減水劑對磷建筑石膏砌塊的物理性能影響

馬金波，謝　剛，余　強，鄭紹聰，姚　云

(1.昆明理工大學冶金與能源工程學院，昆明　650093；2.昆明冶金研究院，昆明　650031；3.云南冶金(美國)科技公司，昆明　650031)

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減水劑對磷建筑石膏砌塊的物理性能影響

馬金波1,2，謝剛1,2，余強2,3，鄭紹聰2，姚云2

(1.昆明理工大學冶金與能源工程學院，昆明650093；2.昆明冶金研究院，昆明650031；3.云南冶金(美國)科技公司，昆明650031)

研究了4種減水劑(葡聚糖凝膠、聚羧酸、FDN、木質素)對建筑石膏性能的影響，采用XRD和掃描電鏡對建筑石膏粉和石膏產品進行分析和表征。結果表明：當摻量為0.3%時，HC(聚羧酸)對磷建筑石膏的減水率、絕干抗壓強度分別為13%、11.3MPa，相對空白組強度提高了2.7%；MZS(木質素)對磷建筑石膏的減水率、絕干抗壓強度分別為15%、12.1MPa，相對空白組強度提高了10%；FDN對磷建筑石膏的減水率、抗壓強度分別為13.1%、13.1MPa，相對空白組強度提高了19%；G-50(葡聚糖凝膠)對磷建筑石膏的減水率、絕干抗壓強度分別為25%、15MPa，相對空白組強度提高了36%。由SEM分析表明：在摻量為0.3%時，G-50減水劑明顯減少了磷建筑石膏水化硬化的實際需水量，從而促進了石膏水化后晶體呈針狀生長。晶體與晶體之間緊密銜接，晶粒細化程度高，從而改善了磷建筑石膏砌塊內部的晶體結構。故G-50對建筑石膏具有優異的減水作用以及增強效應。

減水劑； 建筑石膏； 減水率； 晶體

1　引　言

磷建筑石膏是建筑石膏材料中的一種，其主要成分為β-半水石膏(CaSO4·1/2H2O)，它是由磷石膏在破碎、磨細或處理后經過低溫(107～180 ℃)煅燒制得。以β-半水石膏為主要成分的磷建筑石膏所制成的產品用作建筑材料，可以代替傳統的水泥和石灰砂漿，用于建筑物室內抹灰，嵌縫和裝飾。更重要的是它可以用來生產石膏砌塊和石膏板材，但是在實際生產中利用建筑石膏制備石膏板材時，會出現制品空隙率大、易碎、強度低等現象，其主要原因是：以β-半水石膏為主要成分的建筑石膏的理論水化需水量為18.6%[1]，而實際拌合水量卻為60%～80%[2,3]。采用減水劑是降低建筑石膏水膏比、提高其抗壓強度并改善其性能的有效途徑之一。

2　實　驗

2.1實驗儀器

上海華龍WHY-300壓力試驗機(上海實驗儀器廠有限公司)；電熱鼓風干燥箱(上海實驗儀器廠有限公司)；PHILIPS-HR2096攪拌機；水泥稠度凝結測定儀(維卡儀)；水泥快速試模；VEGAⅡLMU掃描電鏡；電子天平；X射線衍射儀(Siemens公司D5000型)。

2.2主要實驗材料

減水劑:葡聚糖凝膠(G-50)、梳狀聚羧酸(HC)、FDN減水劑、木質(MZS)，以上試劑均為市售。

磷建筑石膏:取自云南任天石膏廠，其原料三相組成中以β-半水石膏為主要成分，同時含有少量的二水硫酸鈣、無水硫酸鈣。其SiO2含量是9.8%，結晶水含量以及標準稠度水膏比分別為18%、0.75，初凝時間9min、終凝時間15min。其三相成分如表1所示。

表1　磷建筑石膏的三相成分

通過XRD檢測技術對磷建筑石膏進行了測試，如圖1所示，從圖中可以看出，磷建筑石膏的主要化學組成為半水硫酸鈣、無水硫酸鈣、二水硫酸鈣以及一定含量的二氧化硅。磷建筑石膏的SEM顯微結構如圖2所示，從圖中可以看出，石膏顆粒整體上呈片狀散亂分布著，粒徑長度參差不齊，大小不一。 這說明石膏粉內存在多相成分及其少量雜質，正好驗證了表1和圖1。

