聚羧酸系減水劑和氫氧化鈣提高石膏強度的試驗研究

王藝霖, 逄魯峰

(山東建筑大學土木工程學院 ,山東濟南250101)

隨著“綠色建筑”概念的興起，石膏無污染、可循環利用等特點顯得更加突出，有望在建筑領域獲得更大的應用。但目前制約石膏制品應用的主要障礙之一是強度偏低，如何配制出高強度的石膏制品是需要著力研究的方向之一。

1 提高石膏強度的方法

石膏按生產工藝的不同，可分為多種類型。其中，a型半水石膏的晶粒較粗、比表面積較小，石膏硬化后孔隙率小、強度比較高[1]，俗稱為“高強石膏”。但它的強度還是很有限，需要在它的基礎上繼續開發更高強度的石膏制品。國內外學者對此已做了不少研究，方法主要包括兩大類。

1.1 摻入減水劑

由石膏硬化的基本原理可知，水膏比是影響石膏制品強度的關鍵因素之一。通過摻入各種減水劑可以降低水膏比，進而減小膠凝材料的孔隙率，提高膠凝材料密度，改善晶體聚集體結構，從而能顯著提高強度。例如，Koslowski等[2]配制了一種包括鈉鹽、烷基胺、藻朊酸鹽、銨和鎂鹽、谷蛋白等成分的減水劑，并驗證了對于提高石膏硬化強度的效果；曹宇[3]驗證了SM-F超干粉活性高效減水劑和萘系減水劑FDN的效果：在摻量比較小的情況下，SM-F超干粉活性高效減水劑的減水效果要優于FDN，但在加大用量時，FDN的效果更優越。在最佳摻量下，FDN可以使石膏體的強度提高60 %，SM-F可以提高100 %；屈志中[4]研究了另一種萘系減水劑C-3的作用，試驗表明C-3可以顯著降低水膏比，提高強度和耐水性，但流動性下降很明顯；張佳莉等[5]證明了高璜化度三聚氰胺(SM)可以有效地提高a型半水石膏的硬化強度，并加速水化。摻量為0.5 %時減水率最大，為15.6 %。

值得注意的是，目前對混凝土最為有效的減水劑之一——聚羧酸系減水劑在a型半水石膏中的應用還不多：萬秀琴等[6]通過試驗研究了聚羧酸系減水劑對于石膏強度的提高作用和吸水率的降低作用，但針對的不是a型半水石膏，而且試驗不夠完整，數據量不多；孫浩等[7]的研究針對的是建筑石膏(β型半水石膏)，毛玉成等[8]的研究針對的是模具石膏。

1.2 摻入增強劑

基本原理是讓一些能和石膏或者水發生反應的材料參與水化反應，通過一些物理或化學方面的效應來提高石膏硬化強度。例如，曹宇[3]證明了乳膠粉和SPT-100高性能增強劑都可以提高石膏的硬化強度：乳膠粉在摻量為0.2 %時能使a半水石膏水化硬化體2 h抗壓強度提高25.1 %，而SPT-100在摻量為0.5 %時能使2 h抗壓強度提高53.2 %。如果要提高石膏硬化后的抗折強度，可采用甲基纖維素作為增強劑：甲基纖維素摻量為0.3 %時，石膏硬2h抗折強度可達到9.2 MPa。

基于這兩個思路，本文將針對a型半水石膏，首先通過試驗來研究聚羧酸系高效減水劑對于硬化強度的提高作用，然后嘗試將氫氧化鈣作為一種新型增強劑，驗證是否能同樣提高石膏的硬化強度。

為了對比，先做純高強石膏的試驗。

2 純a型半水石膏的強度試驗

試驗中采用山東金信建材有限公司生產的a型半水石膏，純度大于95 %，晶體尺寸小于60 μm，標準稠度需水量為0.32。按照國標《建筑石膏力學性能的測定》GBT 17669.3-1999，采用三聯模進行試驗，能同時測定抗折強度和抗壓強度。

