改性增強天然建筑石膏的應用研究

張立乾 李海燕 王 能

山西聚義新型建材技術研究院

1 引言

石膏是一種用途廣泛的工業材料和建筑材料。石膏是單斜晶系礦物，是主要化學成分為硫酸鈣（CaSO4）的水合物。石膏及其制品的微孔結構和加熱脫水性，使之具優良的隔音、隔熱和防火性能，可用于水泥緩凝劑、石膏建筑制品、模型制作、醫用食品添加劑、硫酸生產、紙張填料、油漆填料等。

建筑石膏，又稱β 型半水石膏，簡稱β 石膏，其化學式為CaSO4·0.5H2O，生產β石膏的原料主要為含兩個結晶水硫酸鈣的天然石膏（又稱生石膏）或含硫酸鈣的化工副產品和磷石膏、氟石膏、硼石膏等廢渣，其化學式為CaSO4·2H2O，也二半水石膏。

天然二水石膏CaSO4·2H?O又稱為生石膏，經過煅燒、磨細可得β型半水石膏：CaSO4·1/2H2O，即建筑石膏，簡稱β石膏，又稱熟石膏、灰泥。若煅燒溫度為190°C可得模型石膏，其細度和白度均比建筑石膏高。若將生石膏在400°C～500°C 或高于800°C 下煅燒，即得地板石膏，其凝結、硬化較慢，但硬化后強度、耐磨性和耐水性均較普通建筑石膏為好。

相對于β石膏，就是α石膏即高強石膏，其特點是晶粒較粗，比表面積比較小，調成石膏漿體的可塑需水量很小（比β石膏少的多），約為35%～45%，因而硬化后孔隙率小，具有較高的強度和密實度，故名高強石膏。一般制備方法是，二水石膏在1.3 大氣壓下，124°C的飽和水蒸氣下蒸煉而得。

隨著市場科技日新月異的發展和應用技術的不斷深入，市場并不僅僅只滿足于高強石膏，畢竟其制備工藝復雜且生產成本高，因此伴隨市場的需求而誕生了改性增強建筑石膏或β 石膏，其為β石膏的新應用拓展了應用范圍。

本研究基于現有公司天然建筑石膏的應用潛力而進行了深入的改性增強試驗。并設計了科學而合理的試驗計劃。通過添加各種助劑改性增強建筑石膏粉的試驗，使增強后的普通建筑石膏具有類似高強石膏的抗折強度，并研究其作用機理和應用效果，為建筑石膏的新應用拓展市場空間。

2 原材料

2.1 建筑石膏

表1 細度100目石膏粉的物性指標

2.2 其他試驗原料

表2 一些原料的規格指標

3 試驗配比設計

實驗方案是依據統計學方法，每種原料單獨添加到石膏中，根據建筑石膏的國標要求，測試其標稠、凝結、抗折、抗壓等。并對不同原料復合配比添加到石膏中，進行相應指標測試。通過初步的試驗篩選基本確定了每種原料的添加比例范圍，配比設計如表3。

表3 各個原料的配比設計（%）

4 試驗結果與分析

圖1 水泥對抗折強度的影響

圖2 減水劑對抗折強度的影響

圖3 硫酸鉀和減水劑組合對抗折強度的影響

圖4 其他原料對抗折強度的影響

圖5 多組分對抗折強度的影響

通過每個原料與建筑石膏粉的單獨配比試驗和測試，改性后的石膏指標主要是標稠用水量、凝結時長、抗折強度和抗壓強度，本次研究結合應用目標，重點分析研究了關鍵指標抗折強度的變化，即兩小時抗折強度。表1為建筑石膏改性前的指標包括抗折強度（2.13MPa）。

圖1 說明，P.032.5 水泥的添加量在3%～5%時，對普通建筑石膏的抗折強度可明顯提高，0.3%是峰值，而在1%～3%和大于5%時是降低抗折強度，尤其超過5%時急劇下降。

圖2 說明，減水添加量在0.1%～0.3%時，可提高普通建筑石膏的抗折強度，而超過3%則持續下降。

圖3說明，因微量硫酸鉀的引入，可調高減水劑的添加量和復合提高普通建筑石膏的抗折強度[2]，可使減水劑添加量在0.3%～0.5%之間，而0.5%是峰值。可將建筑石膏的抗折強度從圖2 的峰值2.9MPa 提高到峰值3.7MPa 以上。參考相關文獻和進一步的試驗驗證，微量的硫酸鉀可對建筑石膏中的少量無水硫酸鈣有活性激發作用，從而可參與水化作用而提高整體石膏的抗折強度[3]。

圖4中多條圖形走勢對比，可發現多種試驗料中只有聚乙烯醇和酚醛樹脂可提高普通建筑石膏的抗折強度。結合圖1到圖4可發現，對提高建筑石膏的抗折強度影響較大的原料依次為減水劑、水泥、聚乙烯醇、酚醛樹脂。考慮到在干粉混合中遇水的溶解性和溶解度問題，聚乙烯醇和酚醛樹脂在常溫冷水中溶解不充分，難以完全發揮粘結作用，因此暫不考慮。通過試驗對比了磺酸鈉鹽減水劑、脂肪族高效減水劑、氨基高高效減水劑、聚羧酸高效減水劑等多種減水劑，最終發現聚羧酸高效減水劑對增強建筑石膏最明顯且添加量少可控制成本。通過對普通硅酸鹽水泥不同牌號的對比試驗，證明P.O32.5水泥足以產生預期的增強效果[4]。

如圖5所示，通過減水劑、硫酸鉀和水泥的組合配比添加到建筑石膏中，進行試驗和檢測，建筑石膏的抗折強度可顯著增加，最佳組合比例為：

表4 最佳組合配比

此組合配比，可使原來建筑石膏的抗折強度提高兩倍多，相當于高強石膏的指標。因為不同產地建筑石膏的品質不同，所以在實際的工程應用中，要根據具體的情況和上述的相互關系進行適量地調節。

5 結論

通過上述實驗研究分析，可以得到如下結論：（1）對建筑石膏改性增強效果明顯的原料依次為減水劑、水泥、聚乙烯醇、酚醛樹脂。（2）改性增強建筑石膏，多組分比單組分原料更明顯。（3）普通建筑石膏可以通過改性增強而具有高強石膏的抗折強度。（4）改性增強建筑石膏的最佳組合配比是：0.5%減水劑，5%水泥，0.06%硫酸鉀，94.4%建筑石膏。