化學石膏用于自流平材料的研究簡述

楊成軍 梁海林 杜 旭 龔永艾 楊 敏(貴州大學化學與化工學院，貴州 貴陽 550003)

自流平材料是一種以無機或有機膠凝材料為基材，加入適量的骨料和減水劑、保水劑等外加劑復合形成的新型建筑地面自我流平材料[1]。其最大特點是自流平性，能在自身重力作用下自由流動形成平整的地面，可克服普通水泥砂漿施工時平整度難以控制的通病。

自流平材料組成中的主要基材不同可以分為有機系和無機系[1-2]。有機系自流平材料主要指環氧自流平材料，其獨特的化學結構和雙組分有機化合物使有機系自流平具有良好的物理機械性能和耐酸、油脂等化學品性能，已成為應用最普遍的自流平材料。無機系自流平材料可分為以水泥為基材的水泥系自流平材料和以石膏為基材的石膏系自流平材料。水泥系自流平材料強度高、流動度好，且耐水性能優異，在市場上得到廣泛認可。石膏系自流平材料具有較好的保溫隔熱、隔聲防火和耐久性等特點，與水泥基相比略顯彈性,自重輕腳感好、舒適度高[2-6]。石膏基自流平材料對石膏品質要求較高，但我國優質天然石膏較少，因此化學石膏系自流平具有較大的開發潛力和經濟效應。

1 化學石膏種類

1.1 磷石膏

磷石膏是磷肥廠等化工企業產生的固體廢棄物，每生產1 噸濕法磷酸約產生5 噸磷石膏，近幾年，我國年均排放的磷石膏已接近4000 多萬噸，磷石膏已成為我國排放量最大、利用率最高的工業廢渣之一。磷石膏除二水硫酸鈣主要成分外，還含有未分解的磷灰石、不溶性P2O5、共晶P2O5、氟化物及氟、鋁、鎂的磷酸鹽和硫酸鹽、有機物等雜質，是影響磷石膏性能的主要因素[7-10]。現階段磷石膏主要用于生產水泥緩凝劑、石膏磚、路基填料、石膏砌塊、石膏板、粉刷石膏、抹灰石膏以及制硫酸聯產水泥和改良土壤等。

1.2 脫硫石膏

脫硫石膏主要是火電廠對燃煤燃燒后產生的煙氣進行煙氣脫硫(FGD)凈化處理而得到的工業廢渣。國家規定所有燃煤企業必須采用脫硫技術處理二氧化硫。按1 噸產生約3 噸脫硫石膏計算，2011年由火電廠和工廠脫硫產生的脫硫石膏年排放量約2500 多萬噸，將成為化學石膏排放量最多的工業廢渣。脫硫石膏的主要成份是二水硫酸鈣，一般為88%～95%，主要雜質為碳酸鈣、亞硫酸鈣和氯化物等[4][9]。歐美發達國家對脫硫石膏進行研究和利用始于20 世紀70年代末，現已基本形成較完善的研究、應用體系，利用率高達80%～90%，我國對脫硫石膏的研究起步較晚，至今未能形成規模化開發利用[9]。脫硫石膏可應用于制備膩子粉、高強石膏粉、膠凝材料、粉刷石膏、做水泥緩凝劑，也可以應用于鋼結構防火涂料等領域。

1.3 氟石膏

氟石膏是氟化鹽廠利用熒石和濃硫酸反應制取氟化氫后排放的工業廢渣[5]。氟化鈣中二水硫酸鈣一般在75%以上，其中干法氟化鋁生產排放氟石膏的二水硫酸鈣含量超過95%，已達到優質天然石膏的標準[10]。我國每年氟石膏排放量100萬噸左右。氟石膏可以作水泥緩凝劑、礦化劑、陶瓷石膏模具、膠凝材料和生產石膏砌塊、石膏板等建筑材料[11-15]。

1.4 鈦石膏

由于歐美發達國家的少數幾家生產鈦白粉的企業壟斷，我國生產鈦白粉仍然采用硫酸法，用硫酸法生產鈦白粉產生大量的酸性廢水，鈦石膏就是用石灰中和處理廢水而產生的[15]。1 噸鈦白粉約產生5 噸左右鈦石膏，全國每年鈦石膏產量約100 多萬噸。鈦石膏的二水硫酸鈣一般為70%～85%，主要雜質為鐵、鋁、鈦、鉻。我國對鈦石膏的研究開發利用起步晚，目前主要有重慶大學和濟南大學等大學的部分專家研究鈦石膏的資源化利用，主要集中研究制備路基填料、水泥緩凝劑以及墻體材料等[15-16]。

