進(jìn)廠石膏溫度對(duì)其性能的影響

封培然，林支成，劉元正（四川華一眾創(chuàng)新材料有限公司，四川 成都 610399）

0 引言

石膏溫度是指石膏自身在環(huán)境中的冷熱程度。由于工業(yè)生產(chǎn)石膏的熱歷史不同，不同階段的石膏溫度不同，例如在建筑石膏煅燒階段，石膏的溫度取決于煅燒溫度的高低。石膏溫度的高低影響其物相組成，造成建筑石膏性能的差異。過(guò)去的研究大多數(shù)關(guān)注石膏的煅燒溫度[1-3]，然而對(duì)建筑石膏的應(yīng)用單位而言，建筑石膏作為一種原材料，其物相組成隨著石膏的陳化而發(fā)生變化，因此煅燒溫度對(duì)使用單位而言意義并不明顯，但是進(jìn)廠石膏溫度則可能對(duì)石膏產(chǎn)品的凝結(jié)時(shí)間、抗裂性、強(qiáng)度等性能產(chǎn)生影響。實(shí)際上由于石膏本身處于外界環(huán)境中，因此進(jìn)廠石膏溫度除了受其自身溫度影響以外，還受到周?chē)h(huán)境的影響，兩個(gè)因素相互作用，綜合表征為進(jìn)廠石膏溫度的高低。

建筑石膏作為石膏隔墻板、石膏抹灰砂漿、石膏基自流平砂漿等產(chǎn)品的重要原材料，關(guān)系著建筑墻體質(zhì)量和建筑節(jié)能效果的高低。溫度作為石膏基膠凝材料水化性能的重要參數(shù)，關(guān)系著石膏產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。本文嘗試通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，研究不同進(jìn)廠石膏溫度對(duì)其性能的影響，以及分析外界環(huán)境與石膏自身溫度兩種因素在石膏性能中的作用，以便為建筑石膏的使用提供指導(dǎo)，同時(shí)也為建筑石膏生產(chǎn)企業(yè)的存儲(chǔ)提供建議。

1 試驗(yàn)儀器與方法

試驗(yàn)的材料包括常見(jiàn)的天然石膏和工業(yè)副產(chǎn)石膏。試驗(yàn)地點(diǎn)位于西南地區(qū)，環(huán)境溫度變化情況見(jiàn)圖1，從圖1中可以看出試驗(yàn)地點(diǎn)平均最高氣溫和平均最低氣溫均隨著時(shí)間推移呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，表明環(huán)境溫度對(duì)周?chē)h(huán)境的輻射對(duì)流在逐步增強(qiáng)。進(jìn)廠石膏溫度試驗(yàn)方法為當(dāng)運(yùn)載建筑石膏的散裝車(chē)輛進(jìn)入廠區(qū)后，使用T-105型接觸式熱電阻插入罐裝車(chē)內(nèi)的石膏中，經(jīng)過(guò)溫度傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后顯示于LCD屏幕上，讀取顯示溫度。儀器量程-40℃～330℃，-10℃～100℃范圍內(nèi)，精確度為±1℃，分辨率為0.1℃。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)2021年月度氣溫變化趨勢(shì)

石膏初凝時(shí)間按照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏凈漿物理性能的測(cè)定》方法檢測(cè)。建筑石膏抗裂性檢測(cè)方法為將添加標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量的石膏凈漿涂抹于吸水率為42.3%的ALC方形砌塊表面，在自然條件下觀察石膏的開(kāi)裂情況，并記錄表面開(kāi)裂的嚴(yán)重程度。石膏強(qiáng)度按照GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力學(xué)性能的測(cè)定》方法檢測(cè)2h抗壓和抗折強(qiáng)度。

