廣元地區石膏礦分析及制備建筑石膏的性能評價

李英丁，唐凱靖（.廣東龍湖科技股份有限公司綿陽技術中心， 四川 綿陽 6000；.綿陽職業技術學院， 四川綿陽 6000）

天然石膏在我國分布廣泛，主要石膏產地有山東、山西、湖北、四川、寧夏、甘肅等省區。天然石膏包括二水石膏 (CaSO4·2H2O)和硬石膏(CaSO4)，主要是鹽湖中化學沉積作用的產物，常與石鹽、鉀鹽及光鹵石共生，且兩種石膏也常伴生產出，可互相轉化[1]。硬石膏因其活性較低，無法直接作為膠凝材料使用，可以通過外加劑進行激發生產石膏制品[2]，也可作為膨脹組分用于混凝土或砂漿中[3]。生產石膏膠凝材料的最主要原料是天然二水石膏，二水石膏在不同條件下脫水可獲得不同的變體。我國主要采用回轉窯和炒鍋生產建筑石膏[4]。

二水石膏含量是判斷石膏礦品位的重要技術參數，對石膏礦成分進行分析是判斷石膏礦品位的主要手段。四川省廣元市石膏礦品位不高，要加以利用必須充分了解礦場各部位石膏礦的主要成分。同一礦場的石膏礦生產的建筑石膏質量存在一定的波動，對建筑石膏各項性能的測試可以揭示建筑石膏性能產生差異的原因，并為建筑石膏的生產提供技術依據。

1 廣元石膏礦分析

廣元石膏礦位于四川省廣元市利州區大石鎮，各部位石膏礦顏色和形態有明顯的差異，可以比較容易區分二水石膏礦和硬石膏礦，但二水石膏通常與硬石膏一起伴生，因此需要針對二水石膏礦進行系統分析，了解各部位石膏礦結晶水含量和礦物成分。

在石膏礦不同部位取樣 6 個，分別編號為 B、D、E、F、G、H。參照 GB/T 5484—2012《石膏化學分析方法》的規定測試石膏礦的結晶水含量，采用 XRD(X 熒光光譜儀)分析石膏礦元素含量，結果如表1 所示，并采用 XRF(X 射線衍射儀)分析石膏礦成分。

表1 石膏礦的化學成分及結晶水含量 %

從石膏礦形貌可以看出，不同部位的石膏礦顏色和致密度有一定的差異。樣品 B 和 D 顏色較淺、石膏晶體清晰、表面松軟。樣品 E 和 G 顏色稍深，石膏晶體依然較為清晰，表面致密度有所下降。樣品灰白色與深灰色幾乎相當，石膏晶體模糊。樣品 F 和 H 顏色較深，表面有少許石膏晶體，致密度較高。

由表1 可知，6 種石膏礦的主要化學成分為硫酸鈣及其化合物，樣品 G 和 H 含有鎂鹽，因此這兩個石膏礦的雜質含量偏高。二水石膏 (CaSO4·2H2O)的理論結晶水含量為20.93%。從表1 可以看出，6 個石膏礦樣品的結晶水含量均低于理論值，參照 GB/T 5483—2008《天然石膏》的規定，計算 6 種石膏礦的品位，結果如表2 所示。樣品 B、D 和 E 的品位均 ＞ 95%，屬于特級石膏品位；樣品 G 和 H 品位 ＞ 85%，屬于一級品位；樣品 F 品位 ＞ 55%，屬于四級品位。

表2 石膏礦的品位 %

石膏礦 XRD 圖譜如圖1 所示。由圖1 可知，樣品 B、D 和 E 的主要成分均為 CaSO4·2H2O，沒有看到明顯的雜質成分，結晶水與 XRF 測試結果一致。樣品 G 和 H 除了含有CaSO4·2H2O，還含有 MgCO3，因此結晶水含量下降，品位降低。樣品 F 主要成分為 CaSO4，還含有 CaSO4·2H2O，因此結晶水含量最低。

圖1 石膏礦 XRD 圖譜

2 廣元石膏礦制備建筑石膏的研究

廣元當地一建筑石膏生產企業利用該石膏礦（未預先進行選礦），采用回轉窯生產建筑石膏。在石膏煅燒生產線出料口每隔 4 h 取樣 1 次，連續取樣 6 個，分別編號為 2～7號。按照 GB/T 17669.2—1999《建筑石膏結晶水含量的測定》測試石膏的結晶水含量，按照 GB/T 17669.4—1999《建筑石膏凈漿物理性能的測定》測試石膏的標稠、初凝時間和終凝時間，按照 GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力學性能的測定》測試石膏的 2 h 抗折強度和抗壓強度，按照GB/T 36141—2018《建筑石膏相組成分析方法》測試石膏的附著水和 Ⅲ 型無水石膏含量。測試結果如表3 所示。

表3 建筑石膏基本性能

從表3 可以看出，2～5 號樣品標稠較高，終凝時間超出標準要求，主要原因之一為含有大量的 Ⅲ 型無水石膏。6號和 7 號樣品的標稠較低，低于正常建筑石膏的標稠水平。6 種樣品 2 h 抗折強度和 2 h 抗壓強度均偏低。

因結晶水含量測試過程中未考慮 Ⅲ 型無水石膏含量，因此剔除 Ⅲ 型無水石膏含量后重新計算 2～5 號修正后的結晶水含量，結果如表4 所示。CaSO4·0.5 H2O 的理論結晶水含量為 6.21%，2～5 號建筑石膏修正后的結晶水含量均高于理論結晶水含量，因此可以判斷建筑石膏中含有未脫水完全的 CaSO4·2H2O。可能是石膏煅燒過程中進料過快，導致受熱不均勻，部分物料溫度過高生成了 Ⅲ 型無水石膏，而部分物料欠燒，還有未脫水的二水石膏存在。

表4 建筑石膏修正后的結晶水含量 %

建筑石膏 XRD 圖譜如圖2 所示。由圖2 可知，2～5 號建筑石膏含有 CaSO4·0.5 H2O， 還含有 CaSO4。6 號和 7 號以 CaSO4和 CaSO4·0.5 H2O為主，且結晶水含量明顯低于理論值，因此可以判斷煅燒用石膏礦結晶水含量不高，含有大量 CaSO4所致。

圖2 建筑石膏 XRD 圖譜

綜合上述測試結果，建筑石膏生產用石膏礦的篩選對生產的建筑石膏質量有重要的影響。石膏煅燒過程中進料與溫度控制影響物料平衡，也是影響建筑石膏質量的重要因素。

3 結 語

（1）廣元石膏礦的品位參差不齊，二水石膏礦中伴生硬石膏礦，從對成分和結晶水含量的分析可以發現，有些可達到特級，有些僅達到四級。

（2）石膏煅燒物料平衡是影響建筑石膏礦物組成的重要因素。當溫度過高、受熱不均勻時生產的建筑石膏中 Ⅲ型無水石膏和 CaSO4·2 H2O 的存在影響建筑石膏的品質。

（3）生產建筑石膏用的石膏礦需要進行篩選。石膏礦中硬石膏含量較高時，會導致生產的建筑石膏標稠偏低和抗折/抗壓強度均偏低。