陳化對建筑石膏及抹灰石膏性能的影響

楊福成，朱海霞，魏磊，李永鑫

（美巢集團(tuán)股份公司，北京 100076）

0 引言

建筑石膏是一種低能耗的膠凝材料，其膠凝性質(zhì)很早就被人們所發(fā)現(xiàn)。隨著國內(nèi)對環(huán)保的關(guān)注越來越高，抹灰石膏得到了廣泛應(yīng)用。然而抹灰石膏的質(zhì)量卻很難控制，這是由于抹灰石膏使用的建筑石膏的相組成復(fù)雜，導(dǎo)致抹灰石膏的性能不穩(wěn)定。建筑石膏的相組成一般含有β半水石膏、Ⅲ型無水石膏、Ⅱ型無水石膏、二水石膏。建筑石膏的性能不穩(wěn)定，不僅由相變化影響，還因石膏顆粒的大小變化以及石膏晶格畸變等影響。

本文主要研究不同廠家生產(chǎn)的建筑石膏陳化前后的自身性能及配制出抹灰石膏后的性能變化，分析了產(chǎn)生差異的主要原因，對抹灰石膏生產(chǎn)具有很好的借鑒作用。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

建筑石膏：山西潞城石膏礦不同煅燒廠家提供，SO3含量40%左右；砂子：河砂，細(xì)度40～70目；纖維素醚：羥丙基甲基纖維素醚，黏度約40 Pa·s；緩凝劑：蛋白質(zhì)類。

1.2 試驗(yàn)方法

建筑石膏相組成按照文獻(xiàn)[1]方法測試，采用無水酒精浸泡法測試Ⅲ型無水石膏含量，采用加純凈水水化法，測試半水石膏含量；石膏性能按照GB/T 9776—2008《建筑石膏》進(jìn)行測試；抹灰石膏性能按照GB/T 28627—2012《抹灰石膏》進(jìn)行測試。本試驗(yàn)的陳化方法采用自然陳化法，將試樣敞口放置在溫度（23±2）℃、濕度（50±5）%的環(huán)境下，放置時(shí)間 30 d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 陳化前建筑石膏及抹灰石膏的性能

2.1.1 陳化前建筑石膏的相組成

對山西潞城同一礦區(qū)A、B、C、D、E廠煅燒的建筑石膏進(jìn)行了相分析，結(jié)果見表1。

表1 不同廠家建筑石膏的相組成 %

由表1可知，不同廠家生產(chǎn)的建筑石膏相組成差別較大，尤其是Ⅲ型無水石膏含量。A廠的Ⅲ型無水石膏含量為40.2%，而E廠的Ⅲ型無水石膏含量只有6%，對于二水石膏和Ⅱ型無水石膏的含量差別不大，都在2%左右。

2.1.2 陳化前建筑石膏及抹灰石膏需水量

建筑石膏中的Ⅲ型無水石膏含量不同，對建筑石膏和抹灰石膏的需水量不同，測試結(jié)果見表2。

表2 不同廠家建筑石膏及抹灰石膏的需水量

由表2可知，Ⅲ型無水石膏含量在6%時(shí)，建筑石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為60%，而當(dāng)Ⅲ型無水石膏含量在40%時(shí)，建筑石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為69%。建筑石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量隨Ⅲ型無水石膏含量的增加呈增加趨勢，Ⅲ型無水石膏含量在35%左右時(shí)，出現(xiàn)了不一致的規(guī)律。通過比表面積測試，確定主要原因是Ⅲ型無水石膏含量35%建筑石膏樣品的比表面積較其它樣品明顯小而導(dǎo)致。使用以上建筑石膏樣品配制成抹灰石膏后，抹灰石膏的需水量從28%增加到33%。抹灰石膏的用水量變化也是隨著Ⅲ型無水石膏含量增加而增加。在相同配方的情況下，抹灰石膏的需水量變化趨勢與建筑石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量變化相同。

