緩凝劑對脫硫建筑石膏性能的影響

孟曉林，王秋芹，王玉玲

(蚌埠學院 材料與化學工程學院，安徽 蚌埠 233000)

脫硫建筑石膏材料已廣泛應用于建筑行業，是由于其可循環持續利用的特性，并具有較強的環保性能。但凝結硬化時間短的缺點，大大限制了石膏的施工工藝，因此需要添加緩凝劑來改善其性能，讓石膏漿體保持較長時間的可塑性能，有助于提高脫硫建筑石膏的可操作性以及施工性，這也是目前建筑上對石膏建材研究的重點內容。雖然緩凝劑能緩解凝結時間，但是也能夠在一定范圍內降低材料強度[1]。因此選擇合適的緩凝劑來提升脫硫建筑石膏性能具有很大的研究意義。

緩凝劑的作用機理是降低溶液中石膏溶出率，離子吸附到脫硫石膏表面，形成難溶性化合物限制了石膏離子結晶。緩凝劑在延長漿體凝結時間的同時，會給石膏硬化體的強度帶來負面影響，故在研究過程中，需綜合考慮石膏漿體的泌水性能、石膏硬化體的力學性能等

本次實驗主要通過研究不同種類的緩凝劑，檸檬酸、酒石酸和三聚磷酸鈉對脫硫建筑石膏性能產生的影響，分析其對石膏凝結時間、水化溫度及強度等性能的影響[2]，選擇最合適的緩凝劑來提升脫硫建筑石膏的性能，滿足工業生產的操作化要求。

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

所用材料主要為脫硫建筑石膏、生石灰、硼酸銨、液體石蠟、石蠟乳化劑、自來水等。脫硫建筑石膏為蘇州中電生產，細度≥140目，經實驗測得其標準稠度水膏比為66%，初凝、終凝時間分別為10min、15min；檸檬酸、酒石酸、三聚磷酸鈉，均為市購。

1.2 實驗方法

(1)試塊養護條件：試件成形后在標養條件下養護，再放入(40±5)℃的恒溫干燥箱中烘干至恒重。

(2)脫硫建筑石膏性能測試：建筑石膏凝結時間、標準稠度、強度測定參照《建筑石膏》GB9776-88進行。

(3)pH值調節與測定

使用稀鹽酸(2mol/L)、氫氧化鈉溶液(2mol/L)來調節漿體的pH，用pH計來測定漿體pH。

(4)水化溫度的測定

將一定體積攪拌均勻的石膏漿倒入燒杯，然后用棉布包裹，使其達到保溫的效果。用棉布覆蓋燒杯口，留洞插入溫度計，溫度計底端直接接觸石膏漿體，連續測定不同時間漿體溫度。

2 實驗結果分析

2.1 不同摻量緩凝劑的緩凝效果

圖1 不同緩凝劑對漿體初凝時間的影響

圖2 不同緩凝劑對漿體終凝時間的影響

圖1、圖2分別為不同摻量的三種緩凝劑對脫硫建筑石膏初凝、終凝時間影響。由圖可知，隨著緩凝劑摻量的不斷增加，石膏的凝結時間也在持續的延長，說明三種緩凝劑都有一定的緩凝效果。其中，檸檬酸的緩凝效果最為突出，檸檬酸摻量為 0.10%時漿體初、終凝時間分別為51min、92min；摻量為0.40%時，初、終凝時間可達112min、181min，幾乎是摻量為0.10%時的兩倍。酒石酸摻量為0.10%時，漿體初、終凝時間分別為33min、41min；摻量為0.40%時漿體的初、終凝時間分別為37min、46min，緩凝效果較差，且隨著摻量的增長，緩凝效果趨于平緩。對比三種緩凝劑，檸檬酸的凝緩效果最佳，其次是三聚磷酸鈉，最后的是酒石酸。

2.2 緩凝劑對石膏硬化體強度的影響

不同摻量緩凝劑對脫硫建筑石膏砌塊強度的影響見圖3和圖4，由圖可知，緩凝劑對脫硫建筑石膏的強度具有嚴重的負面影響。隨著緩凝劑用量的增多，抗壓強度、抗折強度均有所降低。

圖3 不同摻量緩凝劑對砌塊抗折強度的影響

圖4 不同摻量緩凝劑對砌塊抗壓強度的影響

由圖3、圖4可知，在添加檸檬酸、三聚磷酸鈉時，緩凝劑摻量對砌塊強度影響十分明顯。檸檬酸作用于脫硫建筑石膏，對其抗折強度的影響最為顯著。檸檬酸的用量越是增多，脫硫建筑石膏的強度損耗越顯著。三種不同緩凝劑對石膏砌塊強度的影響程度，檸檬酸>三聚磷酸鈉>酒石酸。