1.5 檸檬石膏

檸檬石膏是以紅薯等原料生產檸檬酸時排除的副產品。每生產一噸檸檬酸約產生2.4 噸檸檬石膏，我國每年排放的檸檬石膏50 噸左右。檸檬石膏的主要成分二水石膏含量高達95%以上，除此之外，含有少量的猛、氟等雜質。目前主要應用于制備砌塊、紙面石膏板等墻體材料[17]。

1.6 其他化學石膏

除以上化學石膏外，還有硼酸廠排放的硼石膏、海水制鹽或淡化過程產生的鹽石膏[6]以及排放量較少的酒酸石膏、味精石膏、銅石膏、添加劑石膏、鉻石膏、芒硝石膏、乳酸石膏等。

2 化學石膏制備自流平材料的組成

化學石膏經預處理之后的主要成分含量、結構與天然石膏相近，以一定的配合比可復合成性能與天然石膏制備的自流平材料相近的石膏基自流平材料。常見的石膏基自流平材料成分如表1[3]。

表1 常見的石膏系SL 成分

日本是最早研究石膏基自流平材料的國家，最具代表的是日本住宅公團，隨后美國、韓國、德國等歐美發達國家也相繼開發出石膏基自流平材料。表2 是日本典型的石膏基自流平材料配方，表3 是典型石膏基自流平材料性能[17]。

表2 典型石膏基自流平材料配方

表3 典型石膏基自流平材料性能

3 化學石膏制備自流平材料的特點

化學石膏基SL 屬石膏系SL，可作為水泥基SL的替代品，除了具有良好的流動性，易于石膏，勞動強度低，不會產生離析、分層、泌水、起泡等不良現象，較好的平整度，抗壓、抗折、耐水性、耐磨性等物理性能較好，耐久性好，與基底粘結牢固、不空鼓，不易開裂、剝落等性能外，還應具有以下特點[18-19]：

1）地面致密光滑而不起灰，略有彈性、腳感好，相對水泥系自流平地面更舒適；

2）地面強度好，收縮率低，能夠滿足一般建筑地面的要求；

3）自流平地面無殘留化學藥品，無化學異味；

4）石膏硬化體含有大量結晶水，導熱系數較小，能夠在較高溫或發生火災時釋放出水蒸氣，提高地面的耐火性能及保溫性能；

5）初終凝時間與水泥相近，早期硬化體強度較好，養護周期適當，施工1-2 天內能夠上人；

6）石膏硬化體是一種多孔材料，當環境濕度較大時，呼吸孔能自動吸濕，相反則能自動釋放孔內水份，調整室內溫度及濕度，提高室內環境的舒適度；

7）化學石膏制備自流平材料能夠做到綠色環保無污染，不僅解決了化學石膏難利用的難題，加快化學石膏的資源化利用，而且能最大程度創造經濟價值。

4 制備化學石膏基自流平材料存在的問題

4.1 存在的問題

1)化學石膏預處理最有效的方法是水洗法，但水洗法會帶來二次污染。因此一般選用成本較低、無污染、效果好的石灰中和法，但化學石膏原材料來源、生產條件等影響，預處理時很難控制石灰的最佳加入量。

2)化學石膏成分較復雜，含雜質種類較多，含量雖少，但是嚴重影響化學石膏的性能。因來源、生產工藝等差異，不同企業排放的化學石膏，甚至同一企業不同時間段排放的廢渣成分也會存在較大差異，嚴重影響化學石膏的利用。

3)2007年以前，在我國，石膏系自流平尚無統一的國家或行業標準，因此到現在為止化學石膏制備自流平材料的研究因參照的標準不同，導致施工工藝、性能要求參差不齊，施工造價較高。

