本。通過(guò)對(duì)普通硅酸鹽水泥不同牌號(hào)的對(duì)比試驗(yàn)，證明P.O32.5水泥足以產(chǎn)生預(yù)期的增強(qiáng)效果[4]。

如圖5所示，通過(guò)減水劑、硫酸鉀和水泥的組合配比添加到建筑石膏中，進(jìn)行試驗(yàn)和檢測(cè)，建筑石膏的抗折強(qiáng)度可顯著增加，最佳組合比例為：

表4 最佳組合配比

此組合配比，可使原來(lái)建筑石膏的抗折強(qiáng)度提高兩倍多，相當(dāng)于高強(qiáng)石膏的指標(biāo)。因?yàn)椴煌a(chǎn)地建筑石膏的品質(zhì)不同，所以在實(shí)際的工程應(yīng)用中，要根據(jù)具體的情況和上述的相互關(guān)系進(jìn)行適量地調(diào)節(jié)。

5 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)研究分析，可以得到如下結(jié)論：（1）對(duì)建筑石膏改性增強(qiáng)效果明顯的原料依次為減水劑、水泥、聚乙烯醇、酚醛樹脂。（2）改性增強(qiáng)建筑石膏，多組分比單組分原料更明顯。（3）普通建筑石膏可以通過(guò)改性增強(qiáng)而具有高強(qiáng)石膏的抗折強(qiáng)度。（4）改性增強(qiáng)建筑石膏的最佳組合配比是：0.5%減水劑，5%水泥，0.06%硫酸鉀，94.4%建筑石膏。