高密度高強度脫硫石膏砌塊的技術研究與生產實踐

趙建華，楊 建，高士浩，王松友

（1.山東摩通新型材料科技有限公司，山東 壽光 262714；2.山東默銳環(huán)境產業(yè)股份有限公司，山東 壽光 262714）

1 前言

石膏砌塊一般由β-半水石膏制成，由于β-半水石膏水化成二水石膏大多是長柱狀或針柱狀且膠凝物中多余水分脫水形成無數微孔結構，因此石膏制品具有自重輕、保溫隔熱性能好等突出優(yōu)點，在建筑領域獲廣泛應用，尤其是在用于制造內隔墻體所需的石膏砌塊。但近年來國內外有些國家和地區(qū)參照歐洲標準EN 12859：2011對石膏墻體密度、強度指標要求越來越高。研制生產高密度高強度石膏砌塊是市場急需。

2 研究現狀與問題

2.1 研究現狀

國內外有關提高石膏制品密度、增加強度的研究已不少，按照研究方向主要可分為三大類。

(1) 添加減水劑。對于石膏制品而言，各種減水劑的摻入也可以降低石膏水化所需的用水量， 進而降低石膏硬化后的孔隙率，達到提高硬化體密度、改善晶體聚集體結構，從而顯著提高制品強度的目的。彭家惠[1]研究了萘系、多羧酸系兩種不同類型減水劑在石膏中的分散作用及其穩(wěn)定性。研究表明：多羧酸系分散穩(wěn)定性較好、萘系較差。流動相同時多羧酸系增強效果隨摻量的增加而提高，萘系超過1%會降低。

(2) 添加增強劑。常用的膠粉、甲基纖維素等，通過參與石膏的水化反應，可提高硬化強度，也有添加礦渣微粉、粉煤灰、水泥等復合激發(fā)劑提高強度。何挺樹等[2]通過添加木鈣減水劑、檸檬酸緩凝劑、木質纖維素、水泥、脫硫石膏等，可獲得密度為964kg/m3，28d抗壓強度達10.1MPa的輕質脫硫石膏砌塊。杜傳偉等[3]以粉煤灰為填料，通過摻加復合激發(fā)劑激發(fā)脫硫石膏—粉煤灰膠結材的活性，達到改善石膏砌塊性能的目的。

(3) 利用蒸壓法α型石膏為原料。由于蒸壓法α型石膏強度高、混水比低，可以用于生產高密高強石膏砌塊。主要問題是蒸壓法α型石膏成本比β型建筑石膏高。

2.2 存在的問題

在實際生產中要考慮國內生產線的計量配置、生產產能要求以及工人操作現場等多種因素。

(1) 國內石膏砌塊生產線自動計量控制受到限制。現有生產線對于粉料計量一般設置一套計量稱，對應一套100～120m3石膏粉料罐。水計量系統(tǒng)在攪拌機上方設置水倉1個、采取失重稱計量。因此添加多種粉體料(礦渣、水泥、粉煤灰、膠粉等)不能實現自動計量、密閉輸送，只能采取人工稱量、人工添加，現場環(huán)境臟亂。

(2) 降低石膏砌塊的產能。石膏砌塊從石膏粉和水下料攪拌翻轉，刮口到凝固頂升出模，時間一般在10min內，工序一環(huán)扣一環(huán)，工人沒有空余時間。因此采取人工稱量、人工添加多種粉體料，既增加崗位工人又嚴重影響產量。基于以上生產要求和存在的問題，高強度高密度石膏砌塊的研究與生產方向要以建筑石膏為主，通過添加減水劑達到客戶的產品要求。

3 試驗研究

3.1 試驗原料

石膏粉：山東淄博魯恒建材脫硫β-半水石膏，標準稠度用水量69%，初凝6min終凝11min。

減水劑：澳漢盛川化工有限公司聚羧酸系高性能減水劑SC-11，該產品為粉劑，專用于石膏基干粉材料技術指標見表1。試驗添加參數為脫硫半水石膏質量百分比。

表1 SC-11技術指標

緩凝劑：德國貝克吉利尼公司生產的TARGON34。

顏料：臨沂彩麗格化工有限公司氧化鐵紅。

3.2 減水劑試驗

稠度的測定：按照GB/T 17669《建筑石膏 凈漿物理性能的測定》，稱取300±1g試樣，在30s內將石膏粉均勻地撒入盛有預定稠度所需水量的容器內，靜置30s，接著快速攪拌1min，立即注入銅管內，用刮刀將表面刮平，隨后垂直向上提起銅管(漿體注入至提起銅管的操作時間不應超過20s，銅管提起的高度約20cm)，觀察料漿的擴展直徑，讀數的平均值達±5mm時符合要求。

測定了聚羧酸系高效減水劑對三種水膏比(60%、55%、50%)石膏流動度的影響，流動度相同時減水劑摻加量對用水量的影響。考察了減水劑摻量對石膏干抗壓強度的影響，結果見圖1～3。

