RFC流化床焙燒熟石膏粉的性能研究

陶有生

生產(chǎn)不同性能和用途的石膏制品需要不同性能的熟石膏粉。熟石膏粉的性能除了與石膏原料的品種、組成、品質(zhì)有關(guān)外，還取決于焙燒工藝和技術(shù)。本文對RFC流化床焙燒熟石膏粉的物相組成進行分析，并介紹了RFC流化床焙燒熟石膏粉的性能、應(yīng)用范圍以及RFC流化床的焙燒機理。

1 RFC流化床焙燒的熟石膏粉物相分析

石膏制品的性能是由熟石膏中不同類型及性質(zhì)的脫水相遇水水化生成的不同性能二水硫酸鈣而形成的。由脫水相的種類、性質(zhì)，以及各相在熟石膏粉中所占比例而決定的。

1.1 石膏及其脫水相

從熱力學(xué)角度認為，石膏及其脫水產(chǎn)物都是CaSO4-H2O系統(tǒng)中的一個相。到目前為止比較公認的有5個相、7個變體：二水石膏DH（CaSO4·2H2O），半水石膏HH（α-CaSO4·1/2H2O、β-CaSO4·1/2H2O），過燒無水硬石膏AⅢ、AⅢ'（α-CaSO4、β-Ca－SO4），僵燒硬石膏AⅡ（CaSO4），硬石膏AⅠ（CaSO4）。

在常溫常壓下，能夠獨立存在的相只有4個：二水石膏、半水石膏、硬石膏AⅢ和硬石膏AⅡ。二水石膏在不同條件下加熱脫水，形成不同的脫水相。

據(jù)澳大利亞RBS速成建筑系統(tǒng)有限公司Franc Omahen介紹，熟石膏中不同程度的含有DH、HH、AⅢ、AⅢ'、AⅡ、AⅡn、AⅡm、AⅡs組分，其中HH占比最大，為主要成分。

每種脫水相由于形成條件不同、脫水轉(zhuǎn)變方式不同，具有不同的結(jié)構(gòu)與相產(chǎn)物性能。熟石膏中脫水相種類以及各相所占比例不同，使熟石膏粉的性能各不相同。

1.2 脫水相性能及其水化、硬化

1.2.1 半水石膏

二水石膏轉(zhuǎn)變成半水石膏后，其結(jié)構(gòu)發(fā)生2個變化：一是2個離子層之間的水分子丟失3/4的水；二是Ca2+與SO42-離子彼此錯動了位置，形成鈣、硫交錯層。半水石膏中形成直徑為0.3 nm的水溝成為水分子通道，使半水石膏極易水化。

半水石膏有α 型和β 型2種：α 型半水石膏由致密、粗大、完整的晶體組成，晶體形態(tài)多呈棒狀、柱狀、粒狀及針狀、纖維狀；β 型半水石膏由疏松、細小、不規(guī)則的晶粒組成。晶粒形態(tài)多呈鱗片狀、少量薄板狀。α 與β 半水石膏的晶體形態(tài)、分散度和內(nèi)表面積的不同導(dǎo)致兩者性能的差異。

1.2.2 過燒無水硬石膏

過燒無水硬石膏分α 和β 兩種形態(tài)（AⅢ、AⅢ'），由α 和β 半水石膏脫水而形成，其晶格與半水石膏相似。它與半水石膏的差別在層間的半水分子被脫出。結(jié)構(gòu)從三方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄怠?/p>

過燒無水硬石膏結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)表面積大。初始水化速度極快，但AⅢ+H2O→HH，HH+H2O→DH，使AⅢ總水化時間延長，強度發(fā)展慢、早期強度低，造成熟石膏粉性能不穩(wěn)定，因此須經(jīng)陳化，使其轉(zhuǎn)變成半水石膏后性能才能趨于穩(wěn)定。

過燒無水硬石膏的α 與β 形態(tài)在特性上也有一定差別，這和α、β 半水石膏的結(jié)晶形態(tài)以及比表面積不同有關(guān)。

AⅢ'可以回到CaSO4·1/2H2O狀態(tài)，有催化作用，可使CaSO4·1/2H2O更加活躍、強度提高。

1.2.3 僵燒無水硬石膏

僵燒無水硬石膏AⅡ是在40～1180 ℃唯一穩(wěn)定的相。其結(jié)晶結(jié)構(gòu)與天然硬石膏相同。在工業(yè)生產(chǎn)中，隨著焙燒溫度的不同，可產(chǎn)生與水反應(yīng)能力不同的僵燒無水硬石膏，有AⅡ、AⅡn、AⅡm、AⅡs，當(dāng)焙燒溫度超過600 ℃，而且時間較長，就會生成AⅡs、AⅡm相。僵燒無水硬石膏的晶體結(jié)構(gòu)較其它種類的石膏牢固，具有較高的熱穩(wěn)定性，活性很低，溶解速度較慢，水化硬化能力較差，強度極低。