4)化學石膏基自流平地面材料的抗壓、抗折強度、耐水性、耐磨性等物理性能與水泥基自流平地面材料相比存在一定差距，僅限于住宅、超市等對強度要求不是很高的地面鋪筑。

5)部分化學石膏因來源、生產環境不同以及預處理工藝影響，含有少量有毒化學物質、放射性物質，嚴重制約消費者放心接受化學石膏基自流平材料的產品。

6)化學石膏一般為免費資源，是促進化學石膏制備自流平材料發展的動力，但是隨著化學石膏資源利用的不斷推進，當利用率提高后，供應也會相對緊張，可能會收費，影響研究和利用化學石膏制備自流平材料及其他副產品的積極性。

7)目前化學石膏預處理及添加劑、轉晶劑成本較高，導致與生產水泥基自流平材料成本基本相等，嚴重制約化學石膏基自流平材料的應用推廣。

8)國內經濟不發達，國民一般選擇成本較低的水泥砂漿直接鋪筑地面，這種材料還不太適合國情，加上施工工藝及設備較落后，自流平材料還未進入國民的視野。

4.2 改進方法

(1)化學石膏雜質是影響其應用的重要因素，深入研究雜質對自流平性能的影響，是加快化學石膏制備自流平材料的必經之路。

(2)選擇成本較低的預處理方式和添加劑類型，降低化學石膏基自流平材料的生產成本。

5 結論

化學石膏已經成為排放量最大的工業廢渣之一，尚未得到有效開發利用，占用了大量的土地且帶來環境污染。自流平材料作為一種新型材料，隨著設計部門和施工部門的深入了解和認識以及我國勞動力缺口不斷擴大，勞動強度低，舒適度高，穩定性好，保溫效果較佳，綠色環保無污染的化學石膏基自流平材料將逐漸進入國民的視野，在地面鋪筑材料方面起著越來越重要的作用，具有較好的經濟效益、環保效果，是一種極具前景的新材料。

[1]黎力,吳芳.自流平材料的應用發展綜述[J].新型建筑材料，2006(4)：7-11

[2]權劉權,李東旭.用磷石膏配制石膏基自流平材料研究[J].非金屬礦，2007,30(3)：19-22

[3]羅庚望.石膏系自流平材料的研究應用進展[J].硅酸鹽建筑制品,1993(1):38-40

[4]王天新,王順花,石宗利.磷石膏、脫硫石膏和氟石膏制備高強耐水石膏基復合輕質墻材[J].新型墻材，2008(12)：38-40

[5]李汝奕,李麗,曹作剛,成曉光.氟石膏基自流平地面材料的研制[J].建筑科學，2007,23(6):84-86

[6]龐英,楊林,楊敏,曹建新.磷石膏中雜質的存在形態及其分布情況研究[J].貴州大學學報,2009,26(3):95-99

[7]楊敏,錢覺時,王智,黃煜鑌.雜質對磷石膏應用性能的影響[J].材料導報,2007,21(6):104-106

[8]馬林轉,寧平,楊月紅,陳玉保.磷石膏預處理工藝綜述[J].磷肥與復肥,2007,22(3):62-63

[9]申士富,張連松,孫傳堯.脫硫石膏綜合應用研究[J].礦冶，2003,12(3)：49-51

[10]田京城.氟石膏的綜合利用現狀與展望[J].徐州工程學院學報，2005,20(1)：104-107

[11]紀羅軍，陳強.我國磷石膏資源化利用現狀及發展前景綜述[J].硫磷設計與粉體工程，2006,6:9-20

[12]席美云.磷石膏的綜合利用[J].環境科學與技術,2001,3:10-13

[13]胡忠.氟石膏開發利用的新進展[J].輕金屬，1999,7:17-21

[14]李汝奕,俞然剛,陳金平,成曉光.氟石膏廢渣在建筑材料中的應用[J].無機鹽工業,2005,12(37):43-46

[15]劉洪,郝朝陽,朱靜平.鈦白石膏的開發利用進展[J].礦產綜合利用,2011,1:35-36

[16]彭志輝,劉巧玲,彭家惠,萬體智.鈦石膏作水泥緩凝劑研究[J].重慶建筑大學學報,2004,1(26):93-96

[17]李俠,孔小霞,呂志勤.檸檬石膏開發利用的研究[J].山東建材,1998,4:12-14

[18]張凱,任婷艷,朱新鋒,楊海玉,張校申,楊家寬.國內工業副產石膏的排放及綜合利用現狀[J].新型墻材,2009,12:26-28

[19]Y.Erdogan 等.硼石膏在水泥工業中的利用[J].國外建材科技，1994,2(15)：52-54