圖1　石膏原料的XRD圖Fig.1　XRD pattern of gypsum material

圖2　磷建筑石膏的SEM顯微結構Fig.2　Microstructure of SEM on phosphorous building gypsum

2.3實驗方法

石膏三相分析參照中華人民共和國國家標準GB/T5484-2012《石膏化學分析方法》；石膏標準稠度、凝結時間、強度等性能參照中華人民共和國國家標準GB/T17669.3-1999《建筑石膏力學性能》進行測定；磷建筑石膏硬化體晶體形貌觀測采用VEGAⅡLMU掃描電鏡。

文化即“人類化”、“自然的人化即文化”。《辭海》這樣解釋休閑：“農田在一段時間內不種植物，借以休養地力的措施”。現多指人通過休息，身心放松，解除疲勞，自由自在，做自己喜歡做的事甚至是閑著不做什么，表現為一種生活方式和生活態度。它指的“是一種從外在壓力下解脫出來、能以自己喜愛的方式活動并從中體驗到愉悅和價值的相對自由的生活。”“休閑文化就是使人回歸人的本性、使人成為人的休閑活動及其要素的總和。”就休閑文化視野下的書法，筆者以為其有以下四個特征：

減水率的測定：分別測試四種減水劑在其摻量為 0.1%、0.3%、0.5%時，擴展度達到180mm左右的需水量m1,未加減水劑時擴展度達到180mm左右的需水量m0，減水率按(1)式計算：

減水率=(m0-m1)/m0×100%

(1)

3　結果與討論

3.1減水劑對磷建筑石膏減水率的影響

在建筑石膏的實際應用中，減水劑對石膏制品的減水效果，直接關系到石膏制品的綜合性能。因此本實驗將利用四種減水劑對磷建筑石膏進行比較研究。其減水劑對磷建筑石膏的減水率如下表2所示，每次所用的磷建筑石膏粉均為250g。

表2　不同摻量減水劑對磷建筑石膏的減水率

從表2可以看出，四種不同的減水劑對磷建筑石膏均有不同程度的減水效果，相對其他減水劑而言，G-50的減水效果最好，FDN的減水效果次之，MZS和HC的效果較弱；同時這四種不同減水劑對磷建筑石膏的最佳摻量均為0.3%。當G-50的摻量為0.3%時，石膏的減水率達到25%。在一定摻量范圍內，石膏的減水率與減水劑的摻量呈明顯的正相關性。當超過這個范圍，減水率則趨于一個定值，這說明減水劑存在一個飽和摻量，超過飽和點，減水劑對石膏的減水效果增加不大。

3.2減水劑對磷建筑石膏抗壓強度的影響

不同摻量的減水劑對磷建筑石膏的減水率影響的同時，也會對建筑石膏砌塊的強度產生影響。因此，為了進一步驗證減水劑對石膏力學性能的影響，本實驗通過對磷建筑石膏依次添加不同的減水劑，在不同的摻量下制成石膏砌塊，經過烘箱于45 ℃下進行24h的烘干處理，利用抗壓測試儀對石膏砌塊進行絕干抗壓強度測試，實驗中每組使用的磷建筑石膏為500g，針對不同摻量的減水劑制成石膏砌塊時，所用水量按表2中用水比加入，數據如表3所示，其相對應結果如圖3所示。

表3　不同摻量減水劑對磷建筑石膏絕干抗壓強度的影響

圖3　不同摻量減水劑對磷建筑石膏絕干抗壓強度的影響Fig.3　Inflence of different dosage superplastizers on the dry compressive strength of phosphorus building gypsum

由表3可知，隨著四種減水劑摻量的提高，磷建筑石膏的抗壓強度均有不同程度的提高，但增加到一定摻量時，磷建筑石膏的強度不再增加，有的反而有相對降低的趨勢。

由圖3可知，四種減水劑：G-50、FDN、HC、MZS的最佳摻量均在0.3%。在摻量相同的情況下，G-50對磷建筑石膏的抗壓強度的影響最為明顯，當G-50的摻量為0.3%時，磷建筑石膏的強度達到15MPa，相對空白組提高了36%。相對減水劑G-50來說，其余的減水劑效果較弱：當減水劑的摻量為0.3%時，FDN減水劑對磷建筑石膏的抗壓強度為13.1MPa，相對空白組提高了19%；HC減水劑對磷建筑石膏的抗壓強度為11.3MPa，相對空白組提高了2.7%；減水劑MZS對磷建筑石膏的抗壓強度為12.1MPa，相對空白組提高了10%。

