重質抹灰石膏制備及其性能影響因素研究*

2021-10-26 08:01:28李明桂史玉龍楊昌力李浩明

廣州化工 2021年19期

鄒燦，李明桂，史玉龍，楊昌力，李浩明

(貴州大學化學與化工學院，貴州貴陽 550025)

磷石膏是濕法磷酸生產過程中的固體副產物，其主要物相組成為CaSO4·2H2O，年產量達到7500萬t，但低利用率導致堆存量超過5億t，嚴重威脅周邊生態[1]。目前磷石膏利用方向集中在水泥緩凝劑、礦山填充等低附加值領域，經煅燒制備的磷建筑石膏具有水化硬化性能，可廣泛用于生產石膏砌塊、紙面石膏板、抹灰石膏等高附加值建筑材料，增大磷石膏固體廢棄物資源化利用率[2]。近年來，抹灰石膏市場需求量持續增大，根據骨料種類可分為輕質抹灰石膏、重質抹灰石膏兩大類[3]。盡管輕質骨料制成的抹灰石膏具有優良性能，但考慮到部分地區的高運輸成本使得輕骨料價格遠高于砂石料，所以仍有部分企業采用機制砂作為骨料生產抹灰石膏。以往研究人員對抹灰石膏的研究主要集中于外加劑影響[4-6]，骨料在抹灰石膏強度構成中作用極其關鍵，但針對骨料種類及細度性質對重質抹灰石膏性能影響研究較少。本試驗通過考察三聚磷酸鈉、羥丙基甲基纖維素醚、砂骨料摻量對抹灰石膏性能影響規律優化出在最佳配比，并且進一步針對不同細度石英砂、機制砂對抹灰石膏性能影響進行對比研究，為提高重質抹灰石膏提供理論支撐。

1 實驗

1.1 實驗原料

磷建筑石膏來自貴州某化工企業，主要物相組成為半水硫酸鈣(燒石膏)。骨料為標準砂，廈門艾思歐標準砂有限公司；石英砂，購自河南展鵬凈水材料；機制砂，取自貴州正和加氣混凝土有限公司，經篩分得到三種細度范圍骨料。三聚磷酸鈉(AR)，天津市致遠化學品有限公司，羥丙基甲基纖維素醚(AR，粘度20萬)，上海臣啟化工科技有限公司。

1.2 制備方法

按GB/T28627-2012《抹灰石膏》標準要求測定抹灰石膏拌合物標準稠度用水量、凝結時間、硬化強度等物理性能。

2 結果與討論

2.1 三聚磷酸鈉對抹灰石膏性能的影響

固定水膏比為0.38，不同緩凝劑摻量配制抹灰石膏物理性能測試結果見表1。

從表1可見，隨著三聚磷酸鈉摻量增大，抹灰石膏漿體的凝結時間延長，樣品的保水率及強度性能降低；當三聚磷酸鈉摻量為0.6%時，樣品的凝結時間最長，但是其保水率與抗折抗壓強度最低，分別為69%、2.2 MPa、3.8 MPa。這是由于三聚磷酸鈉摻入影響抹灰石膏水化產物晶體形貌粗大，搭接程度降低所致[7]。結合標準GB/T28627-2012《抹灰石膏》中對凝結時間大于1 h的要求，及其經濟性角度選擇三聚磷酸鈉的最適宜摻量為0.4%。

表1 不同三聚磷酸鈉摻量抹灰石膏的物理性能Table 1 Physical properties of plastering gypsum with different dosage of sodium tripolyphosphate

2.2 HPMC對抹灰石膏性能的影響

不同HPMC對抹灰石膏物理性能影響測試結果見表2。

表2 不同HPMC摻量抹灰石膏的物理性能Table 2 Physical properties of plastering gypsum with different HPMC content

