聚羧酸系减水剂和氢氧化钙提高石膏强度的试验研究

王艺霖, 逄鲁峰

(山东建筑大学土木工程学院 ,山东济南250101)

随着“绿色建筑”概念的兴起，石膏无污染、可循环利用等特点显得更加突出，有望在建筑领域获得更大的应用。但目前制约石膏制品应用的主要障碍之一是强度偏低，如何配制出高强度的石膏制品是需要着力研究的方向之一。

1 提高石膏强度的方法

石膏按生产工艺的不同，可分为多种类型。其中，a型半水石膏的晶粒较粗、比表面积较小，石膏硬化后孔隙率小、强度比较高[1]，俗称为“高强石膏”。但它的强度还是很有限，需要在它的基础上继续开发更高强度的石膏制品。国内外学者对此已做了不少研究，方法主要包括两大类。

1.1 掺入减水剂

由石膏硬化的基本原理可知，水膏比是影响石膏制品强度的关键因素之一。通过掺入各种减水剂可以降低水膏比，进而减小胶凝材料的孔隙率，提高胶凝材料密度，改善晶体聚集体结构，从而能显著提高强度。例如，Koslowski等[2]配制了一种包括钠盐、烷基胺、藻朊酸盐、铵和镁盐、谷蛋白等成分的减水剂，并验证了对于提高石膏硬化强度的效果；曹宇[3]验证了SM-F超干粉活性高效减水剂和萘系减水剂FDN的效果：在掺量比较小的情况下，SM-F超干粉活性高效减水剂的减水效果要优于FDN，但在加大用量时，FDN的效果更优越。在最佳掺量下，FDN可以使石膏体的强度提高60 %，SM-F可以提高100 %；屈志中[4]研究了另一种萘系减水剂C-3的作用，试验表明C-3可以显著降低水膏比，提高强度和耐水性，但流动性下降很明显；张佳莉等[5]证明了高璜化度三聚氰胺(SM)可以有效地提高a型半水石膏的硬化强度，并加速水化。掺量为0.5 %时减水率最大，为15.6 %。

值得注意的是，目前对混凝土最为有效的减水剂之一——聚羧酸系减水剂在a型半水石膏中的应用还不多：万秀琴等[6]通过试验研究了聚羧酸系减水剂对于石膏强度的提高作用和吸水率的降低作用，但针对的不是a型半水石膏，而且试验不够完整，数据量不多；孙浩等[7]的研究针对的是建筑石膏(β型半水石膏)，毛玉成等[8]的研究针对的是模具石膏。

1.2 掺入增强剂

基本原理是让一些能和石膏或者水发生反应的材料参与水化反应，通过一些物理或化学方面的效应来提高石膏硬化强度。例如，曹宇[3]证明了乳胶粉和SPT-100高性能增强剂都可以提高石膏的硬化强度：乳胶粉在掺量为0.2 %时能使a半水石膏水化硬化体2 h抗压强度提高25.1 %，而SPT-100在掺量为0.5 %时能使2 h抗压强度提高53.2 %。如果要提高石膏硬化后的抗折强度，可采用甲基纤维素作为增强剂：甲基纤维素掺量为0.3 %时，石膏硬2h抗折强度可达到9.2 MPa。

基于这两个思路，本文将针对a型半水石膏，首先通过试验来研究聚羧酸系高效减水剂对于硬化强度的提高作用，然后尝试将氢氧化钙作为一种新型增强剂，验证是否能同样提高石膏的硬化强度。

为了对比，先做纯高强石膏的试验。

2 纯a型半水石膏的强度试验

试验中采用山东金信建材有限公司生产的a型半水石膏，纯度大于95 %，晶体尺寸小于60 μm，标准稠度需水量为0.32。按照国标《建筑石膏力学性能的测定》GBT 17669.3-1999，采用三联模进行试验，能同时测定抗折强度和抗压强度。

