石膏基EPS輕混凝土的性能影響因素研究

潘劍云，張欣，史琰，楊英武

（浙江農林大學 風景園林與建筑學院，浙江 杭州 311300）

0 引言

作為輕質保溫混凝土，水泥基復合材料中的水泥漿體在水化和凝結硬化的過程中伴隨著不可避免的收縮，存在收縮開裂的問題。有學者通過聚苯顆粒（EPS）來改善水泥基輕質混凝土的抗收縮性能，配制出EPS輕質混凝土，取得了良好的效果，但總體來說收縮不可避免，裂縫問題依然難以很好的解決[1-2]。脫硫石膏基輕質墻體材料相比于水泥基膠結材料有更好的抗裂和保溫性能[3]，相比于聚苯板有更高的強度和防火性能，并且可手工涂抹也可機噴，施工適應性好。本研究采用一種微膨脹膠凝材料——脫硫石膏，通過大量的試驗，對比分析各種外加劑對石膏砂漿性能的影響，綜合緩凝劑、穩定劑和觸變劑等對脫硫建筑石膏的改性，得到合理的配合比，最終研制出一種性能優異的EPS輕質混凝土，以解決水泥基輕質混凝土的開裂問題。

脫硫石膏是電廠或者鋼鐵廠煙氣脫硫后的工業副產物，隨著我國火力發電及鋼鐵產業的迅猛發展，脫硫石膏的產量呈逐年遞增的趨勢[4]，對其進行資源綜合利用也逐漸得到相關行業和部門的重視[5]。因此，本研究的另外一個目標就是利用脫硫石膏生產的建筑石膏，開發配制出能更好適應現場噴涂施工作業的石膏砂漿，不僅能產生良好的經濟效益，而且加大了脫硫石膏的消耗量，具有良好的環境效益。

1 試驗

1.1 原材料

1.1.1 脫硫建筑石膏

安徽雙特新型建材有限公司提供，以蕪湖、宣城電廠的脫硫石膏為原料，經煅燒處理制成的脫硫建筑石膏。依據GB/T 9776—2008《建筑石膏》及相關試驗標準測得，均符合3.0級建筑石膏標準要求。主要性能見表1。

表1 脫硫建筑石膏的主要性能

1.1.2 聚苯顆粒（EPS）

市售普通聚苯乙烯泡沫顆粒，符合GB/T 10801.1—2018《絕熱用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》要求，粒徑3～5 mm，堆積密度6.4 kg/m3，表觀密度19.3 kg/m3，導熱系數0.038 W/（m·K）。

1.1.3 外加劑

（1）石膏緩凝劑：上海齊碩實業有限公司提供，屬于蛋白質類離子吸附型高效緩凝劑。

（2）羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）：山東泰安瑞泰纖維素有限公司生產，黏度40～60 Pa·s，作為砂漿中的穩定劑、分散劑和增稠劑使用。

（3）改性淀粉醚：荷蘭艾維貝（中國）有限公司生產，化學改性淀粉，增稠保水性好，改善砂漿的施工操作性。

1.2 試驗方案

1.2.1 試樣的制備

參照GB/T 28627—2012《抹灰石膏》試樣制備流程，結合材料實際特征，按預先設定的各組份配合比將干粉原材料進行混合，干拌2min，使外加劑粉料與建筑石膏充分均勻混合，緩慢加水攪拌1min后加入聚苯顆粒，再攪拌2 min后，將拌合物填入40 mm×40 mm×160 mm的三聯試模中插搗成型，24h后拆模，進行標準養護，如圖1所示。純漿料性能對比項試件除不添加聚苯顆粒外，其余制作步驟類同。

圖1 石膏基輕質墻體材料試塊

1.2.2 試件的測試

從施工現場的可操作性和使用過程中的實用性考慮，本研究主要測試了不同配合比拌合料的凝結時間、保水性、不同齡期的抗折和抗壓強度、保溫性能，并定性觀測了拌合物的潤滑性和抗流掛性。

凝結時間參照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏 凈漿物理性能的測定》進行測試；保水性參照GB/T 28627—2012進行測試；抗折與抗壓強度參照GB/T17669.3—1999《建筑石膏 力學性能的測定》進行測試。

