生石膏摻量及其比表面積對(duì)熟石膏性能的影響

梁云飛，梅書霞，李帆

（1.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.北新集團(tuán)建材股份有限公司，北京 100096）

0 前言

紙面石膏板是將石膏料漿連續(xù)澆注在2層護(hù)面紙之間，再經(jīng)過成型、切斷、干燥而成的一種建筑板材[1]。石膏料漿的流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間是影響石膏板成型的重要因素，受原料品質(zhì)、煅燒工藝、粒徑分布、各種外加劑及制備工藝等的影響[2]。現(xiàn)代化石膏板工廠的生產(chǎn)速率高達(dá)180 m/min[3]，為滿足生產(chǎn)需求，需要更高效的促凝劑。

目前，紙面石膏板生產(chǎn)的促凝劑主要有生石膏與硫酸鉀2種。硫酸鉀的作用是通過提高料漿中硫酸根離子的濃度，使其更易達(dá)到硫酸鈣析出的過飽和度，從而增加水化速度，縮短料漿凝結(jié)時(shí)間[4-6]，但鉀離子的含量高，會(huì)增大石膏板的吸濕性，損害護(hù)面紙與石膏芯的粘接性能[7]，也會(huì)降低紙面石膏板的強(qiáng)度[8]。采用生石膏作為促凝劑不會(huì)在體系中引入其他雜質(zhì)，也不會(huì)影響紙面石膏板的粘接性能。當(dāng)前，紙面石膏板生產(chǎn)具有高速化、連續(xù)化、智能化的特點(diǎn)，促凝劑是實(shí)現(xiàn)高速連續(xù)生產(chǎn)的必需外加劑。生石膏摻量與比表面積是實(shí)際生產(chǎn)中尤為重要的基本參數(shù)。本研究以料漿流動(dòng)性及凝結(jié)時(shí)間為指標(biāo)，探討生石膏摻量及比表面積對(duì)熟石膏性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

熟石膏：某石膏板廠生產(chǎn)，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 熟石膏的主要化學(xué)成分 %

生石膏：采用石膏板經(jīng)破碎、篩除護(hù)面紙后的石膏顆粒，通過球磨機(jī)粉磨后獲得，在石膏板生產(chǎn)中可作為促凝劑使用。比表面積為0.5~2.5 m2/g。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

參照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏 凈漿物理性能》、GB/T 17669.3—1999《建筑石膏 力學(xué)性能的測(cè)定》測(cè)試石膏料漿的凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度及強(qiáng)度。采用Quanta 250 FEG（INCA XMAX50）型環(huán)境掃描電鏡（能譜儀）觀測(cè)石膏顆粒的表面形貌。參照GB/T 19587—2004《氣體吸附BET法測(cè)定固態(tài)物質(zhì)比表面積》測(cè)試促凝劑的比表面積，所用設(shè)備為康塔Autosorb Station 4比表面積及孔徑分布分析儀。采用TAM Air8的八通道微量熱儀測(cè)試石膏的水化放熱。使用QXQM-2全方位行星球磨機(jī)制備不同比表面積的生石膏。

實(shí)驗(yàn)固定環(huán)境溫度23℃、相對(duì)濕度50%、水膏比為0.65。

2 結(jié)果與討論

2.1 生石膏摻量對(duì)料漿性能的影響

生石膏作為促凝劑，影響料漿流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度等，生石膏摻量（按占熟石膏質(zhì)量計(jì)）對(duì)料漿性能的影響見表2，其中生石膏比表面積為0.5953 m2/g。

表2 生石膏摻量對(duì)料漿性能的影響

由表2可以看出：

（1）隨著生石膏摻量的增加，料漿的凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，流動(dòng)度顯著減小。當(dāng)生石膏摻量為0.5%時(shí)，與未摻生石膏的空白樣相比，流動(dòng)度減小了10.5%，凝結(jié)時(shí)間縮短了70%以上；但隨著生石膏摻量進(jìn)一步增加，促凝效果提高率顯著降低。

（2）隨著生石膏摻量的增加，硬化體密度與強(qiáng)度均呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)生石膏摻量為0.5%時(shí)，與空白樣相比，硬化體的強(qiáng)度提高了30%以上，密度變化不大；當(dāng)生石膏摻量為1.5%時(shí)，硬化體強(qiáng)度較0.5%摻量時(shí)的顯著降低。

