減水劑對脫硫石膏性能的影響

朱效甲 ，朱倩倩 ，陳永杰 ，朱玉杰 ，朱蕓馨

（1.濟南市杰美菱鎂建材研究所，山東 濟南 250031；2.山東源圣鈺建材有限公司，山東 泰安 271600）

0 引言

脫硫建筑石膏制品具有質輕、保溫、隔熱、吸聲、防火、可循環(huán)利用等優(yōu)點，是國內外推崇的綠色環(huán)保建筑材料[1]。 但是脫硫石膏粉具有較大的比表面積，造成標準稠度需水量大幅提高，導致其水化硬化后的硬化體孔隙率提高，強度降低。 一定程度上限制了脫硫石膏在工程上的推廣應用。 通過添加減水劑， 降低脫硫石膏膠凝材料的標準稠度用水量，進而降低制品孔隙率，是提高其強度的有效方法[2]。 自 20 世紀 80 年代起，德國、日本等國家相繼研發(fā)了一些石膏體系的專用減水劑[3]，而我國對此研究相對滯后， 對石膏減水劑的應用和研發(fā)水平相對較低。 目前市場上大多數減水劑是適應于水泥基材料的， 而脫硫石膏與水泥的組成結構、pH 值等方面存在著較大差異，因此，適用于脫硫石膏的減水劑種類需要進行相應的試驗研究。

1 試驗

1.1 原材料

脫硫石膏：山東茌平熱電廠提供。 其化學成分見表 1， 物理性能見表 2，XRD 圖譜見圖 1，SEM 照片見圖2。

由圖1 可以看出，本試驗所用的脫硫石膏原材料中主要礦物組成是CaSO4·2H2O。

由圖2 可以看出，本試驗所用的脫硫石膏的微觀形貌主要為棒狀晶體結構。

表1 脫硫石膏的主要化學成分 %

表2 脫硫石膏的物理力學性能

圖1 脫硫石膏的XRD 圖

圖2 脫硫石膏的SEM 照片

粉煤灰（FA）：山東濟南熱電廠提供Ⅱ級干排灰，細度為0.08 mm 方孔篩篩余量不大于20%，其化學成分見表3。

萘系減水劑（FDN-X）：山東萊蕪雙泉建筑材料有限公司提供，棕黃色粉末，減水率25%，主要化學成分為β-萘磺酸鈉甲醛縮合物。

聚羧酸高性能減水劑（PC-NF）：山東華迪建筑科技有限公司提供，白色粉末，含水率1.30%，減水率33.2%。

水：自來水。

1.2 測試方法

（1）脫硫石膏標準稠度需水量、凝結時間以及力學強度參照GB/T9776—2008《建筑石膏》進行測試。采用內徑為50 mm 高度為100 mm 的圓筒測試漿體稠度，當擴展度為（180±5）mm 時即為標準稠度需水量，從脫硫石膏與水接觸開始計時，至鋼針第一次碰不到玻璃底板所經歷的時間為初凝時間， 至鋼針第一次插入漿體的深度不大于1 mm 所經歷的時間為終凝時間，力學強度采用40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體試樣，在室內環(huán)境中自然養(yǎng)護至規(guī)定齡期破型。

表3 粉煤灰的主要化學成分 %

（2）減水率測試參照 GB80762—1997《混凝土外加劑減水率的快速測定方法》進行測試。 相對固定漿體稠度（老標準維卡儀測定），使?jié){體稠度控制在（40±1）mm，調整減水劑的加量，計算減水率。

（3）軟化系數：試件泡水48 h 的強度和自然養(yǎng)護28 d 的強度比值。

2 試驗結果與討論

2.1 減水劑對脫硫石膏標準稠度需水量及減水率的影響

標準稠度需水量是石膏基膠凝材料的一個重要工藝參數， 對后期硬化體的強度有著重要的影響。 減水劑通過靜電斥力或空間位阻效應，可有效釋放包裹在石膏顆粒間的自由水，從而減小脫硫石膏的標準稠度需水量。為了明確減水劑的種類和摻量， 測試了萘系FDN-X 減水劑與聚羧酸系 （PCNF） 減水劑對脫硫石膏標準稠度需水量和減水率的影響，結果見圖3，4。