2 結果與討論

通常認為，砂漿中漿體與骨料之間屬于機械混合，對材料的物理性能和力學性能影響較大，而外加劑對石膏漿體的改性屬于微觀范疇，影響材料的整體性能。因此，本研究先從漿體的改性來分析各添加劑對建筑脫硫石膏性能的影響，得出外加劑配比，在此基礎上，通過調整漿體與骨料的體積比，綜合考慮表觀密度和強度指標，最終得出最優配比。

2.1 緩凝劑對石膏砂漿性能的影響

脫硫建筑石膏在不添加外加劑的情況下，凝結時間很短，無法滿足施工操作時間的需求。因此，必須通過摻加緩凝劑來延長可操作時間。石膏緩凝劑種類很多，使用的情況也各不相同，就目前來說，最常用的緩凝劑主要有磷酸鹽類、檸檬酸和蛋白質類[6]。近年來針對石膏緩凝劑的研究表明[7-10]：蛋白質類緩凝劑對石膏基材料具有更強的表面吸附及鈣離子螯合性能，具有摻量少，緩凝效果好，強度損失小等優點。因此，本研究主要選用蛋白質類緩凝劑，輔助以纖維素醚的緩凝作用，來提高產品的緩凝效率。

緩凝劑摻量（按占石膏質量計，下同）對純石膏漿體性能的影響如表2所示。

由表2可知，蛋白類緩凝劑對石膏漿體的凝結時間和強度都存在不同程度的影響，其摻量的影響存在較為明顯的分界，即摻量在0.20%以下時，影響基本為線性變化，摻量超過0.20%時則影響有突變；通過分析凝結時間與強度的變化走勢及突變點形態，推斷出凝結時間與強度之間存在線性相關性。依據蛋白類緩凝劑的作用機理，出現這種現象的原因是當緩凝劑濃度達到一定量時，與鈣離子結合后覆蓋晶核的作用大大增強，阻止了晶核之間的交聯，出現強度急劇下降。可以預見，當緩凝劑繼續增加到一定量后，會出現石膏漿體不凝結和無強度的現象。

表2 緩凝劑摻量對石膏砂漿性能的影響

2.2 纖維素醚對石膏漿體性能的影響

普通石膏砂漿的保水性較差，保水率通常在65%～70%[11]，泌水性大，影響施工操作性和砂漿的強度。纖維素醚是天然纖維素醚化的產物，根據其取代基團的差異，可以作為分散劑、保水劑和增稠劑等，能夠顯著改善石膏砂漿的保水性、和易性等[11-12]。羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）對石膏砂漿性能的影響如表3所示。

表3 纖維素醚對石膏砂漿性能的影響

由表3可知，纖維素醚對石膏漿體的保水率影響較大，在摻量小于0.20%時保水率隨摻量增加線性增大，摻量大于0.20%時對保水率的提升作用有限；纖維素醚對石膏漿體有緩凝作用，但緩凝效果相較于緩凝劑可忽略不計；纖維素醚對石膏漿體的強度有降低作用，特別是抗壓強度損失較大，并且存在2個突變點，即摻量為0.10%和0.20%時。分析纖維素醚的作用機理，是因其基團的鎖水作用，使晶核之間的水量增加而延緩交聯的發生，但并不能阻止晶核的生長，因此對凝結時間有影響但不明顯。由于晶核之間的水量增加，晶核間距增大，使晶須之間的抗剪切粘結力大大降低，同時過多的水在后期蒸發后留下空隙，也降低了石膏硬化后的強度。綜合保水率和強度要求，本研究確定纖維素醚的用量為0.20%。

2.3 淀粉醚對石膏漿體性能的影響

淀粉醚在砂漿中主要起到增稠劑的作用[13]，并且和纖維素醚配合使用能明顯提高砂漿的抗流掛和抗下垂的性能[14]。研究表明，當淀粉醚與纖維素醚的摻量比在1∶4左右時，其抗下垂能力及潤滑性最優，涂抹爽滑，施工性優異[15]。因此，從施工應用的角度，簡化對淀粉醚的研究，摻入淀粉醚（纖維素醚質量的20%）定性觀測淀粉醚對噴筑型輕質混凝土抗流掛性的影響，如圖2所示（左側為添加淀粉醚效果，右側為未添加淀粉醚效果）。綜合考試，本研究所使用的淀粉醚用量為0.05%。