試驗(yàn)日期為自2020年12月15日至2021年6月1日，每批次進(jìn)廠石膏為1個(gè)樣本，樣本容量為2619個(gè)，其中#1石膏907個(gè)，#2石膏690個(gè)，#3石膏198個(gè)，#4石膏86個(gè)，#5石膏61個(gè)。試驗(yàn)著重比較兩種廣泛應(yīng)用的磷石膏與脫硫石膏，其中磷石膏3種，分別為#1磷石膏、#2磷石膏和#3磷石膏；脫硫石膏2種，分別為#4脫硫石膏和#5脫硫石膏，天然石膏也包括在樣本中，但未詳細(xì)列出。

2 進(jìn)廠石膏溫度

2.1 磷石膏

圖2是#1磷石膏的溫度變化情況，從圖中可以看出，隨著時(shí)間延長(zhǎng)#1石膏溫度變化趨勢(shì)為由高到低然后緩慢升高，溫度最低點(diǎn)出現(xiàn)在2月份，初步分析認(rèn)為石膏溫度降低不是由于環(huán)境溫度下降引起，而是2月份處于銷(xiāo)售淡季，建筑石膏存放時(shí)間較長(zhǎng)，隨著3月份銷(xiāo)量的提升，石膏溫度呈緩慢升高趨勢(shì)。由于#1石膏樣本量巨大，可以排除檢測(cè)引入的系統(tǒng)誤差。

圖2 #1磷石膏進(jìn)廠溫度變化趨勢(shì)

進(jìn)廠石膏溫度升高的原因可能來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，一方面是石膏出廠時(shí)自身溫度較高，另一方面是環(huán)境溫度的影響。由于運(yùn)輸熟石膏的工具是水泥散裝罐車(chē)，可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持溫度的穩(wěn)定，結(jié)合圖1的氣溫變化梯度可以看出外界環(huán)境升高的幅度遠(yuǎn)超#1磷石膏升溫幅度，因此初步估計(jì)#1進(jìn)廠石膏溫度升高的原因主要由前者造成。溫度升高對(duì)石膏水化反應(yīng)起到催化作用，未來(lái)可能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3是#3磷石膏溫度變化趨勢(shì)，從圖中可以看出#3磷石膏進(jìn)廠溫度變化范圍相對(duì)較小，基本比較穩(wěn)定，可能的原因是#3磷石膏樣本量較小，自2021年1月份以來(lái)，#3磷石膏樣本量?jī)H為198次，約為#1磷石膏樣本量的約1/5，盡管如此，#3磷石膏的溫度變化幅度依然具有代表性，其溫度波動(dòng)范圍相對(duì)#1磷石膏僅為其2/3，變化范圍基本處于50℃～70℃之間，展示了#3磷石膏進(jìn)廠溫度的相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 #3磷石膏進(jìn)廠溫度變化趨勢(shì)

#2磷石膏的進(jìn)廠溫度變化趨勢(shì)如圖4所示，從圖中可以看出，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，#2磷石膏進(jìn)廠溫度具有明顯的上升趨勢(shì)，與華為磷石膏相比溫度上升趨勢(shì)更為明顯，這一點(diǎn)與#3磷石膏相比差別更大。#2磷石膏依然樣本量巨大，足以表明變化趨勢(shì)的正確性，直至5月份該上升趨勢(shì)并沒(méi)有停止。盡管從平均溫度上看#1磷石膏溫度為55.39℃，#2磷石膏為53.1℃，但是兩者中#2磷石膏的溫度升高的風(fēng)險(xiǎn)可能比#1要大，初步建議需要對(duì)#2磷石膏進(jìn)行合理的控溫措施。

圖4 #2磷石膏進(jìn)廠溫度變化趨勢(shì)

2.2 脫硫石膏

目前檢驗(yàn)的兩種脫硫石膏均存在進(jìn)廠溫度檢測(cè)樣本量不足的缺陷，僅有的一次#4脫硫石膏溫度檢測(cè)為50℃，#5脫硫石膏檢測(cè)溫度7次，檢測(cè)結(jié)果平均值為56.59℃，因此無(wú)法準(zhǔn)確判斷脫硫石膏未來(lái)溫度變化趨勢(shì)，建議對(duì)脫硫石膏進(jìn)行長(zhǎng)期溫度跟蹤。

