蛋白類緩凝劑對建筑石膏的適應性

黃 滔， 彭小芹， 王淑萍， 邱 峰

(1.重慶大學 材料科學與工程學院， 重慶 400045； 2.四川省建材工業科學研究院， 四川 成都 610081)

隨著經濟的發展，中國工業副產品——石膏的排放量呈現逐年遞增趨勢，其中占比最大的為磷石膏和脫硫石膏.根據中國建材聯合會石膏建材分會的統計，中國2013年石膏排放量約為1.84×1012t，其中磷石膏約為7.00×107t，脫硫石膏約為7.55×107t，而且石膏當年綜合利用率僅為48.1%[1].截止“十三五”規劃末期，中國磷石膏的年排放量仍預計為8.0×107～8.5×107t[2].石膏的堆存對地下水及周邊環境等存在潛在的巨大隱患.因此，拓展石膏的利用途徑是提高其綜合利用率的必由之路.

機械噴涂輕質抹灰石膏是2010年中國華東地區出現的新產品，具有施工效率高、不空鼓、不開裂等優點，已由沿海逐漸發展到內地.2015年中國抹灰石膏的銷量達到2.56×106t.由于抹灰石膏的凝結時間短，為滿足施工要求，抹灰石膏中往往摻有緩凝劑.建筑石膏常用的緩凝劑主要有無機鹽和蛋白類兩大類[3-8]，其中蛋白類緩凝劑具有摻量小、緩凝效果好、晶體形貌影響小及強度損失小等優點[9-10].作為膠凝材料的建筑石膏由于各地資源不同，呈現出不同類型.筆者前期進行的緩凝劑對比研究發現，同一蛋白類緩凝劑并不完全適用于所有建筑石膏，因此有必要研究不同類型建筑石膏對蛋白類緩凝劑緩凝效果的影響，以期為蛋白類緩凝劑生產企業和石膏砂漿生產企業提供一定的指導。

1 試驗

1.1 原材料

建筑石膏采用脫硫建筑石膏(FGD)和磷建筑石膏(PG)，其基本情況和化學組成分別見表1，2.4種蛋白類緩凝劑RJ-1，RJ-2，RC-1和RC-2均為市售，其中前2種為進口緩凝劑，后2種為國產緩凝劑.分析純Ca(H2PO4)2·H2O(SSP)為市售.

表1 建筑石膏的基本情況

表2 建筑石膏的化學組成

Note:P2O5in table 2 is water soluble.

1.2 試驗方法

按照GB/T 17669.1—1999《建筑石膏一般試驗條件》中要求的(20±2) ℃，相對濕度為(65±5)%條件進行測試.按照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏凈漿物理性能的測定》和GB/T 5484—2012《石膏化學分析方法》對建筑石膏的凝結時間和pH值進行測試.采用島津IRAffinity-1傅里葉變換紅外光譜儀對建筑石膏進行紅外(IR)測試.

2 結果與討論

2.1 緩凝劑的結構特征

圖1為4種緩凝劑的紅外光譜圖.由圖1可見，4種蛋白類緩凝劑具有相似的分子結構，主要官能團為酰胺鍵和羧基，其主要區別為酰胺鍵的峰位不同，且酰胺Ⅰ帶與酰胺Ⅱ帶是否有重疊峰.

圖1 緩凝劑的紅外光譜圖Fig.1 IR sprecta of the retarders

2.2 緩凝劑對建筑石膏凝結時間的影響

圖3為不同摻量(以建筑石膏質量計)的RJ-1和RC-1對GY1505，HD1506和ZB1507凝結時間(t)的影響.由圖3可見：隨著RJ-1和RC-1摻量的增加，建筑石膏的凝結時間均有所增加；摻入0.12%RJ-1后，ZB1507的初、終凝時間分別增大約67倍和50倍，而GY1505和HD1506的初、終凝時間最大僅增大約6倍；摻入0.12%RC-1后，GY1505的初、終凝時間分別增大約133倍和110倍，HD1506的初、終凝時間分別增大約88倍和112倍，而ZB1507的初、終凝時間最大僅增大約28倍.