圖1 減水劑摻加量對石膏漿體流動度的影響

圖2 減水劑摻量與減水率關系

聚羧酸系減水劑可顯著提高石膏漿體的流動度，石膏漿體的流動度隨減水劑摻量的增加而提高。隨著聚羧酸系減水劑的摻加石膏漿體的水膏比降低，石膏的干抗壓強度顯著提高。

圖3 減水劑摻量對石膏干抗壓強度影響

4 生產實踐

4.1 確定生產工藝參數

由于部分地區(qū)客戶對石膏砌塊指標參照歐洲標準EN 12859：2011要求。因此對高密度石膏砌塊一般確定標準見表2。

表2 歐洲標準對石膏砌塊技術要求

4.2 生產工藝參數計算依據

要依據半水石膏轉化為二水石膏的基礎理論確定石膏粉、水的添加。半水石膏轉化二水分子式：

CaSO4.1/2H2O→CaSO4.2H2O，理論吸水1.5個水分子，吸水量占二水總重量的15.69%。

以最小水需求的理論值倒退β-半水石膏摻加量。石膏砌塊密度1 200kg/m3；扣除自然含水≤7%后石膏砌塊凈重量1 116kg/m3。理論最小配水175.1kg半水石膏940.9kg。

因此考慮計量誤差、生產揚塵等因素，確定半水石膏945kg，水作為填充，要求充滿石膏砌塊模具腔體，保證成型需要，然后再考慮流動性。

以推算的β-半水石膏摻加量為基準數再確定水的添加量，保證充滿模具。

根據研究，石膏變體具有如下物理性能(表3)。

表3僅僅是天然石膏的理論值，但是脫硫石膏含雜質較多，形成β-半水石膏晶型松散，因此相對密度比表中低。通過測定，β-半水石膏相對密度2 510kg/m3，945kg半水石膏占容積為0.376 5m3。余下需要配水0.623 5m3才能形成1m3石膏料漿。因此確定生產工藝參數為：半水石膏945kg/m3，水623.5kg/m3。水膏比65.9%。

表3 石膏變體物理性能

根據石膏化驗得知：β-半水石膏標準稠度用水量69.9%，因此需降低用水4%左右。從以上試驗得知需要添加聚羧酸系高效減水劑0.2%，約1.89kg。

4.3 生產應用

生產高密度高強度石膏砌塊首先應對原有生產線進行改造。在配料工序增加1個不銹鋼罐，用于存放減水劑水劑。另外增加1臺計量隔膜泵，控制減水劑的摻加量，其生產工藝如下。

(1) 配料與成型。配料系統(tǒng)由西門子SIWAREX電子稱量系統(tǒng)控制。水經電子流量計流入攪拌機，達到設定參數時閥門關閉。減水劑經過隔膜泵計量打到攪拌機。脫硫半水石膏粉經電子稱量后由變頻螺旋輸送機輸送到計量配料倉，達到設定參數停止稱量。打開氣動閥，讓配比好的原料落入攪拌機，并在其中攪拌1min，形成均勻料漿后翻轉倒入成型機立模。在實際生產過程，每次配料24模，共8m2(折合0.8m3)，配料比見表4。

表4 高密度石膏砌塊配料比 (單位：kg/模/次)

(2) 刮口與頂升。料漿在成型機模腔內先凝固2min，啟動液壓刮漿機往返兩個行程，將石膏砌塊上口刮出形狀。已成型的石膏砌塊再凝固5min后，啟動液壓頂升機將石膏砌塊頂出。

(3) 夾具與輸送。用氣動夾具將石膏砌塊抓住、上升，沿固定軌道放到預定位置的電動輸送車上，電動運輸車拖運到干燥棚，由叉車自動抓取碼垛。

(4) 分級打包。干燥的石膏砌塊由卸車夾具將其卸下，將不合格產品檢出，合格產品碼垛打包，每個包裝上下兩層插接共24塊，用鋼帶捆扎入庫。

4.4 產品性能檢測

應用脫硫石膏摻加聚羧酸系高效減水劑生產的高密度高強度石膏砌塊尺寸精確、強度高、隔音防火性能優(yōu)良。經檢測，各項性能指標符合歐洲標準EN 12859：2011要求。密度平均值1 230kg/m3，斷裂荷載146KN，抗壓強度14.5MPa。

5 結論

本文針對高密度高強度石膏砌塊進行了研究，通過對脫硫石膏摻加聚羧酸系高性能減水劑的減水性能和對高密度高強度石膏砌塊的生產工藝參數的研究與實踐，得出如下結論。

(1) 聚羧酸系高效減水劑可以顯著提高脫硫半水石膏漿體的流動性，增強二水石膏結晶體密實度，進一步增強石膏的強度。

(2) 國內外研究通過添加增強劑提高石膏砌塊密實度和強度的方向，在生產實踐中難以實現。

(3) 確定生產工藝參數要根據產品要求，依據半水石膏轉化二水石膏的理論基礎，采取倒推法確定半水石膏配料；水作為填充劑正好充滿石膏砌塊模具容積為宜。

(4) 通過對脫硫石膏摻加聚羧酸系高效減水劑，可以生產出符合歐洲標準EN 12859：2011要求的高密度高強度石膏砌塊。