3 結(jié)果與討論

3.1 初凝時(shí)間

凝結(jié)時(shí)間是表征建筑石膏水化速度快慢的重要指標(biāo)之一，建筑石膏主要成分是CaSO4·1/2H2O，但是工業(yè)生產(chǎn)的建筑石膏通常并存有半水石膏（HH）與無(wú)水石膏（ⅢA），由于ⅢA的化學(xué)活性極高，因此ⅢA的存在使初凝時(shí)間縮短，但終凝時(shí)間變長(zhǎng)，初終凝之間的時(shí)間拉長(zhǎng)，同樣在煅燒溫度偏低時(shí)，石膏脫水不完全，產(chǎn)物中存在較多的二水石膏（DH）而起到晶種作用，也容易產(chǎn)生快凝現(xiàn)象，因此初凝時(shí)間是衡量建筑石膏中DH含量和ⅢA含量高低的重要標(biāo)志。

#1磷石膏進(jìn)廠溫度與初凝時(shí)間的關(guān)系如圖5所示，從圖中可以看出兩者之間沒(méi)有很好的線性關(guān)系，溫度相同的條件下，石膏初凝時(shí)間可以從4min上升至8min，也就是說(shuō)相同的進(jìn)廠石膏溫度，對(duì)應(yīng)不同的石膏初凝時(shí)間，同樣相同的石膏初凝時(shí)間可以具有不同的進(jìn)廠石膏溫度。分析這種關(guān)系的原因可能是石膏溫度不是影響初凝時(shí)間的決定性因素，初凝時(shí)間對(duì)溫度不敏感，但從構(gòu)成范圍上看，進(jìn)廠溫度在40～65℃范圍內(nèi)，石膏初凝時(shí)間分布在4～7 min這個(gè)狹窄區(qū)域內(nèi)，原因是進(jìn)廠石膏溫度受到質(zhì)量控制目標(biāo)值的單側(cè)制約，不可能在更寬的范圍內(nèi)建立二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此可以推測(cè)磷石膏在該溫度范圍內(nèi)主要以HH形式存在。另外對(duì)磷石膏來(lái)說(shuō)由于其雜質(zhì)含量高，對(duì)初凝時(shí)間貢獻(xiàn)明顯，溫度在石膏的水化過(guò)程中僅起到催化作用，對(duì)溶解性的材料來(lái)說(shuō)，較高的溫度有利于物質(zhì)的溶解，而不利于其達(dá)到飽和析晶，這也可能是溫度對(duì)初凝時(shí)間不敏感的原因之一。

圖5 #1石膏進(jìn)廠溫度與初凝時(shí)間的關(guān)系

圖6是#3磷石膏進(jìn)廠溫度與初凝時(shí)間的關(guān)系圖，從圖中可以看出溫度與初凝時(shí)間之間依然沒(méi)有好的線性關(guān)系，但其進(jìn)廠石膏溫度明顯比#1磷石膏上升約5℃，初凝時(shí)間比#1磷石膏延長(zhǎng)約1 min，由于#3磷石膏樣本量較少，分布范圍更加狹窄，上述結(jié)論在多大范圍內(nèi)適用還需要研究?？紤]到溫度升高對(duì)石膏使用的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)廠#3石膏溫度的控制目標(biāo)值被設(shè)定為低于70℃，因此圖6中無(wú)法看到超出設(shè)定范圍外的樣本，在此范圍之外的溫度與初凝時(shí)間的關(guān)系依然很難進(jìn)行恰當(dāng)?shù)墓烙?jì)。