由圖 3，4 可以看出，隨著 FDN-X、PC-NF 減水劑摻量的增加，脫硫石膏的標準稠度需水量呈下降趨勢，減水率則相應提高。當FDN-X 摻量為1.20%時， 標準稠度需水量由空白試件的54%下降至40%，減水率為25.93%。 當PC-NF 減水劑摻量為0.60%時，標準稠度需水量由空白試件的54%下降至33%，減水率高達38.89%。 由此可以看出，PCNF 減水劑的減水效果優(yōu)于FDN-X 減水劑。PC-NF減水劑低摻量就能達到較理想的減水效果，對脫硫石膏有較好的適應性。

圖3 FDN-X 摻量對脫硫石膏標準稠度需水量和減水率的影響

圖4 PC-NF 減水劑對脫硫石膏標準稠度需水量和減水率的影響

2.2 減水劑對脫硫石膏漿體流動度 （擴展直徑）的影響

料漿流動度是脫硫石膏漿體施工性能和施工質量的一個重要體現(xiàn)。 一般要求在盡可能減少用水量的前提下提高漿體的流動性， 對石膏基膠凝材料硬化體的致密性、 體積穩(wěn)定性及力學強度大有益處。 考察了FDN-X、PC-NF 兩種減水劑對脫硫石膏工作性能的影響，結果如圖5，6 所示。

圖5 FDN-X 對脫硫石膏漿體流動度（擴展直徑）的影響

圖6 PC-NF 對脫硫石膏漿體流動度（擴展直徑）的影響

減水劑的減水原理是通過減水劑靜電斥力或空間位阻效應，有效釋放漿體中石膏顆粒包裹的自由水，達到減水增強的作用。 也就是說若固定石膏膠凝材料的漿體稠度，增加減水劑的用量，會使?jié){體用水量減少；若固定漿體用水量，增加減水劑的用量，則隨減水劑摻量增加，漿體稠度會逐漸變稀，流動性增加。

由 圖 5，6 可 以 看 出 ，F(xiàn)DN-X 減 水 劑 摻 量 為1.50%時，石膏漿體擴展直徑由空白試樣的95 mm增加至230 mm，增幅為142.10%，PC-NF 減水劑摻量為0.75%時， 石膏漿體擴展直徑由空白試樣的95 mm 擴大至320 mm，增幅為236.84%，說明PCNF 減水劑對脫硫石膏工作性能優(yōu)于FDN-X 減水劑。 PC-NF 減水劑在低摻量時就會獲得較好的工作性能。

2.3 減水劑對脫硫石膏凝結時間的影響

凝結時間是脫硫石膏膠凝材料工作性能優(yōu)劣的重要工藝參數之一。 脫硫石膏的水化活性較高，水化進程較快，凝結時間迅速，為保證有足夠的施工時間，有時還需要添加適量相適應的緩凝劑來改善脫硫石膏的工作性能。合適的減水劑對脫硫石膏的工作性能起到關鍵作用。 考察了FDN-X 和PCNF 兩種減水劑對脫硫石膏凝結時間的影響， 結果見圖 7，8。

圖7 FDN-X 減水劑對脫硫石膏凝結時間的影響

圖8 PC-NF 減水劑對脫硫石膏凝結時間的影響

由圖7 可以看出，隨著FDN-X 減水劑摻量的增加，脫硫石膏漿體的初凝時間、終凝時間皆逐漸縮短，且摻量越大，這種作用效果越明顯。 當摻量為石膏質量的1.20%時，初凝時間和終凝時間分別比空白試件縮短70.59%和58.33%，漿體工作性能明顯劣化。 分析原因是FDN-X 減水劑中含有一定量的堿金屬離子，能夠加快脫硫石膏的水化進程，宏觀上表現(xiàn)為凝結時間縮短，對漿體工作性能造成很大的負面影響。

由圖8 可以看出， 脫硫石膏中摻加PC-NF 減水劑后， 凝結時間隨其摻量的增加呈逐漸延長趨勢。 當PC-NF 摻量為0.6%時，初凝時間和終凝時間分別為73 min 和133 min， 相比空白試件的初、終凝時間分別延長了329.41%和454.17%，漿體工作性能得到了明顯改善。 說明PC-NF 減水劑具有延長脫硫石膏凝結時間的作用，其原因是聚羧酸減水劑具有空間位阻效應，能夠延長石膏漿體的水化誘導期，延緩石膏的水化進程，從而起到了緩凝的作用。

