磷石膏基粘結(jié)石膏的制備及影響因素研究

吳超，楊林，曹建新，李瑋，李明桂

（1.貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州正和加氣混凝土有限公司，貴州 貴陽 550025）

0 前 言

磷石膏作為一種大宗固體廢棄物，其主要來自濕法磷酸廠排放，每生產(chǎn)1 t P2O5就會產(chǎn)生約5 t 磷石膏[1]。我國磷石膏年排放量接近8000 萬t，并有逐年增加趨勢，與天然石膏、脫硫石膏類似，主要成分是CaSO4·2H2O，但含有磷、氟、有機(jī)物等雜質(zhì)[2-3]。這些雜質(zhì)嚴(yán)重影響磷石膏資源化利用，大規(guī)模堆積磷石膏對生態(tài)環(huán)境造成難以修復(fù)的破壞[3-5]。因此，擴(kuò)展磷石膏資源化利用途徑具有重要意義。

粘結(jié)石膏采用建筑石膏作為主要膠凝材料，加入部分骨料、填料，再輔助適量添加劑均勻混合制得[6]，具有快凝、高早強(qiáng)的特征，能有效提高施工效率。日前，制備粘結(jié)石膏所采用的建筑石膏主要為脫硫建筑石膏。通常，脫硫建筑石膏輔以粉煤灰、水泥及外加劑可以制備出符合JC/T 1025—2007《粘結(jié)石膏》要求的粘結(jié)石膏，該產(chǎn)品的抗折、抗壓、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度分別達(dá)到6.0、18.5、1.15 MPa[7]。部分企業(yè)由于地理因素，考慮水泥及粉煤灰原料運(yùn)輸，會使得粘結(jié)石膏生產(chǎn)成本增加。建筑材料作為消納工業(yè)固廢的重要途徑，采用磷建筑石膏作為原料，不僅降低粘結(jié)石膏生產(chǎn)成本，還可以促進(jìn)磷化工產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。因此，本文通過研究不同外加劑及摻量對磷建筑石膏性能影響規(guī)律，為配制粘結(jié)石膏及優(yōu)化性能提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

磷建筑石膏（PBG）：貴州某濕法磷酸廠；α 高強(qiáng)石膏（α-HH）：鄭州鵬翼化學(xué)有限公司，2 種石膏的主要化學(xué)成分見表1，物理力學(xué)性能見表2，粒徑分布見圖1，PBG 和α-HH 的D50分別為16.5、20.5 μm。三聚磷酸鈉：AR，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司。羥丙基甲基纖維素醚粉末（HPMC）：貴州賽蘭博科技有限公司，黏度200 Pa·s。聚乙烯醇（PVA）：AR，上海臣啟化工科技有限公司。聚丙烯纖維：長度6 mm，江蘇耀華塑料有限公司。

表1 2 種石膏的主要化學(xué)成分 %

表2 2 種石膏的物理力學(xué)性能

圖1 2 種石膏的粒徑分布

1.2 試驗(yàn)方法

按照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏 凈漿物理性能的測定》測試石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量及凝結(jié)時(shí)間，并記錄振動擴(kuò)散直徑（165±5）mm 的加水量作為該樣品的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。按照J(rèn)C/T 1025—2007 測試粘結(jié)石膏的抗折、抗壓和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 三聚磷酸鈉對磷建筑石膏性能的影響

采用磷建筑石膏，固定水灰比為0.4，HPMC 摻量（按占磷石膏質(zhì)量計(jì)）為0.1%，不摻PVA，三聚磷酸鈉摻量（按占磷石膏質(zhì)量計(jì)）對磷建筑石膏性能的影響見表3。

