建筑石膏相關外加劑研究及經濟效益分析

姚毅惠,趙志曼,劉育成,張文佳,郜　峰

(昆明理工大學　建筑工程學院,云南　昆明　650500)

建筑石膏相關外加劑研究及經濟效益分析

姚毅惠,趙志曼,劉育成,張文佳,郜峰

(昆明理工大學建筑工程學院,云南昆明650500)

[摘要]適宜的外加劑能大大地改善各類石膏的性能,本文主要概括了脫硫石膏、磷石膏、天然石膏及其他石膏類型的外加劑的研究現狀,并具體分析了其經濟效益。

[關鍵詞]外加劑；各類石膏；經濟效益

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.04.133

石膏有著多種用途,將其用作建筑材料也有一些歷史了,但一直都用的是性質穩定的天然石膏。隨著我國工業經濟的飛速發展,產生了越來越多的工業副產物,如生產磷化肥的副產物之一磷石膏、對含硫材料燃燒后處理的副產物之一脫硫石膏等。近年來,我國一直在強調循環經濟的發展模式,這些副產石膏產量大、污染重,將其作為建筑材料來使用,正符合循環經濟的發展之道。但是,這些副產石膏與天然石膏性質不同,它們都含有較多有機雜質,性質不穩定,并且力學性能較差。而適合的外加劑則能改善各種副產石膏的性能。本文基于相關文獻,總結概括了相關石膏外加劑的研究現狀,并對其經濟效益進行了分析。

1主要建筑石膏

1.1脫硫石膏

脫硫石膏是對對含硫材料燃燒后產生的煙氣進行脫硫凈化處理后得到的一種工業副產石膏。脫硫石膏目前在建筑方面有多種用途,如脫硫建筑石膏砌塊、脫硫石膏粉刷抹面、脫硫石膏基材料等。

在提高脫硫石膏性能的時候,可以通過添加復合外加劑的方式。廖琳[1]等人將含量為1.74%的包含緩凝組分、保水組分、減水組分的自配添加劑,同時添加含有氧化硅、氧化鋁、氧化鈣等成分的無機材料,配制成PW-G型脫硫石膏專用外加劑,使其水化產物晶體緊密,形狀良好,晶體結構變為非常規則的幾何形狀。因此使其強度、保水性等性能得到了提升。劉民榮[2]等人將自配的聚乙烯醇乳液與檸檬酸、三聚氰胺化學試劑通過正交試驗后得出復合外加劑的最佳配比為檸檬酸摻量為0.06%,三聚氰胺摻量為1.0%,聚乙烯醇乳液摻量為5.0%。同時講述了檸檬酸通過與溶液中的Ca+離子生成檸檬酸鈣不容沉淀物,來延緩晶體生長的緩凝機理；作為陰離子表面活性劑的三聚氰胺在脫硫石膏顆粒表面產生吸附,使固體顆粒在液相中的分散性能和硬化體的孔結構得到改善的提高強度和防水性能機理；作為有機高分子物質的聚乙烯醇乳在脫硫石膏制品中能形成具有阻水作用的不規則網膜,填充石膏晶體間的孔隙之中,降低孔隙率,從而提高其強度和防水性能機理。脫硫石膏砌塊是目前應用較多的一種建筑制品,砌塊的最主要功能是承重,則如何提高脫硫石膏砌塊的強度就是重點。

當添加明礬、Na2SO4或Na2CO3為0.5%時,可使砌塊的抗壓強度得到明顯的提升,其機理在于鹽類外加劑可以在脫硫石膏顆粒表面不斷生成二水石膏,二水石膏又不斷的結晶,并填充砌塊中的孔隙,使其孔隙率降低,進而提升砌塊的強度[3]。通過微觀分析,可以看到,脫硫粉刷石膏初期主水化反應比較緩慢,其主體為短柱狀的二水石膏,并摻雜著少量的絮狀沸石、纖維狀及網絡狀水化硅酸鈣及片狀的Ca(OH)2,同時還存在著少量的針狀的Aft。當摻加相應的礦物原料及外加劑時,脫硫粉刷石膏的水化反應加劇,晶體形狀及結構變得緊密,由短柱狀變為圓柱狀,使得其能成功制成脫硫粉刷石膏[4]。趙煥起[5-6]等人在研究脫硫石膏抹面材料的外加劑時發現,在綜合了緩凝效果及力學性能后,在硼砂、六偏磷酸鈉和檸檬酸這三種緩凝劑中,綜合性能最好的是摻量為0.18%的六偏磷酸鈉。在摻加主要由有機硅防水劑和有機乳液等按照一定比例復合配制而成的復合防水劑0.32%后,脫硫石膏主要水化產物為較細的棒狀長方體和針狀體的二水石膏,并且使脫硫石膏晶體之間的間隙變小,同時防水劑微粒可有效填充脫硫石膏晶體的孔隙,使脫硫石膏力學強度得到提高,吸水率下降,使滿足脫硫石膏抹面材料對防水性能的要求。