2.1.3 陳化前建筑石膏及抹灰石膏的凝結(jié)時(shí)間

建筑石膏中Ⅲ型無水石膏含量不同，對建筑石膏的凝結(jié)時(shí)間不同，配制成抹灰石膏后凝結(jié)時(shí)間也有很大差別，見表3。

由表3可知，隨著Ⅲ型無水石膏含量增加，建筑石膏的初、終凝時(shí)間呈逐漸縮短的趨勢，Ⅲ型無水石膏含量從6%增加到40%，初凝時(shí)間從22 min縮短12 min，終凝時(shí)間從24 min縮短14 min。其中Ⅲ型無水石膏含量在27%左右時(shí)，呈現(xiàn)不規(guī)律變化，主要由于其建筑石膏樣品中的二水石膏含量較其它高所導(dǎo)致。

表3 不同廠家建筑石膏及抹灰石膏的凝結(jié)時(shí)間

同樣配制成抹灰石膏后，抹灰石膏凝結(jié)時(shí)間的變化趨勢與建筑石膏一致，都是隨著Ⅲ型無水石膏含量增加凝結(jié)時(shí)間呈縮短的趨勢，Ⅲ型無水石膏含量在6%左右時(shí)，初凝時(shí)間在170 min左右，而當(dāng)Ⅲ型無水石膏含量在40%時(shí)，初凝時(shí)間只有90 min。

2.1.4 陳化前建筑石膏及抹灰石膏的抗壓強(qiáng)度

建筑石膏中Ⅲ型無水石膏含量不同，對建筑石膏及配制成抹灰石膏后的抗折抗壓強(qiáng)度影響不同，一般情況下，抹灰石膏中Ⅲ型無水石膏含量越高，抗折抗壓強(qiáng)度越低（見表4）。

表4 不同廠家建筑石膏及抹灰石膏的抗折、抗壓強(qiáng)度

由表4可見，隨著Ⅲ型無水石膏含量增加，建筑石膏及抹灰石膏的抗壓強(qiáng)度呈逐漸降低的趨勢。Ⅲ型無水石膏含量在6%左右時(shí)，建筑石膏及抹灰石膏抗折、抗壓強(qiáng)度最大分別是2.56、5.62 MPa和 2.49、5.37 MPa，而Ⅲ型無水石膏含量在40%左右時(shí)，建筑石膏及抹灰石膏抗折、抗壓強(qiáng)度最小分別是2.13、4.65 MPa和 2.04、4.28 MPa。

通過以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，建筑石膏中Ⅲ型無水石膏含量不同，無論對建筑石膏還是配制成抹灰石膏后的性能差別都比較大。建筑石膏中Ⅲ型無水石膏含量越少，越適合配制抹灰石膏，即可以降低抹灰石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，也可以延長凝結(jié)時(shí)間，而且強(qiáng)度更高。然而當(dāng)把這些廠家生產(chǎn)的建筑石膏放置在溫度25℃，濕度50%的環(huán)境下，30 d以后再進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果完全不同。

2.2 陳化后建筑石膏及抹灰石膏的性能

2.2.1 陳化后建筑石膏相分析

由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，未陳化的建筑石膏中Ⅲ型無水石膏初始含量是6%～40%，經(jīng)過陳化30 d后的建筑石膏的相組成如表5。

表5 陳化30 d后建筑石膏的相組成 %

由表5可知，Ⅲ型無水石膏均檢測不到，即通過陳化后Ⅲ型無水石膏發(fā)生了相轉(zhuǎn)變，而經(jīng)過陳化后的半水石膏含量均有不同程度的增加，剛好是其Ⅲ型無水石膏含量的減少量，說明Ⅲ型無水石膏含量在上述的、環(huán)境下陳化30 d全部轉(zhuǎn)變成半水石膏。但二水石膏和Ⅱ型無水石膏含量基本不變。這表明通過陳化，改變石膏的相組成，主要是使Ⅲ型無水石膏轉(zhuǎn)變成半水石膏。

2.2.2 陳化后建筑石膏及抹灰石膏的需水量（見表6）

表6 陳化30 d后建筑石膏及抹灰石膏的需水量

由表6可見，經(jīng)過陳化后建筑石膏標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量明顯較陳化前的小。標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量變化最大的是A廠從69%降到55%，而變化最小的是E廠，從60%降到55%。然而不同廠家生產(chǎn)的建筑石膏經(jīng)過陳化后的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量基本趨于一致都在55%左右，而不經(jīng)陳化的建筑石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量波動(dòng)較大從60%到69%。同樣配制成抹灰石膏以后，標(biāo)準(zhǔn)需水量明顯減小，最大的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量減少7.5個(gè)百分點(diǎn)，而最小的也減少了2.5個(gè)百分點(diǎn)。陳化后的建筑石膏配制成抹灰石膏后，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量在26%左右趨于一致，而不經(jīng)過陳化的建筑石膏配制的抹灰石膏需水量大，從28%到33%，不同廠家的用水量波動(dòng)較大。

