重質(zhì)抹灰石膏制備及其性能影響因素研究*

鄒 燦，李明桂，史玉龍，楊昌力，李浩明

(貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

磷石膏是濕法磷酸生產(chǎn)過程中的固體副產(chǎn)物，其主要物相組成為CaSO4·2H2O，年產(chǎn)量達(dá)到7500萬t，但低利用率導(dǎo)致堆存量超過5億t，嚴(yán)重威脅周邊生態(tài)[1]。目前磷石膏利用方向集中在水泥緩凝劑、礦山填充等低附加值領(lǐng)域，經(jīng)煅燒制備的磷建筑石膏具有水化硬化性能，可廣泛用于生產(chǎn)石膏砌塊、紙面石膏板、抹灰石膏等高附加值建筑材料，增大磷石膏固體廢棄物資源化利用率[2]。近年來，抹灰石膏市場需求量持續(xù)增大，根據(jù)骨料種類可分為輕質(zhì)抹灰石膏、重質(zhì)抹灰石膏兩大類[3]。盡管輕質(zhì)骨料制成的抹灰石膏具有優(yōu)良性能，但考慮到部分地區(qū)的高運(yùn)輸成本使得輕骨料價格遠(yuǎn)高于砂石料，所以仍有部分企業(yè)采用機(jī)制砂作為骨料生產(chǎn)抹灰石膏。以往研究人員對抹灰石膏的研究主要集中于外加劑影響[4-6]，骨料在抹灰石膏強(qiáng)度構(gòu)成中作用極其關(guān)鍵，但針對骨料種類及細(xì)度性質(zhì)對重質(zhì)抹灰石膏性能影響研究較少。本試驗(yàn)通過考察三聚磷酸鈉、羥丙基甲基纖維素醚、砂骨料摻量對抹灰石膏性能影響規(guī)律優(yōu)化出在最佳配比，并且進(jìn)一步針對不同細(xì)度石英砂、機(jī)制砂對抹灰石膏性能影響進(jìn)行對比研究，為提高重質(zhì)抹灰石膏提供理論支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

磷建筑石膏來自貴州某化工企業(yè)，主要物相組成為半水硫酸鈣(燒石膏)。骨料為標(biāo)準(zhǔn)砂，廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司；石英砂，購自河南展鵬凈水材料；機(jī)制砂，取自貴州正和加氣混凝土有限公司，經(jīng)篩分得到三種細(xì)度范圍骨料。三聚磷酸鈉(AR)，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)品有限公司，羥丙基甲基纖維素醚(AR，粘度20萬)，上海臣啟化工科技有限公司。

1.2 制備方法

按GB/T28627-2012《抹灰石膏》標(biāo)準(zhǔn)要求測定抹灰石膏拌合物標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、硬化強(qiáng)度等物理性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 三聚磷酸鈉對抹灰石膏性能的影響

固定水膏比為0.38，不同緩凝劑摻量配制抹灰石膏物理性能測試結(jié)果見表1。

從表1可見，隨著三聚磷酸鈉摻量增大，抹灰石膏漿體的凝結(jié)時間延長，樣品的保水率及強(qiáng)度性能降低；當(dāng)三聚磷酸鈉摻量為0.6%時，樣品的凝結(jié)時間最長，但是其保水率與抗折抗壓強(qiáng)度最低，分別為69%、2.2 MPa、3.8 MPa。這是由于三聚磷酸鈉摻入影響抹灰石膏水化產(chǎn)物晶體形貌粗大，搭接程度降低所致[7]。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)GB/T28627-2012《抹灰石膏》中對凝結(jié)時間大于1 h的要求，及其經(jīng)濟(jì)性角度選擇三聚磷酸鈉的最適宜摻量為0.4%。

表1 不同三聚磷酸鈉摻量抹灰石膏的物理性能Table 1 Physical properties of plastering gypsum with different dosage of sodium tripolyphosphate

2.2 HPMC對抹灰石膏性能的影響

不同HPMC對抹灰石膏物理性能影響測試結(jié)果見表2。

表2 不同HPMC摻量抹灰石膏的物理性能Table 2 Physical properties of plastering gypsum with different HPMC content

從表2中可以看出，隨著保水劑摻量增大，抹灰石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增大，這是由于保水劑自身具有的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)吸附水分能力強(qiáng)，同時擁有較大的比表面積，導(dǎo)致達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)散度時需要的水分較多[8]。抹灰石膏的保水率增大，這是由于保水劑均勻分布在石膏顆粒間，與石膏共同組成牢固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高對水分的吸附[9]。當(dāng)保水劑摻量大于0.2%時，石膏的保水率達(dá)到90%，當(dāng)保水劑摻量繼續(xù)增大時，石膏的保水率無明顯變化。

