不同水膏比對建筑石膏性能影響的初步研究

吳敬龍

(福建正霸新材料股份有限公司)

0 背景

磷石膏是指在磷酸生產中用硫酸處理磷礦時產生的固體副產物，每生產1 噸磷酸約產生4.0～5.0 噸磷石膏，磷石膏主要成分為二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O），還含有不溶性雜質（如石英、未分解的磷灰石、不溶性P2O5、共晶P2O5及鋁、鎂的磷酸鹽和硫酸鹽）、可溶性雜質（如水溶性P2O5，溶解度較低的氟化物和硫酸鹽），此外，磷石膏中還含砷、銅、鋅、鐵、錳、鉛、鎘、汞及放射性元素，均極其微量，且大多數為不溶性固體，其危害性可忽略不計。

我國磷石膏年產量約7500 萬噸左右，累計堆存量6 億噸，綜合利用率40%左右。磷石膏產生量大，綜合利用成本較高，大量磷石膏長期堆存，不僅占用土地，而且存在較大環境安全隱患。2018 年，貴州省對磷石膏提出“以渣定產”，磷石膏重點產區四川、湖北、云南、安徽等省份也陸續提出削減磷石膏庫存，提高磷石膏綜合利用水平的具體指標和獎懲措施。當前全國基本形成了建材領域、化工領域、農業領域、井下充填四種利用途徑。從產業化利用來看，當前磷石膏綜合利用產品仍以石膏建材為主。石膏建材具有輕質、防火、保溫、隔熱、隔聲、環保等優點。

磷石膏在石膏建材上利用，是將磷石膏在107～170℃的干燥條件下煅燒成建筑石膏（CaSO4·1/2H2O），建筑石膏遇水硬化后具有一定強度，從而制成不同種類的建筑材料。為了解建筑石膏與石膏建材制品的性能關系，本文研究了不同水膏比條件下建筑石膏的性能，初步研究不同水膏比對建筑石膏性能的影響規律，為磷石膏制品在濕度條件下的應用及拓展磷石膏制品的應用范圍提供理論依據。

1 實驗依據

GB/T 17671－1999 水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)。

GB/T 9776－2008 建筑石膏。

GB/T 17669.1－1999 建筑石膏 一般試驗條件。

GB/T 17669.3－1999 建筑石膏 力學性能的測定。

GB/T 17669.4－1999 建筑石膏 凈漿物理性能的測定。

GB/T 17669.5－1999 建筑石膏粉料物理 性能的測定。

2 實驗準備

2.1 原材料

建筑石膏系由甕福集團排放的磷石膏經貴州正霸新材料科技有限公司煅燒而成，試驗結果見表1。

表1 建筑石膏試驗結果

2.2 實驗設備

攪拌器具、凝結時間測定儀、電子秤（精度為1g）、三聯試模（符合JC/T 726 的要求）、攪拌容器（符合GB/T 17669. 1 的要求）、電動抗折試驗機（符合JC/T 724 的要求）、抗壓夾具（符合JC/T 725 的要求）、壓力試驗機、恒溫箱、燒杯和量筒等。

3 實驗方法

分別按不同的水膏比（即水和建筑石膏粉質量比）（0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90）制備料漿。按GB/T 17669.4-1999《建筑石膏 凈漿物理性能的測定》中的測試方法測試凝結時間。按GB/T 17669.3－1999《建筑石膏 力學性能的測定》中的測試方法測試絕干抗折強度和絕干抗壓強度。利用測試強度試件稱取脫模質量和絕干質量，計算相關密度。

4 實驗結果

表2 是不同水膏比情況下建筑石膏料漿的性能實驗結果，根據表2 繪出相關關系曲線，見圖1～圖7。

由圖1～圖7，我們可以初步得出以下規律：

⑴圖1 變化曲線得知，隨水膏比的增加，石膏的初凝時間延長，其最短時間為3.5min，最長時間為8.5min，主要因為用水量的增加，漿體中的自由水分增多，延遲了漿體變稠失去塑性的過程。

⑵圖2 變化曲線得知，隨水膏比的增加，石膏的終凝時間延長，其最短時間為6.0min，最長時間為14.0min，原因同1。

⑶圖3 變化曲線得知，隨水膏比的增加，石膏材料出模時的濕密度下降，其最大值為1637kg/m3，最小值為1488kg/m3，原因在于水膏比的增加，漿體內部的空隙率增加，導致出模時的濕密度下降。

⑷圖4 變化曲線得知，隨水膏比的增加，石膏材料的絕干密度下降，其最大值為1192kg/m3，最小值為911kg/m3，原因在于水膏比的增加，導致石膏材料在凝固后氣孔增多，絕干密度下降。

表2 不同水膏比下的石膏料漿性能

圖1 不同水膏比下的初凝時間變化規律

圖2 不同水膏比下的終凝時間變化規律

圖3 不同水膏比下的出模密度變化規律

圖4 不同水膏比下的絕干密度變化規律

圖5 不同水膏比下的2h 濕抗折強度變化規律

圖6 不同水膏比下的2h 濕抗壓強度變化規律

圖7 不同水膏比下的絕干抗折強度變化規律

圖8 不同水膏比下的絕干抗壓強度變化規律

⑸圖5 變化曲線得知，隨水膏比的增加，石膏材料的2h 抗折強度下降。其最大值為3.2MPa，最小值為1.8MPa，原因在于水膏比的增加，漿體中的自由水分增多，引起的2h 抗折強度下降。

⑹圖5 變化曲線得知，隨水膏比的增加，石膏材料的2h 抗壓強度下降。其最大值為9.1MPa，最小值為5.2MPa，原因同5。

⑺圖7 變化曲線得知，隨水膏比的增加，石膏材料的絕干抗折強度有大幅度下降，其最大值為5.42MPa，最小值為3.5MPa，原因在于水膏比的增加，石膏材料在凝固后形成的氣孔增加，使得材料內部的凝聚力降低，引起的絕干抗折強度下降。

⑻圖8 變化曲線得知，隨水膏比的增加，石膏材料的絕干抗壓強度有大幅度下降，其最大值為14.8MPa，最小值為10.6MPa，原因同7。

5 結論

本研究選擇的水膏比范圍從0.60～0.90，實驗中選取的水膏比包括了絕大部分實際使用中出現的水膏比例。研究發現，水膏比是影響石膏材料性能的重要因素，隨著水膏比的增加，石膏凝結有著明顯的延長，石膏材料的孔隙率增加，密度降低，抗折和抗壓強度降低。故水膏比的選擇，對石膏建材制品的生產和產品性能有著至關重要的作用，加上不同來源石膏粉的差異化較大，企業應通過大量試驗選擇合適的水膏比并不斷優化，以確保石膏建材產品的最終質量。