圖2 酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶的多峰擬合光譜圖Fig.2 Multimodal fitting IR sprecta of amide Ⅰ and amide Ⅱ

圖3 RJ-1和RC-1摻量對建筑石膏凝結時間的影響Fig.3 Influence of RJ-1 and RC-1 content on the setting time of calcined gypsum

以緩凝度Rm來表征緩凝劑的緩凝效果，其計算方法見式(1)：

Rm=(tr-m-t0-m)/t0-m

(1)

式中：tr-m為摻入緩凝劑后建筑石膏的凝結時間；t0-m為凈建筑石膏的凝結時間；其中m為建筑石膏凝結時間的類型，m為i表示初凝，m為f表示終凝.

圖4為4種蛋白類緩凝劑摻量分別為0.05%時，GY1601和ZB1609的凝結時間.由圖4可以發現，4種蛋白類緩凝劑在不同類型建筑石膏中的凝結時間發生了變化.由圖4得到緩凝度的計算數據，見表3.由表3可見，在不同類型建筑石膏中，4種蛋白類緩凝劑各自的緩凝度并不一致.由表3還可見，具有仲酰胺的RC-2，RJ-1和RJ-2在脫硫建筑石膏中的緩凝度大于它們在磷建筑石膏中的緩凝度，但具有伯酰胺的RC-1在脫硫建筑石膏的緩凝度小于其在磷建筑石膏中的緩凝度.說明蛋白類緩凝劑的緩凝度受到建筑石膏類型的影響.

圖4 緩凝劑摻量為0.05%時建筑石膏的凝結時間Fig.4 Setting time of calcined gypsum when w(retarder) is 0.05%

Type ofretarderGY1601ZB1609RiRfRiRfRC-21.691.386.504.76RJ-12.691.8610.6310.60RJ-23.692.7642.1329.00RC-17.465.384.503.32

2.3 建筑石膏pH值和對緩凝劑緩凝度的影響

當RC-1摻量為0.05%時，磷建筑石膏pH值對其凝結時間的影響見表4.由表4可見：當磷建筑石膏的pH值為6.55，接近7時，RC-1的緩凝時間最短；磷建筑石膏pH值不同，RC-1的緩凝時間也有所不同.這說明對某種具體的蛋白類緩凝劑來說，其緩凝效果受磷建筑石膏pH值的影響.

圖5為緩凝劑摻量為0.05%時磷建筑石膏GY1601 pH值對其凝結時間的影響.由此計算出的緩凝度見表5.由表5可以發現：4種蛋白類緩凝劑的緩凝度均隨磷建筑石膏pH值的增加而增大；具有不同類型酰胺鍵的蛋白類緩凝劑的緩凝效果不受磷建筑石膏pH值的影響.

表4 RC-1摻量為0.05%時磷建筑石膏pH值對其凝結時間的影響

圖5 緩凝劑摻量為0.05%時GY1601 pH值對其凝結時間的影響Fig.5 Influence of pH value on the setting time of GY1601 when w(retarder) is 0.05%

Type ofretarderpH=6.55pH=7.71pH=10.20RiRfRiRfRiRfRC-21.691.3845.4637.7683.1573.29RJ-12.691.8652.2347.19103.4689.38RJ-23.692.76100.85101.10133.77120.05RC-17.465.38102.23102.33135.15117.57

圖6 緩凝劑摻量為0.05%時摻入SSP對ZB1609凝結度的影響Fig.6 Influence of SSP on the retarding degree of ZB1609 when w(retarder) is 0.05%

圖7 緩凝劑對DCP紅外光譜的影響Fig.7 Influence of retarders on the IR spectrum of DCP

3 結論

(1)蛋白類緩凝劑可與鈣離子生成螯合物，延緩建筑石膏的凝結時間，同時仲酰胺與鈣離子生成的螯合物緩凝效果優于伯酰胺與鈣離子生成的螯合物.

(2)具有不同酰胺鍵類型的蛋白類緩凝劑，其緩凝度受到建筑石膏類型的影響，且隨建筑石膏pH值的增加而增大.

(4)脫硫建筑石膏宜選用酰胺基團主要為仲酰胺的蛋白類緩凝劑，磷建筑石膏宜選用酰胺基團主要為伯酰胺的蛋白類緩凝劑.