從表2中可以看出，隨著保水劑摻量增大，抹灰石膏的標準稠度用水量增大，這是由于保水劑自身具有的三維網狀結構吸附水分能力強，同時擁有較大的比表面積，導致達到標準擴散度時需要的水分較多[8]。抹灰石膏的保水率增大，這是由于保水劑均勻分布在石膏顆粒間，與石膏共同組成牢固的網狀結構，從而提高對水分的吸附[9]。當保水劑摻量大于0.2%時，石膏的保水率達到90%，當保水劑摻量繼續增大時，石膏的保水率無明顯變化。

抹灰石膏的7 d抗折、抗壓強度隨著保水劑摻量增大而降低，樣品的7 d拉伸粘結強度隨著保水劑HPMC摻量的增大而增大，0.1%HPMC樣品的粘結強度達到1.2 MPa；隨著HPMC保水劑摻量繼續增大，硬化體的粘結強度也增大。因此根據物理性能及成本綜合考慮，選擇HPMC保水劑最宜摻量為0.1%。

2.3 磷建筑石膏/砂比對抹灰石膏理化性能的影響

固定三聚磷酸鈉0.4%、HPMC0.1%，不同磷建筑石膏(PBG)/砂比樣品的物理性能測試結果見表3。

由表3中可知，隨著抹灰石膏中砂含量增大，抹灰石膏的標準稠度用水量逐漸降低，保水率增大，抹灰石膏漿體的初凝時間縮短，這是由于砂粒骨料中細砂部分在抹灰石膏起到滾珠潤滑的作用，從而改善抹灰石膏的流動度，在相同流動度時摻入水量更低，且骨料顆粒的粗糙表面為水化部分石膏提供晶體生長位點，從而隨著砂率增大，抹灰石膏的初凝時間逐漸縮短[10]；抹灰石膏的抗壓、拉伸粘結強度隨著砂率的增大呈降低趨勢，而抗折強度隨砂率增大呈現先增大后減小的趨勢，當PBG/砂比為1:1時，抹灰石膏抗折強度最高且達到2.5 MPa，抗壓、拉伸粘結強度分別達到9.3 MPa、0.5 MPa。因此最宜PBG/砂比為1:1。

表3 不同磷建筑石膏/砂比抹灰石膏的物理性能Table 3 Physical properties of plaster gypsum with different PBG/sand ratio

調整三聚磷酸鈉緩凝劑摻量至0.5%(ω)，得到符合國家標準GB/T28627-2012《抹灰石膏》中底層抹灰石膏性能要求的磷石膏基重質抹灰石膏砂漿，其配比如表4所示，7 d絕干抗折、抗壓和拉伸粘結強度分別為2.6 MPa、10.1 MPa和0.8 MPa。

表4 磷石膏基重質抹灰砂漿優化配比及其性能Table 4 Optimum proportion and performance of phosphogypsum based heavy plastering mortar

2.4 骨料種類及細度對抹灰石膏性能的影響

固定三聚磷酸鈉0.5%、HPMC0.1%、PBG/砂比為1:1，不同砂種類及細度對抹灰石膏物理性能影響測試結果見表5。

從表5中可以看出，其中隨著山砂骨料細度目數增大，其制備的干混砂漿的初凝和終凝時間均呈現縮短趨勢，而石英砂樣品初凝時間隨著細度目數增大而減小，終凝時間出現先減小后增大的趨勢，這可能是由于細骨料表面不規則從而在建筑石膏水化過程中充當二水石膏晶體生長位點，縮短了水化反應的結晶誘導時間[11]。在相同灰砂比條件下，山砂細度增大所得干混砂漿樣品的保水率越高；與之相反，石英砂制得樣品的保水率呈現出先減小后增大的趨勢。山砂制品中骨料越細，其抗折、抗壓強度呈現出先增大后減小的趨勢，但拉伸粘結強度則隨之減??；石英砂制得干混砂漿的抗折、抗壓、拉伸粘結強度則基本與之相反，隨著細度增大，抗折、抗壓強度呈現逐漸減小趨勢，而拉伸你粘結強度先增大后減小。