2.2.3 陳化后建筑石膏及抹灰石膏的凝結(jié)時(shí)間（見表7）

表7 陳化30 d建筑石膏及抹灰石膏凝結(jié)時(shí)間

與表3對比，表7中經(jīng)過陳化后建筑石膏無論是初凝時(shí)間還是終凝時(shí)間都明顯較未陳化的凝結(jié)時(shí)間有所延長，最長的延長11 min，而最短也延長3 min。陳化前后的建筑石膏配制成抹灰石膏后的凝結(jié)時(shí)間變化更加明顯。不同廠家生產(chǎn)的建筑石膏經(jīng)過陳化，凝結(jié)時(shí)間波動(dòng)較小，初凝都在23 min左右，而不經(jīng)過陳化的凝結(jié)時(shí)間變化差別較大，最大差別10 min以上。由表7可知，陳化后的建筑石膏配制成的抹灰石膏的凝結(jié)時(shí)間明顯延長，不同廠家生產(chǎn)的建筑石膏差別不大，而不經(jīng)陳化的抹灰石膏凝結(jié)時(shí)間短，不同廠家生產(chǎn)的建筑石膏凝結(jié)時(shí)間差別較大。

2.2.4 陳化后建筑石膏及抹灰石膏的強(qiáng)度（見表8）

表8 陳化30 d建筑石膏及抹灰石膏抗折、抗壓強(qiáng)度

與表4對比可知，表8中經(jīng)過陳化后的建筑石膏的抗壓強(qiáng)度都比未經(jīng)陳化高，且不同廠家生產(chǎn)的建筑石膏經(jīng)過陳化后，抗壓強(qiáng)度趨于一致，都在5.6 MPa左右。經(jīng)過陳化后的建筑石膏配制成抹灰石膏后，其抗壓強(qiáng)度明顯較未陳化的高，且不同廠家的抗壓強(qiáng)度都在5.41 MPa左右，而不同廠家生產(chǎn)的建筑石膏，不經(jīng)陳化配制成抹灰石膏抗壓強(qiáng)度差別較大。

2.3 機(jī)理分析

雖然同一礦區(qū)的石膏純度相同，但是不同廠家生產(chǎn)的建筑石膏性能差別較大，從而導(dǎo)致抹灰石膏性能不同。不同廠家生產(chǎn)的建筑石膏，經(jīng)過陳化后，其需水量變小，凝結(jié)時(shí)間延長，抗壓強(qiáng)度提高。配制成抹灰石膏后，抹灰石膏的需水量也變小，凝結(jié)時(shí)間相應(yīng)延長，抗壓強(qiáng)度提高。這個(gè)主要是因?yàn)榻ㄖ嗟南嗖煌?。陳化可使殘余二水相和Ⅲ型無水相向β半水相轉(zhuǎn)變，使β半水石膏水化過程中凝結(jié)時(shí)間稍有延長、強(qiáng)度提高[2]。Ⅲ型無水石膏陳化后的半水石膏相的水化速率較Ⅲ型無水相低，凝結(jié)時(shí)間較Ⅲ型無水相長，在力學(xué)性能方面優(yōu)于Ⅲ型無水相[3]。陳化后的建筑石膏水化速度變慢，高分散度建筑石膏陳化，對其物理形態(tài)的影響，也是改善物理力學(xué)性能的重大因素[4]。以β型半水石膏為主要相組成的建筑石膏，使用前最好經(jīng)過陳化，以期達(dá)到強(qiáng)度最高值。建筑石膏陳化的最佳狀態(tài)為：無水石膏基本轉(zhuǎn)化完，β型半水石膏含量達(dá)到最高值。此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量最小，強(qiáng)度達(dá)到最高值[5]。Ⅲ型無水石膏經(jīng)過陳化可以使比表面積變小，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量下降，由于Ⅲ無水石膏的持續(xù)變化導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度不穩(wěn)定[6]。經(jīng)過有效的陳化可以改善石膏粉質(zhì)量，溫度、厚度、環(huán)境溫度都會影響陳化效果[7]。