在通過對Retardan、檸檬酸、檸檬酸鈉和六偏磷酸鈉這四種緩凝劑對脫硫石膏的緩凝機理進行研究之后,并進行一系列的實驗驗證后,曹青[7]等人發現在緩凝效果方面,Retardan>檸檬酸>檸檬酸鈉>偏磷酸鈉,再結合添加緩凝劑后試塊的強度,確定Retardan為最佳緩凝劑。位建強[8]等人在進行脫硫石膏-粉煤灰-礦粉復合膠結材改性研究時發現,0.8%的陰離子型FDN萘系減水劑的減水效果最明顯,同時,乳膠粉使脫硫石膏的泌水和泛霜現象得到了明顯改善,而作為早強劑的硅酸鈉不僅能提高脫硫石膏的強度,而且也能使其泛霜現象得到改善。粉刷石膏也是脫硫石膏的一種重要的用途,通過添加緩凝劑可以使其的凝結時間延長,便于施工,并且有機酸類緩凝效果比蛋白類緩凝劑效果強；添加保水劑能有效地避免料漿中的水分過多地轉移到基層墻體上,從而造成縫、空鼓、剝落等質量問題,在這其中,纖維素類保水劑效果最好。

1.2磷石膏

磷石膏是在生產產濕法磷酸時排放出的副產物,具有刺鼻的氣味,長期堆積在地面,會造成周圍環境污染,同時有毒物質滲入土壤后,會引起附近的地下水變質,植被死亡。并且我國每年都會排放大量的磷石膏,而將磷石膏制備成建筑石膏,將其變廢為寶。磷石膏與天然石膏雖都是石膏,卻不盡相同,天然石膏內部晶體結構呈不規則的球狀、粒狀、鱗片狀等多樣化,顆粒粒徑主要分布在20～80μm,所占比例為82.4%,級配穩定又合理,而磷石膏的內部晶體結構則為粗大的板狀、菱狀結晶,同時顆粒粒徑在60μm以下所占比例為92.5%,級配不合理,平均粒徑偏小,并且含有磷、氟、有機物等雜質,這些因素都會影響磷石膏的性能,使其與天然石膏有很大的差距[9-11]。因此,就需要通過添加外加劑來改善磷石膏的性能,使得磷建筑石膏制品能夠達到規范要求。楊家寬[12]等人在制備以石硝為骨料的磷石膏蒸壓磚時發現,添加自配的復合外加劑后,磷石膏的水化反應加快,而水化反應生成的高強托勃莫來石包裹著磷石膏和石硝,進而致密的結構,提高其強度。

俞波[13]等人發現添加適量TJ-2后,由于它易溶于水,在水化反應后,能生成活性更高、顆粒更細的二水石膏,進而增強非煅燒磷石膏砌塊的早期強度。粉刷石膏也是磷石膏的一種重要的用途,通過添加緩凝劑可以使其的凝結時間延長,便于施工,緩凝劑能延緩磷石膏的溶解速度,降低溶液的過飽和度,阻滯晶核的形成和晶體的生長,來達到緩凝的效果；添加保水劑能有效地避免料漿中的水分過多地轉移到基層墻體上,從而造成縫、空鼓、剝落等質量問題,在這其中,纖維素類保水劑效果最好[14-15]。對于磷石膏基建筑膩子,添加纖維素醚和膠粉后,保水率和強度都有提高,當單獨摻加有機硅增水劑也可達到相同的結果[16]。

1.3天然石膏

石膏是一種歷史悠久的多功能氣硬性膠凝材料,與水泥和石灰統稱為三大膠凝材料。它有著質輕、耐火性好等優點,但也有著凝結速度快、強度低、耐水性差等缺點。外加劑的添加會對石膏的性能產生影響。以黃姜水解提取皂素后廢渣為原料配制成的木質素磺酸鈉-丙烯酰胺接枝共聚物的綠色外加劑可促進石膏晶體以片狀形式生長發育,使石膏的力學性能提高,以酸性鹽存在的檸檬酸雖然緩凝效果很好,但對石膏的強度損失很大[17-21]。

以聚乙烯醇與硬脂酸共同乳化所得的有機乳液防水劑為基礎,同時添加由明礬石、萘磺酸鹽醛類縮合物組成的鹽類防水劑配制成的復合防水劑,改變了石膏晶體的結構,使晶體的各個面的生長速度相近,從而生成六方短柱狀晶體,從而降低吸水率,增加強度[22]。在添加木質素磺酸鈣時,其分子均勻分散吸附在石膏顆粒的表面,減少了石膏的標準稠度用水量,進而減少了因水分蒸發而留在石膏內的孔隙,提高其強度[23]。粉刷石膏[24-26]是石膏很重要的用途之一,它的生產和應用,克服了傳統粉刷材料的不足,以二亞乙基三胺五乙酸的五鈉鹽為主制成的SC緩凝劑比單一的檸檬酸、酒石酸等緩凝劑的緩凝效果好,增強其流動性,并且對石膏強度損失也比較小。