圖2 添加淀粉醚石膏漿體的效果對比

2.4 聚苯顆粒對輕質混凝土性能的影響

聚苯顆粒作為石膏基輕質混凝土中的輕骨料，是決定混凝土強度和保溫性能的最主要因素之一。聚苯顆粒（EPS）按其來料方式可分為破碎再生EPS顆粒和原發EPS顆粒。研究表明[16-17]：再生EPS顆粒砂漿的和易性和施工性較好，而原發EPS顆粒砂漿的強度和保溫性能較好，因此，為更好體現強度指標和保溫性，本研究選擇使用原發EPS顆粒。

考慮到漿體的凝結時間與混凝土的凝結時間存在差異，本研究對不同緩凝劑摻量的石膏漿體和石膏基EPS輕質混凝土進行對比試驗，EPS與漿體體積比為1.0，結果如表4所示。

表4 EPS顆粒對輕質混凝土凝結時間的影響

由表4可知，在脫硫石膏漿體中摻入一定量的EPS顆粒對混合體的凝結時間影響較大，并且隨著緩凝劑摻量的增加，對緩凝劑效率的削弱作用越明顯，當緩凝劑摻量為0.30%時，兩者凝結時間差距達到了約100 min。分析EPS顆粒的促凝原因，可將EPS顆粒當做是一種吸附內核，促使二水石膏晶須向其快速聚攏，加快了晶核的交聯時間，宏觀表現為凝結時間的縮短。根據試驗結果，為使整體施工可操作時間適當延長，凝結時間控制在1h左右，本研究確定緩凝劑的摻量為0.25%。

依據以上研究確定的外加劑摻量，確定漿料的最佳配比為：1000 g脫硫石膏粉、0.25%緩凝劑、0.2%纖維素醚和0.05%的淀粉醚。拌和物的用水量依據混合均勻且不泌水的原則，確定為石膏質量的55%左右。

將不同用量的EPS顆粒摻入到上述漿體料中，研究其摻量對輕質混凝土整體強度的影響，結果如表5所示。

表5 EPS與漿體體積比對輕質混凝土強度的影響

由表5可知，當EPS與漿體的體積比小于1.4時，EPS摻量的增加對強度的影響較小，特別是對抗折強度的影響極小；比例超過1.4時，影響急劇增大。為使本研究所確定的輕質混凝土達到JC/T2458—2018中LC2.0級強度要求，即抗壓強度達到2.0 MPa以上，確定EPS與漿體體積比為1.4。

經研究與優化后的配比，EPS與漿體體積比為1.4，緩凝劑、纖維素醚、淀粉醚摻量分別為0.2%、0.2%、0.05%，加入適量水即可攪拌得到顆粒分布均勻、抗壓強度達到2 MPa以上的脫硫石膏基EPS輕質混凝土，如圖3所示。根據其材性，可用于輕質墻體填充和保溫砂漿等應用領域。

圖3 EPS顆粒與漿體關系剖切示意

3 結論

（1）緩凝劑摻量對石膏漿體的緩凝作用基本表現為線性相關，只有當摻量高于0.2%時存在影響突變；同時，隨著緩凝劑摻量的增加，凝結時間延長，砂漿的強度逐漸降低。

（2）纖維素醚主要影響石膏漿體的保水率，當摻量高于0.2%時，保水率變化趨緩；同時，纖維素醚的超摻將引起漿體強度的大幅降低，綜合保水率和強度因素，摻量取0.2%較為合適。

（3）輕骨料EPS主要影響輕混凝土的強度，為達到LC2.0級混凝土強度要求，EPS與漿體體積比需控制在1.4以下；同時骨料EPS對漿料有促凝作用，將削弱緩凝劑的效率，配制混凝土時必須考慮。