1.2.4 脫水相的水化硬化

脫水相的水化活性順序為：AⅢ＞HH＞AⅡ；凝結(jié)速度順序為：HH＞AⅢ＞AⅡ；早期強度順序為：HH＞AⅢ＞AⅡ

1.3 不同焙燒工藝及裝備焙燒的熟石膏相組成（見表1）

表1 不同焙燒工藝及裝備焙燒的熟石膏相組成%

從表1看出：

（1）焙燒工藝和裝備不同所生產(chǎn)的熟石膏中脫水相的種類和各脫水相所占比例不同，差別很大。

（2）除RFC流化床焙燒的熟石膏是單一的β 相以外，其他焙燒爐所焙燒的熟石膏都是混合相。

（3）RFC流化床焙燒的熟石膏中HH含量高，是所有現(xiàn)有焙燒工藝中最高的，而其他脫水相含量極低。

世界各國生產(chǎn)使用的熟石膏有單相的，也有混合相的。歐洲普遍使用混合相熟石膏；美國多使用單一相熟石膏；德國既使用混合相熟石膏也使用單一相熟石膏；我國主要使用混合相熟石膏，以α 相為主的單一相熟石膏也有使用。但這些混合相熟石膏的物理力學(xué)性能和使用效果均不及RFC流化床焙燒的熟石膏。影響這些混合相熟石膏性能的是其中存在的AⅢ、AⅡ和殘留的DH，它們使熟石膏性能不穩(wěn)定。

澳大利亞RBS速成建筑系統(tǒng)有限公司Franc Omahen的研究認為：AⅡs脫水相最有害，它遇水溶解不凝結(jié)。在常溫下使它轉(zhuǎn)變成CaSO4·2H2O時間很長，在潮濕條件下，時間長會吸水膨脹，產(chǎn)品在夏季易發(fā)生崩裂和墻面裂縫。

一般來說，所有焙燒爐（裝置）所焙燒的熟石膏中均含有不同數(shù)量的AⅡ相。在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，有時會達到6%～7%，對于直燃回轉(zhuǎn)窯可能達到5%～20%，因為直燃回轉(zhuǎn)窯的燃燒溫度經(jīng)常超過600 ℃。單一相的熟石膏中有時也存在。RFC流化床焙燒的熟石膏中AⅡ相極少，幾乎為0。

為了消除這些脫水相對石膏制品生產(chǎn)和使用性能造成不利影響。在熟石膏的工業(yè)生產(chǎn)過程中，通常在焙燒工序后面增設(shè)陳化工序，使AⅢ、DH相在一定條件下迅速轉(zhuǎn)變成HH相，比表面積下降，初始水化速度減慢，凝結(jié)時間趨于正常，強度得到提高，但陳化不能克服AⅡ帶來的不利影響。

2 RFC流化床焙燒熟石膏粉的性能

RFC流化床焙燒的熟石膏粉的物理力學(xué)性能見表2。

表2 RFC流化床焙燒的熟石膏粉的物理力學(xué)性能

目前，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的石膏焙燒工藝及設(shè)備有各種炒鍋、回轉(zhuǎn)窯、沸騰爐、彼特磨、立磨、快速氣流爐等。不同焙燒工藝焙燒的熟石膏粉物理力學(xué)性能見表3。

表3 不同焙燒工藝焙燒的熟石膏粉物理力學(xué)性能

從表2、表3可以看出：

（1）RFC流化床焙燒的熟石膏粉初凝、終凝時間都比其它工藝焙燒的熟石膏粉長。這表明在使用時可少加或不加緩凝劑。

（2）RFC流化床焙燒的熟石膏粉抗壓強度比其它工藝焙燒的提高50%甚至1倍。因此，欲獲得相同強度的制品，其用量可減少。

（3）石膏焙燒爐型（焙燒工藝）對所生產(chǎn)的熟石膏粉性能影響極大。

3 RFC流化床焙燒的熟石膏粉的應(yīng)用

RFC流化床焙燒的熟石膏粉可用于以下領(lǐng)域：配制粉刷石膏；生產(chǎn)紙面石膏板；生產(chǎn)石膏空心隔墻板；生產(chǎn)RBS石膏空心大板；生產(chǎn)石膏砌塊；生產(chǎn)石膏裝飾件；制作衛(wèi)生陶瓷模具；制作自流平地坪；用于礦井噴錨、支護等。

3.1 RFC流化床焙燒的熟石膏粉生產(chǎn)紙面石膏板

采用RFC流化床焙燒的熟石膏粉生產(chǎn)紙面石膏板具有以下優(yōu)點：熟石膏粉的抗壓強度高，可節(jié)省30%的β 熟石膏粉；標(biāo)準(zhǔn)稠度減?。ㄋ冶刃。?，可節(jié)省30%的烘干能耗；可摻加30%的粉煤灰；可降低石膏板30%的面密度，使9.5 mm的紙面石膏板的面密度降低至6 kg/m2以下，從而可降低30%的運輸費用；可提高產(chǎn)能30%。采用RFC流化床焙燒的熟石膏粉生產(chǎn)紙面石膏板可降低生產(chǎn)成本，提高收益率。