抹灰石膏的7 d抗折、抗壓強(qiáng)度隨著保水劑摻量增大而降低，樣品的7 d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度隨著保水劑HPMC摻量的增大而增大，0.1%HPMC樣品的粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到1.2 MPa；隨著HPMC保水劑摻量繼續(xù)增大，硬化體的粘結(jié)強(qiáng)度也增大。因此根據(jù)物理性能及成本綜合考慮，選擇HPMC保水劑最宜摻量為0.1%。

2.3 磷建筑石膏/砂比對抹灰石膏理化性能的影響

固定三聚磷酸鈉0.4%、HPMC0.1%，不同磷建筑石膏(PBG)/砂比樣品的物理性能測試結(jié)果見表3。

由表3中可知，隨著抹灰石膏中砂含量增大，抹灰石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量逐漸降低，保水率增大，抹灰石膏漿體的初凝時間縮短，這是由于砂粒骨料中細(xì)砂部分在抹灰石膏起到滾珠潤滑的作用，從而改善抹灰石膏的流動度，在相同流動度時摻入水量更低，且骨料顆粒的粗糙表面為水化部分石膏提供晶體生長位點(diǎn)，從而隨著砂率增大，抹灰石膏的初凝時間逐漸縮短[10]；抹灰石膏的抗壓、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度隨著砂率的增大呈降低趨勢，而抗折強(qiáng)度隨砂率增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)PBG/砂比為1:1時，抹灰石膏抗折強(qiáng)度最高且達(dá)到2.5 MPa，抗壓、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度分別達(dá)到9.3 MPa、0.5 MPa。因此最宜PBG/砂比為1:1。

表3 不同磷建筑石膏/砂比抹灰石膏的物理性能Table 3 Physical properties of plaster gypsum with different PBG/sand ratio

調(diào)整三聚磷酸鈉緩凝劑摻量至0.5%(ω)，得到符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T28627-2012《抹灰石膏》中底層抹灰石膏性能要求的磷石膏基重質(zhì)抹灰石膏砂漿，其配比如表4所示，7 d絕干抗折、抗壓和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度分別為2.6 MPa、10.1 MPa和0.8 MPa。

表4 磷石膏基重質(zhì)抹灰砂漿優(yōu)化配比及其性能Table 4 Optimum proportion and performance of phosphogypsum based heavy plastering mortar

2.4 骨料種類及細(xì)度對抹灰石膏性能的影響

固定三聚磷酸鈉0.5%、HPMC0.1%、PBG/砂比為1:1，不同砂種類及細(xì)度對抹灰石膏物理性能影響測試結(jié)果見表5。

從表5中可以看出，其中隨著山砂骨料細(xì)度目數(shù)增大，其制備的干混砂漿的初凝和終凝時間均呈現(xiàn)縮短趨勢，而石英砂樣品初凝時間隨著細(xì)度目數(shù)增大而減小，終凝時間出現(xiàn)先減小后增大的趨勢，這可能是由于細(xì)骨料表面不規(guī)則從而在建筑石膏水化過程中充當(dāng)二水石膏晶體生長位點(diǎn)，縮短了水化反應(yīng)的結(jié)晶誘導(dǎo)時間[11]。在相同灰砂比條件下，山砂細(xì)度增大所得干混砂漿樣品的保水率越高；與之相反，石英砂制得樣品的保水率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。山砂制品中骨料越細(xì)，其抗折、抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但拉伸粘結(jié)強(qiáng)度則隨之減小；石英砂制得干混砂漿的抗折、抗壓、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度則基本與之相反，隨著細(xì)度增大，抗折、抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，而拉伸你粘結(jié)強(qiáng)度先增大后減小。

表5 砂種類對抹灰石膏物理性能的影響Table 5 Influence of sand types on physical properties of plastering gypsum

3 結(jié) 論

(1)實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出磷建筑石膏：骨料為1:1，外摻0.5wt%三聚磷酸鈉、0.1wt%羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)，得到符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的重質(zhì)抹灰石膏。

(2)大尺寸機(jī)制砂骨料縮短抹灰石膏砂漿的凝結(jié)時間，增大樣品保水率，機(jī)制砂越粗，樣品抗折、抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但拉伸粘結(jié)強(qiáng)度則隨之減?。皇⑸爸频媚ɑ沂嗟目拐?、抗壓、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度隨尺寸增大，抗折、抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢，而拉伸你粘結(jié)強(qiáng)度先增大后減小。