表3 三聚磷酸鈉摻量對磷建筑石膏性能的影響

由表3 可知，隨著三聚磷酸鈉摻量的增加，磷建筑石膏的初凝和終凝時(shí)間逐漸延長，且初終凝時(shí)間差隨之增大；三聚磷酸鈉持續(xù)摻入，弱化硬化體的抗折、抗壓強(qiáng)度，且拉伸粘結(jié)強(qiáng)度也略微提高后顯著降低，在摻量為0.3%時(shí)，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最高，為0.6 MPa。這是由于三聚磷酸鈉摻量增大，其延長磷建筑石膏水化的同時(shí)也對其水化產(chǎn)物晶體形貌造成影響，使其由長針狀向短柱狀轉(zhuǎn)變，硬化體的搭接致密度降低，導(dǎo)致強(qiáng)度隨摻量增大而減小[8]。建議三聚磷酸鈉摻量為0.3%。

2.2 HPMC 對磷建筑石膏性能的影響

采用磷建筑石膏，固定三聚磷酸鈉摻量為0.3%，不摻PVA，HPMC 摻量對磷建筑石膏性能的影響見表4。

表4 HPMC 摻量對磷建筑石膏性能的影響

由表4 可知，隨著HPMC 保水劑摻量的增加，磷建筑石膏的用水量不斷增大，凝結(jié)時(shí)間略微延長，且抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但拉伸粘結(jié)強(qiáng)度逐漸提高。這是因?yàn)閾饺肜w維素醚在水中形成三維空間網(wǎng)絡(luò)，使得自由水不會迅速泌出，漿體稠度變大，樣品能夠水化充分[9-10]。但HPMC 摻量增加，石膏漿體所含過多自由水在蒸發(fā)后剩下孔隙，極其不利于石膏形成致密結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度下降[11]。建議HPMC 纖維素醚摻量為0.1%。

2.3 PVA 對磷建筑石膏物理性能的影響

采用磷建筑石膏，固定三聚磷酸鈉摻量為0.3%、HPMC摻量為0.1%，PVA 摻量（按占磷石膏質(zhì)量計(jì)）對磷建筑石膏性能的影響見表5。

表5 PVA 摻量對磷建筑石膏性能的影響

由表5 可知，PVA 摻量增加對磷建筑石膏保持初始標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量不利，尤其PVA 摻量為1.0%時(shí)，石膏的用水量較空白樣（見表4）增大10%，并且延緩凝結(jié)。隨PVA 摻量增加，石膏的抗折強(qiáng)度降低，抗壓強(qiáng)度先提高后降低再提高，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度先顯著提高后略有降低。PVA 摻量為0.8%時(shí)，石膏的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最高，為1.3 MPa，較摻量為0.2%時(shí)提高了44%。這是因?yàn)镻VA 分子摻入，其附在水化石膏晶體之間，水分蒸發(fā)后形成凝膠，低摻量可以起到填隙作用，增強(qiáng)晶粒間粘結(jié)力；當(dāng)摻量過多時(shí)，減少石膏晶體交互接觸，負(fù)面影響結(jié)合力，導(dǎo)致強(qiáng)度降低[12-14]。建議PVA 增稠劑摻量為0.2%。

2.4 聚丙烯纖維摻量對磷建筑石膏性能的影響

采用磷建筑石膏，固定三聚磷酸鈉摻量為0.3%、HPMC摻量為0.1%、PVA 摻量為0.2%，聚丙烯纖維摻量（按占磷石膏質(zhì)量計(jì)）對磷建筑石膏性能的影響見表6。

表6 聚丙烯纖維摻量對磷建筑石膏性能的影響

由表6 可知，當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.05%～0.40%時(shí)，石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量無變化，說明低摻量聚丙烯纖維對石膏的用水量無明顯影響。隨聚丙烯纖維摻量增加，石膏的凝結(jié)時(shí)間縮短，抗折強(qiáng)度先降低后提高再逐漸降低，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)榫郾├w維在石膏中發(fā)揮著橋梁的作用，摻量適宜時(shí)有利于提高石膏的抗折強(qiáng)度，過量摻入則不利于分散均勻，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。隨纖維摻量的增加，硬化石膏的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度逐漸提高，但是纖維對石膏的抗折、抗壓強(qiáng)度總體無明顯提升作用，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)慎重?fù)饺搿?/p>