當(dāng)石膏從一個(gè)相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)相時(shí)，石膏晶體重新排列，同時(shí)導(dǎo)致晶格缺陷[8]。石膏不同相的晶體排列示意見圖1[9]。

圖1 不同石膏相的填充排列

由圖1可見，半水石膏相和Ⅲ型無水石膏相晶體結(jié)構(gòu)相同，只是半水石膏失水以后留下1個(gè)直徑大約0.3nm的孔道[9]，并未發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。這個(gè)孔道具有很強(qiáng)的吸濕性，同時(shí)使得Ⅲ性無水石膏具有很強(qiáng)的與水反應(yīng)能力，前面的試驗(yàn)也驗(yàn)證此觀點(diǎn)。Ⅲ型無水石膏在室內(nèi)環(huán)境下就可以轉(zhuǎn)變成半水石膏，Ⅲ型無水石膏含量多的建筑石膏，水化速度快[10]。然而Ⅲ型無水石膏比半水石膏少了半個(gè)水分子，故水化生產(chǎn)二水石膏時(shí)比半水石膏需要多，需水量會變大。

由試驗(yàn)可知，經(jīng)過陳化后的建筑石膏需水量明顯變小，所減少的水分遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了Ⅲ型無水石膏水化多出的水，且凝結(jié)時(shí)間明顯延長。這個(gè)主要是因?yàn)榻?jīng)過建筑石膏陳化不僅是發(fā)生相轉(zhuǎn)變，其建筑石膏的晶體顆粒發(fā)生畸變，如圖2[8]。

圖2 陳化石膏的晶粒和晶格畸變

由圖2可見，建筑石膏新粉的半水石膏晶格畸變較大0.4%，晶粒尺寸較小在60～200 nm，而經(jīng)過陳化后的晶格畸變達(dá)到0.2%，晶粒尺寸變到100～300 nm，Ⅱ型無水石膏也發(fā)生了同樣的變化。新煅燒出的建筑石膏在經(jīng)水化后生成的二水石膏要比原礦二水石膏晶粒小的多。原礦二水石膏的晶粒是1000～2000 nm，晶格畸變0.1%，新生產(chǎn)的二水石膏晶粒是400 nm，晶格畸變0.4%。此變化符合吉普斯自由能變化，即等溫、等壓的封閉體系內(nèi)，不作非體積功的前提下，任何自發(fā)反應(yīng)總是朝著吉布斯自由能（G）減小的方向進(jìn)行。ΔG=0時(shí)，反應(yīng)達(dá)平衡，體系的G降到最小值。

建筑石膏各相晶格畸變越大說明活性越高，在建筑石膏中的表現(xiàn)也就是凝結(jié)時(shí)間越短。在實(shí)際生產(chǎn)中也發(fā)現(xiàn)同樣的二水石膏摻量，新生成的二水石膏觸凝效果更明顯。故在抹灰石膏施工過程中，要及時(shí)清洗攪拌設(shè)備等，不能將已經(jīng)硬化的建筑石膏繼續(xù)使用，否則將會引起抹灰石膏出現(xiàn)快凝、開裂等問題。

3 結(jié)論

（1）建筑石膏是影響抹灰石膏質(zhì)量波動(dòng)的主要原因，控制好建筑石膏的質(zhì)量品質(zhì)，可以提高抹灰石膏的質(zhì)量穩(wěn)定性。

（2）抹灰石膏中盡量選擇Ⅲ型無水石膏含量少的建筑石膏進(jìn)行生產(chǎn)，如果使用Ⅲ型無水石膏含量大的建筑石膏，可以通過陳化降低Ⅲ型無水石膏含量后再使用。

（3）配制性能優(yōu)異且穩(wěn)定的抹灰石膏要求建筑石膏中Ⅲ型無水石膏含量應(yīng)低于10%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量控制在55%左右，初凝時(shí)間控制在22 min，抗壓強(qiáng)度一般控制在5.0 MPa。

（4）使用性能穩(wěn)定的建筑石膏配制抹灰石膏性能較穩(wěn)定，抹灰石膏在合適的施工狀態(tài)下需水量少，使用較少的緩凝劑，可達(dá)到較長的可操作時(shí)間，抹灰石膏的抗壓強(qiáng)度高。

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