圖1為水化30 d石膏硬化體的SEM照片。

圖1 水化30 d石膏硬化體的SEM照片

由圖1可見，不摻生石膏時(shí)，石膏料漿的凝結(jié)時(shí)間長，晶體充足生長，多為長而厚的針狀，晶體間縱橫交錯(cuò)，相互搭接，但晶體間孔隙較大，因此硬化體的密度和強(qiáng)度較低。當(dāng)摻加0.5%~1.5%生石膏時(shí)，生石膏為半水石膏水化提供二水石膏晶種[4]，加速石膏料漿凝結(jié)，故晶體生長不充分，多為短小、細(xì)長的針狀，但晶體間搭接緊密，提高了硬化體的密度和強(qiáng)度[4]。當(dāng)生石膏摻量較高（1.5%）時(shí)，水化形成的片狀二水石膏晶體較多，晶體間搭接減少，硬化體的抗折與抗壓強(qiáng)度降低；另一方面，生石膏作為膠凝體系中的無效成分，摻量過高也會(huì)影響硬化漿體的力學(xué)性能。

綜上可知，隨著生石膏摻量的增加，料漿流動(dòng)度降低，凝結(jié)時(shí)間縮短；硬化體密度和強(qiáng)度先提高后降低。當(dāng)生石膏摻量適宜時(shí)，生石膏將晶種作用最大化，此時(shí)形成的二水石膏晶體呈細(xì)小針狀，晶體間搭接緊密，石膏硬化體強(qiáng)度最高。

2.2 生石膏比表面積對(duì)料漿性能的影響

不同比表面積生石膏的SEM照片見圖2。生石膏摻量為0.5%時(shí)，生石膏比表面積對(duì)料漿性能的影響見表3。

表3 生石膏比表面積對(duì)料漿性能的影響

圖2 不同比表面積生石膏的SEM照片（×20 000）

由圖2可以看出，比表面積為0.5953 m2/g的生石膏A顆粒較大，大部分粒徑為2~6μm，顆粒表面附著少量的微小顆粒；比表面積為1.1073 m2/g的生石膏B與比表面積為2.4004 m2/g生石膏C顆粒較小，大部分粒徑為0.2~1.0μm，相互堆積、團(tuán)簇，零散存在少量大顆粒。生石膏中只有這些微小的顆粒才能發(fā)揮晶種作用[9]。

由表3可以看出，隨著生石膏比表面積的增大，料漿的流動(dòng)度減小，凝結(jié)時(shí)間縮短，但促凝效果提高率顯著降低。生石膏比表面積為1.1073 m2/g時(shí)，料漿流動(dòng)度降低了10.53%，凝結(jié)時(shí)間縮短了約80%，與比表面積為0.5953 m2/g的相比，料漿凝結(jié)時(shí)間僅縮短了10%，與比表面積為2.4004 m2/g的相比，料漿凝結(jié)時(shí)間僅差3%。

比表面積對(duì)石膏水化放熱速率的影響如圖3所示。

圖3 比表面積對(duì)石膏水化放熱速率的影響

由圖3可見，摻入生石膏后，熟石膏的水化誘導(dǎo)期縮短，水化放熱速率峰值位置前移。其中，當(dāng)摻入生石膏A時(shí)，達(dá)到石膏水化放熱速率峰值的時(shí)間由24 min縮短至21.7 min；當(dāng)摻入生石膏B、C時(shí)，達(dá)到峰值的時(shí)間分別縮短至20.4、19.3 min；當(dāng)生石膏比表面積過大時(shí)（生石膏C），促凝效果提高率顯著降低，這與表3中凝結(jié)時(shí)間變化規(guī)律一致。一方面，生石膏顆粒越小，越易團(tuán)聚，不易分散，如圖2（c）所示，部分生石膏起不到晶種效果；另一方面，生石膏比表面積越大，與空氣接觸面越大，小顆粒越易被濕潤、溶解，降低或失去晶種作用[9]。生石膏B的比表面積最佳，既能高效地發(fā)揮促凝作用，滿足紙面石膏板連續(xù)高速的生產(chǎn)需求，又能避免促凝劑粉磨電耗過高而造成浪費(fèi)。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)生石膏比表面積為0.5953 m2/g時(shí)，隨著生石膏摻量的增加，料漿的凝結(jié)時(shí)間明顯縮短，流動(dòng)度顯著減小。當(dāng)生石膏摻量為0.5%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間縮短了70%以上，此摻量促凝效率最高。

（2）隨著生石膏摻量的增加，硬化體密度與強(qiáng)度均先提高后降低。當(dāng)生石膏摻量為0.5%時(shí)，與空白樣相比，硬化體抗壓、抗折強(qiáng)度提高了30%以上，密度變化不大。

（3）隨生石膏比表面積的增大，料漿流動(dòng)度降低，凝結(jié)時(shí)間縮短，但促凝效果提高率顯著降低。生石膏比表面積為1.1073 m2/g時(shí)，凝結(jié)時(shí)間縮短了約80%，促凝效果最好。

（4）當(dāng)生石膏比表面積為1.1073 m2/g、摻量0.5%時(shí)，能高效地發(fā)揮促凝作用，既能滿足高速生產(chǎn)要求，又避免因促凝劑過度粉磨而增加電耗，同時(shí)保證產(chǎn)品質(zhì)量。