如果選用較大的水膏比(0.6)，漿體的流動性非常好，但測得2 h抗折強度僅為0.28 MPa，2h抗壓強度僅為0.61 MPa。可見，水膏比高的話，強度就很低。

如果將水膏比降低到0.4，則漿體的流動性變得較差，但強度提高，測得2 h抗折強度為1.82 MPa，2 h抗壓強度為3.96 MPa。

可見，如果是純a型半水石膏，由于流動性的限制，強度達不到很高。

3 添加聚羧酸系減水劑后的強度試驗

3.1 試驗情況

本試驗所選用的減水劑為聚羧酸系高效減水劑，由山東華迪建筑科技有限公司生產(型號為PC-3)，濃度為50 %，對混凝土的減水率為20 %。

(1)首先參照PC-3對混凝土的減水率20 %，將水膏比降低到0.48，同時摻入0.3 %的PC(配比為石膏1 500 g，水720 g，PC11.25 g)，則漿體很稀，流動性非常好。2 h抗折強度為0.70 MPa，2 h抗壓強度為1.46 MPa。

說明還可進一步降低水膏比。

(2)將水膏比降低到0.30(配比為石膏1 500 g，水450 g，PC11.25 g)，漿體仍有不錯的流動性，2 h抗折強度為2.63 MPa，2 h抗壓強度為7.86 MPa。

再將水膏比降低到0.25的話，漿體的流動性較差，為此增加PC-3的摻量到0.4 %(配比為石膏1 500 g，水375 g，PC15 g)，漿體流動性可，2 h抗折強度為3.08 MPa，2 h抗壓強度為12.13 MPa。

(3)為了進一步提高強度，將水膏比降低到0.2，此時摻加0.4 %的PC-3完全無流動性，一直要將PC的摻量提高到1 %(配比為石膏1 500 g，水300 g，PC37.5 g)才有少許的流動性，測得2 h抗折強度為6.85 MPa，2 h抗壓強度為25.45 MPa。如果進一步增加PC摻量到1.2 %，漿體仍是非常粘稠，強度出現了下降(2 h抗 折強度為4.6 MPa，2 h抗壓強度為17.39 MPa)。說明這種水膏比過小，靠增加減水劑用量已經不能有效改善流動性。

(4)為此，恢復PC用量到1 %，將水膏比提高到0.21(配比為石膏1 500 g，水315 g，PC37.5 g)，漿體仍比較黏，但流動性有改善，測得2 h抗折強度為6.38 MPa，2 h抗壓強度為24.26 MPa。

繼續增加水膏比到0.22，漿體的流動性更加改善，測得2 h抗折強度為5.95 MPa，2 h抗壓強度為20.23 MPa。

繼續增加水膏比到0.23，漿體的流動性較好，測得2 h抗折強度為5.85 MPa，2 h抗壓強度為16.13 MPa。

繼續增加水膏比到0.24，漿體的流動性好，測得2 h抗折強度為4.87 MPa，2 h抗壓強度為15.47 MPa。

繼續增加水膏比到0.25，漿體的流動性很好，測得2 h抗折強度為4.6 MPa，2 h抗壓強度為14.77 MPa。

(5)推薦配比是水膏比0.23的情況，即石膏1 500 g、水345 g、PC37.5 g。這種配比同時具有較好的流動性和較高的強度。

3.2 機理分析

由上可見，聚羧酸系減水劑確實可以提高a型半水石膏的強度，降低水膏比。從機理上來說，是聚羧酸系減水劑的多種活性基團提高了螯合能力和分散穩定性，能促使a型半水石膏形成網狀結構，從而提高了強度。

4 同時添加聚羧酸系減水劑和氫氧化鈣后的強度試驗

4.1 試驗情況

采用粉末狀的氫氧化鈣，按石膏與氫氧化鈣粉的比例為9∶1來摻入鈣粉。

(1)水膠比(此處的“膠”包括石膏和氫氧化鈣)取為0.25、PC摻量取為0.4 %(配比為石膏1 350 g、氫氧化鈣150 g、水375 g、PC15 g)

漿體的流動性非常好，測得2 h抗折強度為4.97 MPa，2 h抗壓強度為16.96 MPa。與上面不加氫氧化鈣的情況對比(水膏比相同)，發現氫氧化鈣替換部分石膏之后，強度獲得了提高，同時可以明顯減少減水劑PC的用量。