對比發現四種減水劑對磷建筑石膏抗壓強度的影響順序與四種減水劑對磷建筑石膏減水率的影響順序高度一致。這說明在一定摻量范圍內(0.1%～0.3%)，減水劑對磷建筑石膏減水率的提高有助于其抗壓強度的明顯提高。當超出這個范圍時，減水劑摻量達到飽和點，其對磷建筑石膏的減水率沒有進一步提高，進而對石膏砌塊抗壓強度增加不大。

3.3反應機理

磷建筑石膏與適量水混合后，經過水化硬化成為固體。水化反應如(2)式所示：

β-CaSO4·1/2H2O+3/2H2O→CaSO4·2H2O

(2)

隨著水化的進行，二水石膏不斷增加，水分逐漸減少，漿體開始失去可塑性，之后漿體繼續變稠，粘結力增加，形成具有一定結構的固體砌塊。期間晶體顆粒經歷長大、連生和互相交錯的過程，漿體強度不斷增加，直至砌塊表面水分完全蒸發后，強度才穩定不變。

在磷建筑石膏水化過程中由于需水量遠大于理論需水量，這就導致水化反應后的產物即二水硫酸鈣晶體疏松、空隙率大，進而使其強度降低。加入減水劑后，利用其分散作用，能較快的使石膏在加水初期所形成的結構分散，從而將凝聚體內的游離水分釋放出來，達到減水的目的[5]，與此同時改善晶體結構，起到提高強度的作用。

當減水劑摻量超過最佳摻量時，過多的減水劑分子游離于石膏顆粒之間，從而與吸附在顆粒表面的減水劑分子產生排斥作用，抑制了晶體的生長方向，導致其搭接不夠密實，因此相對于空白組來說，在一定程度上限制了砌塊強度的增加。

當適量的G-50減水劑加入后，石膏顆粒被減水劑網狀分子結構包圍，使顆粒表面產生負電荷，進而導致顆粒之間產生靜電排斥作用，與此同時其網狀結構的選擇性吸附導致大部分自由水從中釋放出來，減少了石膏漿體的用水量。促進了石膏水化后晶體呈針狀生長，晶體與晶體之間緊密銜接，交織密實，提高了抗壓強度。

3.4SEM分析

經過上述分析可知，在摻量為0.3%時，G-50減水劑對磷建筑石膏的強度影響最為明顯。選取由摻量分別為0.1%、 0.3%、0.5%的G-50減水劑制成的石膏砌塊和空白組石膏砌塊做SEM電鏡分析比較，具體顯微結構如圖4所示。

由圖4a可以看出，未摻減水劑的磷建筑石膏砌塊內部晶體疏松，孔隙率大，晶體形狀分布不均勻，基本呈片狀、扁狀、粒狀分布；摻量為0.1%的G-50對磷建筑石膏的內部結構有所改善，晶粒有所細化，晶體呈針狀分布的數量增多，局部有針狀晶體交接密實的區域，如圖4b所示；由圖4c可以看出，摻量為0.3%的G-50對磷建筑石膏的內部結構改變明顯，晶體間空隙減小，晶體大部分呈針狀分布，晶粒相對細小，分布勻稱，各晶體間相互交接，搭接密實；相對于摻量為0.3%的G-50，摻量為0.5%的G-50對磷建筑石膏內部結構的改善程度稍微較弱，晶體之間的交接分布較少，晶粒細化程度不夠，長短參差不齊，如圖4d所示。綜上所述，摻量為0.3%的G-50對磷建筑石膏的水化硬化體的內部晶體形狀分布、密實程度以及晶粒的大小有所改善。從而提高了其抗壓強度。

圖4　摻G-50前后石膏砌塊顯微結構(a)未摻減水劑(b)摻0.1%的G-50減水劑(c)摻0.3%的G-50減水劑 (d)摻0.5%的G-50減水劑Fig.4　Microstructure of gypsum block before and after adding G-50(a)without water reducing agent(b)with 0.1% of G-50 water reducing agent(c)with 0.3% of G-50 water reducing agent (d)with 0.5% of G-50 water reducing agent