圖6 #3磷石膏進(jìn)廠溫度與初凝時(shí)間的關(guān)系

#2磷石膏進(jìn)廠溫度與初凝時(shí)間的關(guān)系如圖7所示，從圖中可以看出整體上，#2磷石膏溫度分布范圍更廣，而初凝時(shí)間波動(dòng)范圍與#1石膏、#3石膏沒(méi)有顯著差異。也就是說(shuō)在更大的溫度范圍內(nèi)都可以得到相同的石膏初凝時(shí)間。由上述三種磷石膏的初凝時(shí)間與進(jìn)廠溫度關(guān)系看，兩者之間沒(méi)有必然聯(lián)系，初凝時(shí)間也與磷石膏種類(lèi)無(wú)關(guān)，其主要決定因素可能為自身的物相組成。

圖7 #2磷石膏進(jìn)廠溫度與初凝時(shí)間的關(guān)系

由于對(duì)脫硫石膏缺少足夠數(shù)量的進(jìn)廠溫度檢測(cè)，僅能觀測(cè)到脫硫石膏的初凝時(shí)間變化，其結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出，#4脫硫石膏隨著時(shí)間延長(zhǎng)而基本呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)，這與圖1給出的氣溫變化趨勢(shì)沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)性，表明脫硫石膏的初凝時(shí)間不受外界氣溫的影響，盡管脫硫石膏的雜質(zhì)數(shù)量低于磷石膏，但#4石膏初凝時(shí)間的變化范圍基本在6±2min，與#1石膏相比兩者基本近似，卻大于#3石膏和#2石膏。

圖8 #4脫硫石膏初凝時(shí)間變化趨勢(shì)

#5脫硫石膏相比#4石膏樣本量更少，但是從圖9的初凝時(shí)間變化趨勢(shì)看，#5石膏初凝時(shí)間波動(dòng)范圍在4～14min之間，這不僅比磷石膏高出許多，更高于#4石膏，根據(jù)前述脫硫石膏進(jìn)廠溫度的簡(jiǎn)單測(cè)試可知，#5石膏溫度高于#4石膏，但初凝時(shí)間卻比#4脫硫石膏長(zhǎng)，這再次證明進(jìn)廠石膏溫度不是初凝時(shí)間的決定性因素。

圖9 #5石膏初凝時(shí)間變化趨勢(shì)

3.2 抗裂性

3.2.1 總體開(kāi)裂情況

石膏基材料最重要的優(yōu)勢(shì)就是體積微膨脹，這與硅酸鹽水泥等水硬性膠凝材料的體積收縮不同，石膏是抵抗硅酸鹽水泥體積收縮抗裂的有利方式，然而盡管石膏基材料最終的宏觀體積是膨脹的，但是在石膏水化硬化的過(guò)程中，石膏過(guò)快的水化速度將導(dǎo)致水分的快速遷移從而引發(fā)應(yīng)力集中導(dǎo)致收縮開(kāi)裂。

圖10就是五種石膏在樣本統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的開(kāi)裂次數(shù)，從圖中可以看出，1月份#4石膏出現(xiàn)了最高次數(shù)的開(kāi)裂，隨著時(shí)間延長(zhǎng)#4石膏開(kāi)裂次數(shù)在減少，相反#2磷石膏隨著時(shí)間延長(zhǎng)開(kāi)裂次數(shù)在逐步增加，由于#4石膏進(jìn)廠溫度沒(méi)有足夠的樣本數(shù)據(jù)而無(wú)法合理推測(cè)，但從圖4的#2石膏變化趨勢(shì)看，#2石膏進(jìn)廠溫度是逐步升高的，兩者之間存在關(guān)聯(lián)，也就是說(shuō)進(jìn)廠溫度越高，石膏開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)越大，同樣觀察圖2的#1石膏溫度變化趨勢(shì)也存在近似的結(jié)論。由于#3石膏進(jìn)廠溫度基本穩(wěn)定沒(méi)有觀察到兩者之間的關(guān)聯(lián)性。