3.2 RFC流化床焙燒的熟石膏粉配制粉刷石膏

在配制粉刷石膏時可以添加不少于70%的粉煤灰，其具體摻量視粉煤灰品質(zhì)通過試驗而定。用30%的流化床焙燒熟石膏摻加50%粉煤灰和20%的砂配制的粉刷石膏完全可以滿足我國市場需求。

采用澳大利亞天然石膏在RFC流化床中焙燒的熟石膏粉摻加不同摻量大同發(fā)電廠低品質(zhì)粉煤灰，抗壓強度如表4所示。

表4 粉煤灰摻量對粉刷石膏抗壓強度的影響

從表4可以看出：

（1）在RFC流化床焙燒的熟石膏粉中摻加不同比例的低品質(zhì)粉煤灰，其抗壓強度均達到德國可耐福粉刷石膏產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。摻加30%粉煤灰時絕干抗壓強度為15.90 MPa，如果摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰其強度會更高，可高于德國粉刷石膏產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）在RFC流化床焙燒的熟石膏粉中摻加70%粉煤灰時，其絕干抗折強度可滿足德國可耐福P114產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求和德國粉刷石膏標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）在粉刷石膏中加入甲基纖維素可提高其抗折強度。

3.3 RFC流化床焙燒的熟石膏粉鋪筑自流平地坪

地坪用材料需要有15 MPa以上的抗壓強度，用其它焙燒設(shè)備生產(chǎn)的β 石膏抗壓強度一般達不到15 MPa，常常采用混合相，如采用β+α 或添加更多外加劑。如果用無水石膏或α石膏雖可達到要求，但無水石膏的凝結(jié)時間比水泥還長，而α石膏的價格太高。

RFC流化床焙燒的熟石膏粉完全可以滿足自流平地坪的要求，用澳大利亞天然石膏經(jīng)流化床焙燒后配制的自流平地坪石膏粉，凝結(jié)時間1 h，經(jīng)1 d后的抗壓強度達25 MPa，干燥后達30 MPa，2～3 d就達到德國可耐福標(biāo)準(zhǔn)的28 d抗壓強度要求。

3.4 RFC流化床焙燒的熟石膏粉制作衛(wèi)生陶瓷模具

制作衛(wèi)生陶瓷模具用石膏不僅要求強度高，還要求有適合的標(biāo)準(zhǔn)稠度、吸水率以及使用次數(shù)和使用多次以后的吸水率、吸水速度。

RFC流化床焙燒的熟石膏粉密度適中、吸水速度適宜、漲縮性好。在陶瓷模具中所表現(xiàn)的性能優(yōu)于α 石膏或α+β 石膏。不僅均勻性好，更能滿足座便器中座圈兒對均勻度的要求。用RFC流化床焙燒的熟石膏粉生產(chǎn)70件陶瓷以后，模具還很新。

3.5 RFC流化床焙燒的熟石膏粉制作RBS速成墻板

RBS速成墻板是澳大利亞RBS速成建筑系統(tǒng)有限公司基于RFC流化床焙燒的熟石膏粉而研發(fā)的一種新型多孔空心建筑墻板，尺寸為12 000 mm×3000 mm×200 mm。使用時，根據(jù)建筑設(shè)計圖紙從大板上切鋸出所需規(guī)格、尺寸的墻體構(gòu)件，再運至施工工地，現(xiàn)場組裝成裝配式建筑。

4 RFC流化床焙燒的熟石膏機理分析

石膏晶包（CeLL）形狀呈六面體，前面介紹的5個獨立的石膏相，其晶體結(jié)構(gòu)各具特色。它們決定著各個相的特性，如密度、溶解度、光學(xué)、電學(xué)、熱力學(xué)和力學(xué)性能。

RFC流化床焙燒的熟石膏物理力學(xué)及使用性能優(yōu)于其它爐型焙燒的，這是因為：

（1）石膏結(jié)晶成六面體。目前現(xiàn)行的焙燒工藝及裝備所焙燒的熟石膏的結(jié)晶晶體的角度與焙燒前一樣，沒有發(fā)生變化。

（2）物理學(xué)上，結(jié)晶體的潛能不同，經(jīng)RFC流化床焙燒的熟石膏晶體的角度發(fā)生改變，改變了角度的晶體貯了更多的潛能。

（3）CaSO4·1/2H2O+H2O→CaSO4·2H2O是放熱反應(yīng)，反應(yīng)放熱量越多，溫度就越高，活性越高，強度也越高。其它性能與此成正比。RFC流化床焙燒的熟石膏水化反應(yīng)溫度達38～50℃，而法國和泰國所生產(chǎn)的熟石膏反應(yīng)熱僅32 ℃。這亦表明了RFC流化床焙燒的熟石膏的物理力學(xué)和使用性能比其他爐型所焙燒的熟石膏優(yōu)越的原因。

（4）二水石膏在穩(wěn)定的（150±1）℃環(huán)境中，較長時間流化懸浮焙燒，所獲得的脫水β 相組成單一、穩(wěn)定。晶體結(jié)構(gòu)均為排列一致、遇水反應(yīng)、分布非常均勻，瞬間放熱速度和釋放能量一致。