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(chǎn)中用硫酸處理磷礦時(shí)產(chǎn)生的固體副產(chǎn)物，每生產(chǎn)1 噸磷酸約產(chǎn)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(zhì)（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(zhì)（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(shù)為不溶性固體，其危害性可忽略不計(jì)。

我國磷石膏年產(chǎn)量約7500 萬噸左右，累計(jì)堆存量6 億噸，綜合利用率40%左右。磷石膏產(chǎn)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(huán)境安全隱患。2018 年，貴州省對磷石膏提出“以渣定產(chǎn)”，磷石膏重點(diǎn)產(chǎn)區(qū)四川、湖北、云南、安徽等省份也陸續(xù)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(biāo)和獎(jiǎng)懲措施。當(dāng)前全國基本形成了建材領(lǐng)域、化工領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、井下充填四種利用途徑。從產(chǎn)業(yè)化利用來看，當(dāng)前磷石膏綜合利用產(chǎn)品仍以石膏建材為主。石膏建材具有輕質(zhì)、防火、保溫、隔熱、隔聲、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

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(qiáng)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(guān)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(guī)律，為磷石膏制品在濕度條件下的應(yīng)用及拓展磷石膏制品的應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)依據(jù)

GB/T 17671－1999 水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)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(yàn)條件。

GB/T 17669.3－1999 建筑石膏 力學(xué)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 原材料

建筑石膏系由甕福集團(tuán)排放的磷石膏經(jīng)貴州正霸新材料科技有限公司煅燒而成，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 建筑石膏試驗(yàn)結(jié)果

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

攪拌器具、凝結(jié)時(shí)間測定儀、電子秤（精度為1g）、三聯(lián)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(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)（符合JC/T 724 的要求）、抗壓夾具（符合JC/T 725 的要求）、壓力試驗(yàn)機(jī)、恒溫箱、燒杯和量筒等。

3 實(shí)驗(yàn)方法

分別按不同的水膏比（即水和建筑石膏粉質(zhì)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(jié)時(shí)間。按GB/T 17669.3－1999《建筑石膏 力學(xué)性能的測定》中的測試方法測試絕干抗折強(qiáng)度和絕干抗壓強(qiáng)度。利用測試強(qiáng)度試件稱取脫模質(zhì)量和絕干質(zhì)量，計(jì)算相關(guān)密度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 是不同水膏比情況下建筑石膏料漿的性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)表2 繪出相關(guān)關(guān)系曲線，見圖1～圖7。

由圖1～圖7，我們可以初步得出以下規(guī)律：

⑴圖1 變化曲線得知，隨水膏比的增加，石膏的初凝時(shí)間延長，其最短時(shí)間為3.5min，最長時(shí)間為8.5min，主要因?yàn)橛盟康脑黾樱瑵{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(shí)間延長，其最短時(shí)間為6.0min，最長時(shí)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(shí)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(nèi)部的空隙率增加，導(dǎo)致出模時(shí)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(dǎo)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(shí)間變化規(guī)律

圖2 不同水膏比下的終凝時(shí)間變化規(guī)律

圖3 不同水膏比下的出模密度變化規(guī)律

圖4 不同水膏比下的絕干密度變化規(guī)律

圖5 不同水膏比下的2h 濕抗折強(qiáng)度變化規(guī)律

圖6 不同水膏比下的2h 濕抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

圖7 不同水膏比下的絕干抗折強(qiáng)度變化規(guī)律

圖8 不同水膏比下的絕干抗壓強(qiáng)度變化規(guī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(nèi)部的凝聚力降低，引起的絕干抗折強(qiáng)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(qiáng)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(jié)論

本研究選擇的水膏比范圍從0.60～0.90，實(shí)驗(yàn)中選取的水膏比包括了絕大部分實(shí)際使用中出現(xiàn)的水膏比例。研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)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(qiáng)度降低。故水膏比的選擇，對石膏建材制品的生產(chǎn)和產(chǎn)品性能有著至關(guān)重要的作用，加上不同來源石膏粉的差異化較大，企業(yè)應(yīng)通過大量試驗(yàn)選擇合適的水膏比并不斷優(yōu)化，以確保石膏建材產(chǎn)品的最終質(zhì)量。