圖10 五種石膏的總開(kāi)裂次數(shù)

3.2.2 不同類(lèi)型石膏開(kāi)裂情況

圖11是五種石膏的不同類(lèi)型開(kāi)裂情況，從圖中可以看出，明顯開(kāi)裂是五種石膏的主要開(kāi)裂形式，其中脫硫石膏的開(kāi)裂情況超過(guò)磷石膏。從磷石膏看，#1石膏輕微開(kāi)裂次數(shù)最多，在各月份中分別為2,0,5,2,3次，是開(kāi)裂的主要形式，明顯開(kāi)裂僅出現(xiàn)在5月份，表明#1石膏的開(kāi)裂情況在隨著溫度升高而加重。#2石膏在4月份和5月份出現(xiàn)了輕微開(kāi)裂且次數(shù)在增加，但未出現(xiàn)明顯開(kāi)裂，隨著進(jìn)廠石膏溫度的增加#2石膏開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)也在加劇；#3石膏僅在3月份出現(xiàn)2次輕微開(kāi)裂，以后月份并未出現(xiàn)，這與#3磷石膏的進(jìn)廠溫度基本穩(wěn)定有關(guān)。

圖11 五種石膏不同程度的開(kāi)裂情況

從脫硫石膏方面看，#4石膏明顯開(kāi)裂次數(shù)最多，但呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，#5石膏輕微開(kāi)裂次數(shù)僅出現(xiàn)在4月份和5月份（相對(duì)穩(wěn)定），但是其明顯開(kāi)裂次數(shù)則隨著氣溫的升高而快速增加，表明#5石膏的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)在隨溫度升高而增加。

3.3 強(qiáng)度

建筑石膏強(qiáng)度是其作為建筑材料的重要指標(biāo)，也是衡量建筑石膏質(zhì)量高低的砝碼。較高的抗壓強(qiáng)度有利降低石膏用量，保證石膏基產(chǎn)品具有較好粘結(jié)力和軟化系數(shù)，石膏的抗壓強(qiáng)度與其他性能之間也有緊密聯(lián)系。石膏強(qiáng)度與其標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、雜質(zhì)含量、物相組成、細(xì)度、晶體形貌、時(shí)間等因素有關(guān)。圖12是#1磷石膏進(jìn)廠溫度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，從圖中可以看出兩者之間也沒(méi)有明顯的線性關(guān)系，但從分布上講，隨著進(jìn)廠溫度升高，石膏抗壓強(qiáng)度的分布范圍更加寬泛，并且沒(méi)有出現(xiàn)超出溫度較低時(shí)的強(qiáng)度。換句話說(shuō)隨著進(jìn)廠溫度升高，石膏抗壓強(qiáng)度存在下降的幾率。

圖12 #1石膏進(jìn)廠溫度與強(qiáng)度的關(guān)系

另一個(gè)磷石膏樣本的檢測(cè)結(jié)果如圖13所示，從圖中可以看出兩者之間的關(guān)系也不明顯，與#1石膏類(lèi)似，其不同溫度下的強(qiáng)度中位數(shù)也存在明顯下降，也就是說(shuō)至少在一定程度上表明進(jìn)廠石膏溫度升高，石膏的抗壓強(qiáng)度是有機(jī)會(huì)降低的。雖然不能準(zhǔn)確地說(shuō)進(jìn)廠石膏溫度升高，石膏強(qiáng)度一定會(huì)下降，但強(qiáng)度降低的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大。

圖13 #2石膏進(jìn)廠溫度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

4 分析與討論

不同石膏的進(jìn)廠溫度與初凝時(shí)間的關(guān)系并不明顯，但是這并不排除總體樣本與進(jìn)廠溫度之間存在關(guān)聯(lián)的可能，為了進(jìn)一步討論總體樣本的進(jìn)廠石膏溫度與初凝時(shí)間之間的關(guān)系，將總體樣本的初凝時(shí)間作圖如下，其結(jié)果如圖14所示。從圖中可以看出盡管樣本量巨大，但絕大多數(shù)石膏初凝時(shí)間均在5min左右。