4　結　論

(1)在一定摻量范圍內(0.1%～0.3%)，葡聚糖凝膠(G-50)、梳狀聚羧酸(HC)、FDN減水劑、木質(MZS)對磷建筑石膏的減水率呈明顯的正相關性。與此同時，四種減水劑的最佳摻量均在0.3%；

(2)在摻量為0.3%情況下，四種減水劑中，G-50減水劑對磷建筑石膏的減水效果最好，其減水率達25%；在此摻量下形成的石膏砌塊的絕干抗壓強度達到15MPa，相對于空白組，強度提高了36%；

(3)SEM觀察結果表明，在最佳摻量下，G-50減水劑明顯減少了磷建筑石膏水化硬化的實際需水量，從而改善了磷建筑石膏砌塊內部的晶體結構，這正是石膏砌塊抗壓強度升高的原因。

[1]KhalilAA,TawfikA,HegazyAA,etal.Effectofsomewasteadditivesonthephysicalandmechanicalpropertiesofgypsumplastercomposites[J].Construction and building materials,2014,68:580-586.

[2] 彭家惠，瞿金東，張建新，等.FDN減少劑對建筑石膏水化和硬化體結構的影響[J].建筑材料學報，2007，10(1)：14-19.

[3] 逄建軍，張力冉，王浩，等.聚丙烯酸-甲基丙烯磺酸鈉對建筑石膏性能的影響[J].精細化工，2014，31(5)：655-658.

[4] 李美，彭家惠，張建新，等.磷建筑石膏的特性及其改性[J].硅酸鹽通報，2012，31(3):554-557.

[5] 李志新，彭家惠，戎延團，等.FDN減水劑對再生石膏性能的影響[J].建筑材料學報，2015，18(1)：19-27.

InfluenceofSuperplasticizersonthePhysicalPropertiesofBuildingGypsumBlock

MA Jin-bo1,2,XIE Gang1,2,YU Qiang2,3,ZHENG Shao-cong2,YAO Yun2

(1.FacultyofMetallurgicalandEnergyEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China;2.KunmingMetallurgicalResearchInstitute,Kunming650031,China;3.YunnanMetallurgyandTechnologyCompany,Kunming650031,China)

Laboratoryexperimentshavebeenperformedtoresearchtheinfluenceoffourkindsofsuperplasticizers(Sephadex,Ploycarboxylicacid,FDN,Xylogen)onthepropertiesofphosphorusbuildinggypsum.TherawmaterialofbuildinggypsumandgypsumproductswereanalysedbyXRDandscanningelectronmicroscopy.FromtheresultsitturnsoutthatwhenthecontentofHC(Ploycarboxylicacid)was0.3%(massratio),therateofwaterreducinganddrycompressivestrengthwere13%and11.3MParespectively,with2.7%strengthhigherthanthatoftheblank,whenthecontentofMZS(Xylogen)was0.3% ,therateofwaterreducinganddrycompressivestrengthwere15%and12.1MParespectively,with10%strengthhigherthanthatoftheblank,whenthedosageofFDNwas0.3%,therateofwaterreducinganddrycompressivestrengthwere13.1%and13.1MParespectively,with19%strengthhigherthanthatoftheblank,whenthecontentofG-50(Sephadex)was0.3%,therateofwaterreducinganddrycompressivestrengthwere25%and15MParespectively,with36%strengthhigherthanthatoftheblank.SEManalysishasindicatedthatwhenthecontentofG-50was0.3%,G-50significantlyreducedactualwaterinneedforhydrationandhardeningofphosphorusbuildinggypsum,thusitcontributedthegypsumcrystaltogrowuptoneedle-likecrystalafterhydration.Thecloselinkbetweencrystalandcrystal,highdegreeofgrainrefinement,inwhichimprovedthecrystalstructureinsideofphosphorusgypsumblock.SoG-50hastheexcellentwaterreducingeffectandenhancingeffect.

superplasticizers;phosphorousbuildinggypsum;waterreducingrate;crystal

國家自然科學基金資助項目(51404123)

馬金波(1989-)，男，碩士研究生.主要從事磷石膏復配增強機理方面的研究.

謝剛，教授，博導.

X705

A

1001-1625(2016)01-0092-05