(2)為了獲得更高的強度，降低水膠比到0.22，同時增加PC摻量到0.5 %(配比為石膏1 350 g、氫氧化鈣150 g、水330 g、PC18.75 g)。

漿體的流動性可以，測得2 h抗折強度為5.88 MPa，2 h抗壓強度為25.92 MPa。與上面不加氫氧化鈣的情況對比(水膠比相同)，發現氫氧化鈣替換部分石膏之后，也提高了強度，同時減少了PC用量，說明這種配比同時具有較好的流動性和較高的強度。

(3)進一步降低水膠比到0.2， PC摻量保持為0.5 %(配比為石膏1 350 g、氫氧化鈣150 g、水300 g、PC18.75 g)

測得2 h抗折強度為7.47 MPa，2 h抗壓強度為30.98 MPa。與上面不加氫氧化鈣的情況對比(水膠比相同)，發現氫氧化鈣替換部分石膏之后，也提高了強度，同時減少了PC用量。

注意：這種配比雖然強度高，但漿體很粘稠，流動性較差，對于有些施工情況可能不太適用。為此可在保持水膠比不變的情況下增加PC的摻量到0.6 %(22.5 g)，則流動性顯著改善，同時2 h抗折強度為6.72 MPa，2 h抗壓強度為27.43 MPa。雖然比PC摻量為0.5 %的情況略有下降，但也比較高。

4.2 機理分析

由上可見，氫氧化鈣確實能起到增強劑的作用。從機理上來說，氫氧化鈣微溶于水，在石膏漿體中會形成氫氧化鈣膠體結構，顆粒很細(粒徑約為1μm)，比表面積很大(達10～30 m2/g)。這種膠體結構的表面會吸附一層較厚的水膜，從而可吸附大量的水，這樣一方面使得與a型半水石膏發生反應的水分減少，水膠比降低，提高了硬化強度；另外一方面使得整個石膏漿體具有較強的保持水分能力，即保水性好，提高了流動性。

5 結束語

(1)聚羧酸系減水劑對a型半水石膏同樣有效，可以顯著提高石膏強度、降低水膏比。推薦配比為：石膏1 500 g、水345 g、聚羧酸37.5 g(濃度為50 %)。這種配比的水膏比為0.23，具有較好的流動性，2 h抗折強度可達5.85 MPa，2 h抗壓強度可達16.13 MPa。

(2)氫氧化鈣替換部分石膏之后，可進一步顯著提高強度。說明氫氧化鈣確實是一種a型半水石膏的增強劑。推薦配比為：石膏1 350 g、氫氧化鈣150 g、水300 g、聚羧酸22.5 g(濃度為50 %)。這種配比的水膏比為0.2，2 h抗折強度為6.72 MPa，2 h抗壓強度為27.43 MPa。同時具有不錯的流動性。

(3)氫氧化鈣替換部分石膏之后(石膏和氫氧化鈣的質量比例為9∶1)，可顯著增強流動性，在同樣水膠比的情況下，明顯減少聚羧酸減水劑的用量。

例如，水膏比取為0.22時，摻加氫氧化鈣后PC摻量可取為0.5 %，而不用氫氧化鈣時需要PC摻量為1 %；水膏比取為0.2時，摻加氫氧化鈣后PC摻量可取為0.6 %，而不用氫氧化鈣時PC摻量達到1.2 %幾乎沒有流動性。

后續的研究工作主要包括：(1)進一步明確聚羧酸系減水劑對于a型半水石膏的減水率；(2)繼續深入探究氫氧化鈣提高強度、降低減水劑用量的機理；(3)研究確定氫氧化鈣的最佳摻量。

[1] Zhao Luo, Feng Lan Han, Xin Hua Huang, Alpha Hemihydrate Gypsum Preparationed by Atmospheric Pressure Salt Solution Method Process Route, Applied Mechanics and Materials, 2013,327: 23-27

[5] Koslowski. Th, Ludwig.U. The effect of admixtures in the production and application of building plasters. ZKG International, 1999, 52(5): 274-285

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