2.4 減水劑對脫硫石膏力學強度的影響

脫硫石膏水化后形成二水石膏，二水石膏結晶體互相交叉連生，形成網絡結構，是石膏漿體硬化并具有強度的基礎。 硬化體的強度由二水石膏結晶體的數量、大小、單個接觸點的強度及單位體積內接觸點的多少決定[4]。 脫硫石膏比表面積大，漿體標準稠度需水量也大， 即使將水粉比降到40%以下，仍然大大多于理論水化需水量（18.6%）[5]，多余的水蒸發(fā)后又在硬化體內形成大量的孔隙，既影響脫硫石膏膠凝材料的力學強度，又影響硬化體的結構和晶體發(fā)育。 研究了FDN-X 和PC-NF 兩種減水劑對脫硫石膏力學強度的影響， 結果見圖9，10。

圖9 FDN-X 減水劑對脫硫石膏力學強度的影響

圖9 可以看出，隨著FDN-X 減水劑摻量的增加，脫硫石膏各養(yǎng)護齡期的抗折強度、抗壓強度皆呈上升趨勢。 摻量在0%～0.60%時，試件抗壓強度上升幅度較緩，摻量超過0.60%后，抗壓強度上升幅度較大， 當摻量為脫硫石膏質量的1.20%時，試件養(yǎng)護28 d 的抗折強度為6.91 MPa， 比空白試件4.36 MPa 提高 58.94%，抗壓強度為 27.51 MPa，較空白試件14.19 MPa 提高93.87%。

由圖10 可以看出，試驗范圍內，隨著PC-NF摻量的增加，試件各養(yǎng)護齡期的抗折、抗壓強度皆隨之提高。 當摻量為0.60%時，試件養(yǎng)護28 d 的抗折強度由空白試樣的4.36 MPa 提高至7.41 MPa，提幅為69.95%，抗壓強度由空白試樣的14.19 MPa提高到28.01 MPa，提幅為97.39%。

圖10 PC-NF 減水劑對脫硫石膏力學強度的影響

總之，上述兩種減水劑都能大幅度提高脫硫石膏的力學強度，但FDN-X 減水劑摻量相比PC-NF減水劑大得多，同等摻量下，F(xiàn)DN-X 減水劑的作用效果不及PC-NF 減水劑。

2.5 減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響結果分別見表 4，5。

表4 FDN-X 減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

表5 PC-NF 減水劑對脫硫石膏耐水性能的影響

由表4、5 可以看出， 隨著減水劑摻量的增加，各試件的抗折、抗壓軟化系數逐漸提高。當FDN-X摻量為1.20%時，抗折軟化系數由空白試件的0.73提高至0.95，提幅為30.13%，抗壓軟化系數由空白試件的0.62 提高至0.92，提幅為48.39%，質量吸水率由空白試件的16.22%降至7.43%， 降幅為54.19%。 PC-NF 摻量為0.60%時，抗折軟化系數由空白試件的0.73 提高至0.97， 提幅為32.88%，抗壓軟化系數由空白試件的0.62 提高至0.94， 提幅為51.61%，質量吸水率由空白試件的16.22%降至5.21%，降幅為67.88%。 說明減水劑摻入脫硫石膏漿體中減少了用水量， 提高了硬化體的密實度，降低了吸水率，減少了水對硬化體的溶蝕，從而提高了脫硫石膏膠凝材料的耐水性。

3 結論

（1）FDN-X 和 PC-NF 兩種減水劑都能有效降低脫硫石膏的標準稠度需水量。 摻量為0.60%時，F(xiàn)DN-X 試件標準稠度需水量為44%， 減水率為18.52%。PC-NF 試件標準稠度需水量為33%，減水率38.89%。

（2）減水劑摻量為0.60%時，F(xiàn)DN-X 試件漿體擴展直徑為205 mm，PC-NF 試件漿體擴展直徑為320 mm。PC-NF 減水劑明顯優(yōu)于FDN-X 減水劑。

（3）FDN-X 減水劑能夠縮短脫硫石膏的凝結時間，對其工作性能不利，PC-NF 減水劑能夠延長脫硫石膏的初、終凝時間，對脫硫石膏的工作性能非常有益。

（4）FDN-X 和 PC-NF 兩種減水劑都能不同程度提高脫硫石膏的力學強度。 摻量為0.60%時，F(xiàn)DN-X 試件抗折強度提高31.65%，抗壓強度提高26.49%，PC-NF 試件抗折強度提高69.95%， 抗壓強度提高97.39%。

（5）FDN-X 和 PC-NF 兩種減水劑都能不同程度地提高脫硫石膏的耐水性。 摻量為0.60%時，F(xiàn)DN-X 試件抗折軟化系數提高15.07%， 抗壓軟化系數提高29.03%，質量吸水率下降43.95%，PC-NF試件抗折軟化系數提高32.88%， 抗壓軟化系數提高54.84%，質量吸水率下降67.88%。