圖14 所有石膏樣本的初凝時(shí)間變化趨勢(shì)

分析建筑石膏初凝時(shí)間的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)建筑石膏凝結(jié)時(shí)間雖然受到外界環(huán)境的影響，但是由于石膏初凝時(shí)間比較短，石膏初凝時(shí)間的檢測(cè)需要在標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量條件下完成，而石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量往往在70%以上，尤其是磷石膏，由于磷石膏結(jié)晶粗大，均勻，多呈板狀、長(zhǎng)寬比為23∶1[4]，較大的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量很快吸收了進(jìn)廠石膏自身的溫度，而不至于引起檢測(cè)用水溫度升高。β-CaSO4·0.5H2O的溶解時(shí)間只有幾十秒，此時(shí)在室溫20℃條件下HH以CaSO4計(jì)其溶解度達(dá)到7g/l，而較大的溶解度相對(duì)DH而言已經(jīng)過(guò)飽和，此時(shí)DH的溶解度僅為2.05 g/l，短時(shí)間內(nèi)快速析出DH晶體,這個(gè)溶解析晶的過(guò)程主要受到HH含量的影響，即使石膏自身溫度引起攪拌用水溫度略微升高，也只能加速HH和ⅢA的溶解速度，但不能對(duì)初凝時(shí)間有明顯促進(jìn)或者延緩。

根據(jù)上述分析可知，建筑石膏的初凝時(shí)間主要與石膏自身的物相組成有關(guān)，石膏自身溫度與石膏初凝時(shí)間之間沒(méi)有明顯的線性關(guān)系，原因可能與石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量過(guò)高有關(guān)，同時(shí)不同種類(lèi)的石膏均符合這個(gè)規(guī)律。

實(shí)際上，過(guò)去的研究指出純的HH相的初凝時(shí)間為2.83 min[5]，這比試驗(yàn)檢測(cè)的初凝時(shí)間還要短，盡管磷石膏的煅燒過(guò)程降低了部分可溶性磷酸鹽等雜質(zhì)的含量，但是其含有的不溶性雜質(zhì)如石英、未分解的磷礦石、有機(jī)質(zhì)、其他不溶性磷酸鹽等依然在磷石膏轉(zhuǎn)化為建筑石膏后，減慢石膏的溶解速度，尤其是有機(jī)物，最終影響建筑石膏凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度[6]。石膏的煅燒過(guò)程并不能對(duì)這部分雜質(zhì)產(chǎn)生影響，外界環(huán)境溫度也不能對(duì)其產(chǎn)生作用，因此影響石膏初凝時(shí)間的決定性因素依然是建筑石膏自身的物相組成，這可能是進(jìn)廠溫度與初凝時(shí)間相關(guān)性差的根本原因。

5 結(jié)論

（1）進(jìn)廠石膏溫度與初凝時(shí)間之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性，可能的原因是石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量較高。

（2）進(jìn)廠石膏溫度與抗裂性之間有較顯著的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)廠石膏溫度越高，石膏開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)越大，尤其在磷石膏中表現(xiàn)明顯。

（3）脫硫石膏的抗裂方式以明顯開(kāi)裂為主，磷石膏的抗裂方式以輕微開(kāi)裂為主。

（4）進(jìn)廠溫度保持穩(wěn)定的石膏基本不存在開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）石膏抗壓強(qiáng)度與進(jìn)廠溫度之間存在關(guān)聯(lián)性，隨著進(jìn)廠石膏溫度的升高，石膏抗壓強(qiáng)度下降的風(fēng)險(xiǎn)在逐步增加。

（6）外界環(huán)境溫度與進(jìn)廠石膏溫度之間沒(méi)有顯著的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)廠石膏溫度主要受其自身溫度的影響。