2.3 pH值對緩凝劑緩凝效果的影響

以檸檬酸為例，研究在不同的pH值下，檸檬酸對脫硫建筑石膏緩凝效果的影響，從而找到合適的pH值。采用氫氧化鈉、鹽酸改變漿體的酸堿度，將0.10%的檸檬酸加入拌和水中，監測在不同pH值下石膏漿體的初、終凝時間。圖5為不同pH值對0.10%摻量檸檬酸石膏漿體凝結時間的影響。

圖5 不同pH對檸檬酸緩凝效果的影響

從圖5可以看出，檸檬酸緩凝效果最好的是pH值在7～9之間，而且凝結時間在pH值為8.2時達到了頂點。雖然當pH值大于9時，曲線是有下降的趨勢，但對比酸性條件下的緩凝效果，依然十分顯著。因此檸檬酸對石膏漿體的緩凝效果在堿性條件下可達到最佳。

檸檬酸的緩凝效果之所以會受到pH的影響，主要是因為檸檬酸在不同酸性條件下電離出H+，分別形成檸檬酸根離子和檸檬酸氫根離子，酸根離子和石膏中的Ca2+結合形成穩定性不同的檸檬酸鈣。在pH值為7～9時，酸根離子與Ca2+形成的配合物穩定性最高，從而達到延長漿體凝結時間的效果，故緩凝效果最好[3]。

2.4 緩凝劑對水化溫升影響

石膏水化過程是一個放熱過程，隨著時間的增加，溫度曲線可以用石膏的水化速度來表示。在水化的同時會產生水化熱，石膏的溫度會得到提升[4]。脫硫建筑石膏的水化放出的熱量十分突出，石膏放熱的速度也非常快。所以需要在保溫環境下進行實驗，故燒杯需要棉布的包裹達到保溫效果，盡量減少熱量的損失。選擇緩凝效果適中的三組配比，將脫硫石膏分別和0.20%檸檬酸、0.10%的三聚磷酸鈉和0.10%酒石酸混合制成石膏凈漿，測定凝結時間同時記錄溫度變化。

表1 不同緩凝劑對脫硫建筑石膏凝結時間的影響

表1為不同緩凝劑對脫硫建筑石膏凝結時間的影響。圖6為不同緩凝劑條件下脫硫建筑石膏的水化溫升曲線圖。石膏漿體的水化溫度曲線直接反應了石膏的水化過程。脫硫建筑石膏的水化過程實際上是一個放熱過程，共分為五大階段。首先，石膏與水結合，石膏水合物達到固定的溫度(初始階段)；然后水化溫度生長緩慢(誘導期)；之后水化溫度快速增加，在一定時間內迅速增長(加速期)；達到固定的溫度，增長的速率降低(減速期)；最后溫度表現為下降趨勢(結束期)[5]。

圖6 不同緩凝劑條件下脫硫建筑石膏水化溫升曲線圖

由表1和圖6可以發現，隨著時間的增加，水化過程放出的熱量快速增加，0.20%摻量檸檬酸條件下，脫硫建筑石膏漿液的初凝時間最長，峰值溫度出現的最遲。0.10%摻量酒石酸條件下，石膏緩凝時間短，峰值溫度出現的比較早。而沒有添加緩凝劑的空白樣本身初凝時間最短，它的峰值溫度出現的最早。凝結時間越短，石膏漿體的峰值溫度出現的越早且溫度越高，反之亦然。所以初凝時間和峰值溫度呈對應的關系。

4 結論

(1)通過對比實驗結果，三種緩凝劑均有一定的緩凝效果，其中檸檬酸緩凝效果最好，硬化體也強度損失最大，其次是三聚磷酸鈉，最后是酒石酸。同時，酒石酸對石膏硬化體的強度影響最小。在工程應用中，可根據實際情況選擇不同的緩凝劑配合施工。

(2)漿體pH值的會直接影響檸檬酸的緩凝效果，在pH值為7～9時檸檬酸的緩凝效果最好，故檸檬酸在堿性環境下的緩凝效果最好。

(3)脫硫建筑石膏的水化過程中是的一個放熱過程，在其中添加檸檬酸等緩凝劑會導致脫硫建筑石膏水化放熱的誘導階段產生了一定程度的延遲，從而導致峰值的出現時間推遲。故凝結時間越短，峰值溫度出現越早，同時峰值溫度越高。