保水劑的添加可以防止漿體上墻后的垂掛,及水分大量蒸發引起的墻面開裂等問題,常用的主要有：甲基纖維素(MC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)、羥乙基甲基纖維素(HEMC)等。富含羰基和羧基的有機聚合物制配成的改性劑,能夠改善粉刷石膏的凝結時間、黏結力、保水性。

2其他類型的建筑石膏

氟石膏[27-30]是工業上用螢石(CaF2)與濃硫酸反應生成氟化氫后得到的副產物,每生產1t的氟化氫大約需要排出3.6t氟石膏廢渣。它的特點是強度低、凝結速度慢等,因此需要添加合適的改性劑才能使其成為可用的建筑石膏。氟石膏是沒有活性的,在添加鹽類激發劑后,可增大無水石膏溶解度,并進一步促成復鹽生成二水石膏完成再結晶的過程,達到提高氟石膏強度的目的。激發劑的主要類型有明礬、硫酸鈣等,摻量不同,效果也就不同。添加減水劑可以減少施工過程中水的用量,節約水資源,同時減少留在氟石膏中的水分子,增加其強度,在常用的苯系減水劑、氨基磺化系減水劑、磺化三聚氰胺系減水劑、多聚羧酸系減水劑等中,發現多聚羧酸系減水劑隨著摻量的增加減水效果最明顯。而每種減水劑在達到一定的摻量后,氟石膏的強度會隨著減水劑摻量的增加而減小。

為了保證氟石膏充分水化,避免開裂等現象的發生,需要添加保水劑,無機保水劑相對有機保水劑成本較低,把有機保水劑與無機保水劑以一定的比例復配得到的保水劑效果更好,經濟性也好。AK糖石膏[31]是生產乙?；前匪徕浀墓I副產石膏,在適宜的煅燒強度下,其能轉化為膠凝性能較好的β型石膏,在減水劑方面,KAl(SO4)2·12H20、NaHSO4與LK聚羧酸減水劑復配的效果比單摻增強劑更好。

3外加劑的經濟效益分析

我國不僅具有豐富的天然石膏資源,同時每年會產生大量工業副產石膏,但是,由于其性能復雜,添加外加劑是改善所有石膏制品性能的重要途徑。在如今的建材市場中,大力發展新型建材,石膏類建材具有質輕、隔音性好、隔熱性好等優良性能,將工業副產石膏用于建筑材料,既解決了其堆放及污染環境等問題,也符合我國目前循環經濟的發展趨勢。綜上兩點,石膏類外加劑具有巨大的市場潛力。

添加減水劑,最直接的經濟效益是減少水的用量,降低成本,水是大自然最寶貴的資源,添加減水劑后帶來的環境效益是不可小覷的,同時,使用減水劑后,石膏制品中的水含量就會減少,這將大大減少石膏制品的拆模時間,為企業增加利潤；添加緩凝劑,可以延長石膏制品的緩凝時間,方便其施工,為相關企業節約人、物等資金；添加保水劑,可避免墻面干裂、脫落等問題,為后期的質量檢驗及維修節約資本。

4結論

建筑石膏的外加劑主要為緩凝劑、減水劑、保水劑、增強劑等,每種石膏的性質都是不同的,因此,同一種外加劑對不同類型石膏的效果是不一樣的。

(1)在緩凝劑方面,選用最多的是檸檬酸,雖然它的緩凝效果較好,但是,它對石膏強度的影響很大,但有些自配的復合緩凝劑則能達到既緩凝又能對其強度影響較小的效果。

(2)減水劑主要有苯系減水劑、聚羧酸系減水劑、氨基磺化系減水劑、磺化三聚氰胺系減水劑等,它們在不同類型石膏中發揮的作用各有千秋,使用適宜劑量的減水劑后,可以使其用水量降低,強度增強。

(3)保水劑多用于粉刷石膏中,使其避免出現裂縫等現象,增強劑則主要使石膏制品能達到其早期強度要求。

(4)在外加劑的選取方面可以發現,單一的外加劑的作用不如復合的外加劑效果好,因次,復合外加劑是研究的重點,這對提高石膏制品的性能有很大幫助。

(5)石膏類外加劑具有很大的市場潛力,添加相應的外加劑可以為相關企業帶來利潤,如用水量減少、拆模時間縮短、人材機用量減少等。

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[作者簡介]姚毅惠(1991—),女,昆明理工大學建筑工程學院在讀研究生。研究方向：工程造價與投資管理。