2.5 α-HH 摻量對粘結(jié)石膏性能的影響

固定三聚磷酸鈉摻量為0.3%、HPMC 摻量為0.1%、PVA摻量為0.2%，不摻聚丙烯纖維，α-HH 高強(qiáng)石膏摻量（等質(zhì)量取代磷石膏）對粘結(jié)石膏性能的影響見表7。

表7 α-HH 摻量對粘結(jié)石膏性能的影響

由表7 可知，隨高強(qiáng)石膏摻量的增加，粘結(jié)石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量降低，且摻量40%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量較初始（見表6）降低了15%，降至最低值，即0.35，這是因?yàn)楦邚?qiáng)石膏的晶體缺陷較建筑石膏少，其自身標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量低于β 相。α-HH 摻量增加，粘結(jié)石膏的凝結(jié)時(shí)間變長，抗折和抗壓強(qiáng)度逐漸提高。這是因?yàn)楦邚?qiáng)石膏摻量較低時(shí)，β 相水化快并形成硬化體，提供強(qiáng)度主要部分；α-HH 摻量增加，其水化速率低于β 相，從而凝結(jié)時(shí)間延長，但石膏的強(qiáng)度主要部分來源于高強(qiáng)石膏水化[15]。石膏硬化體的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度隨高強(qiáng)石膏摻量的增加而提高，當(dāng)α-HH 摻量由10%增加至50%時(shí)，粘結(jié)石膏的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度從0.8 MPa 提高至1.3 MPa，提高了63%。這說明高強(qiáng)石膏的摻入可明顯提高其拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，高強(qiáng)石膏初始階段水化緩慢，但內(nèi)部孔隙被持續(xù)水化產(chǎn)物充填，提高晶粒間緊密程度，從而強(qiáng)度得到提高。

根據(jù)外加劑影響規(guī)律，最優(yōu)配比為磷建筑石膏與α 高強(qiáng)石膏質(zhì)量比為1∶1，三聚磷酸鈉、HPMC、PVA 摻量分別為石膏質(zhì)量的0.3%、0.1%、0.2%，制得的粘結(jié)石膏抗折、抗壓、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度分別為5.1、18.8、1.3 MPa，符合JC/T 1025—2007《粘結(jié)石膏》要求。

3 結(jié) 論

（1）三聚磷酸鈉摻量增加，磷建筑石膏凝結(jié)時(shí)間及初終凝時(shí)間差均隨之增大，低摻量時(shí)有利于力學(xué)性能的改善，但摻量持續(xù)增大，明顯降低硬化體的強(qiáng)度。纖維素醚的摻入對提高石膏的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度十分顯著，但是摻量增大會導(dǎo)致石膏抗折、抗壓強(qiáng)度降低。

（2）PVA 的摻入增大了石膏的標(biāo)稠用水量，抗折強(qiáng)度逐漸降低，抗壓強(qiáng)度則先提高后降低再提高，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度先提高后降低。聚丙烯纖維摻量增大，石膏用水量變化不明顯，抗折強(qiáng)度先降低后提高再逐漸降低，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度逐漸提高。

（3）高強(qiáng)石膏摻入明顯降低了粘結(jié)石膏的的標(biāo)稠用水量，因其自身凝結(jié)特點(diǎn)，可整體延長漿體的凝結(jié)時(shí)間，極大提高石膏的強(qiáng)度，并且一定程度上可減少緩凝劑和用水量。

（4）根據(jù)外加劑影響規(guī)律，最優(yōu)配比為磷建筑石膏與α高強(qiáng)石膏質(zhì)量比為1∶1，三聚磷酸鈉、HPMC、PVA 摻量分別為石膏質(zhì)量的0.3%、0.1%、0.2%，制得的粘結(jié)石膏抗折、抗壓、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度分別為5.1、18.8、1.3 MPa，符合JC/T 1025—2007的要求。