如果选用较大的水膏比(0.6)，浆体的流动性非常好，但测得2 h抗折强度仅为0.28 MPa，2h抗压强度仅为0.61 MPa。可见，水膏比高的话，强度就很低。

如果将水膏比降低到0.4，则浆体的流动性变得较差，但强度提高，测得2 h抗折强度为1.82 MPa，2 h抗压强度为3.96 MPa。

可见，如果是纯a型半水石膏，由于流动性的限制，强度达不到很高。

3 添加聚羧酸系减水剂后的强度试验

3.1 试验情况

本试验所选用的减水剂为聚羧酸系高效减水剂，由山东华迪建筑科技有限公司生产(型号为PC-3)，浓度为50 %，对混凝土的减水率为20 %。

(1)首先参照PC-3对混凝土的减水率20 %，将水膏比降低到0.48，同时掺入0.3 %的PC(配比为石膏1 500 g，水720 g，PC11.25 g)，则浆体很稀，流动性非常好。2 h抗折强度为0.70 MPa，2 h抗压强度为1.46 MPa。

说明还可进一步降低水膏比。

(2)将水膏比降低到0.30(配比为石膏1 500 g，水450 g，PC11.25 g)，浆体仍有不错的流动性，2 h抗折强度为2.63 MPa，2 h抗压强度为7.86 MPa。

再将水膏比降低到0.25的话，浆体的流动性较差，为此增加PC-3的掺量到0.4 %(配比为石膏1 500 g，水375 g，PC15 g)，浆体流动性可，2 h抗折强度为3.08 MPa，2 h抗压强度为12.13 MPa。

(3)为了进一步提高强度，将水膏比降低到0.2，此时掺加0.4 %的PC-3完全无流动性，一直要将PC的掺量提高到1 %(配比为石膏1 500 g，水300 g，PC37.5 g)才有少许的流动性，测得2 h抗折强度为6.85 MPa，2 h抗压强度为25.45 MPa。如果进一步增加PC掺量到1.2 %，浆体仍是非常粘稠，强度出现了下降(2 h抗 折强度为4.6 MPa，2 h抗压强度为17.39 MPa)。说明这种水膏比过小，靠增加减水剂用量已经不能有效改善流动性。

(4)为此，恢复PC用量到1 %，将水膏比提高到0.21(配比为石膏1 500 g，水315 g，PC37.5 g)，浆体仍比较黏，但流动性有改善，测得2 h抗折强度为6.38 MPa，2 h抗压强度为24.26 MPa。

继续增加水膏比到0.22，浆体的流动性更加改善，测得2 h抗折强度为5.95 MPa，2 h抗压强度为20.23 MPa。

继续增加水膏比到0.23，浆体的流动性较好，测得2 h抗折强度为5.85 MPa，2 h抗压强度为16.13 MPa。

继续增加水膏比到0.24，浆体的流动性好，测得2 h抗折强度为4.87 MPa，2 h抗压强度为15.47 MPa。

继续增加水膏比到0.25，浆体的流动性很好，测得2 h抗折强度为4.6 MPa，2 h抗压强度为14.77 MPa。

(5)推荐配比是水膏比0.23的情况，即石膏1 500 g、水345 g、PC37.5 g。这种配比同时具有较好的流动性和较高的强度。

3.2 机理分析

由上可见，聚羧酸系减水剂确实可以提高a型半水石膏的强度，降低水膏比。从机理上来说，是聚羧酸系减水剂的多种活性基团提高了螯合能力和分散稳定性，能促使a型半水石膏形成网状结构，从而提高了强度。

4 同时添加聚羧酸系减水剂和氢氧化钙后的强度试验

4.1 试验情况

采用粉末状的氢氧化钙，按石膏与氢氧化钙粉的比例为9∶1来掺入钙粉。

(1)水胶比(此处的“胶”包括石膏和氢氧化钙)取为0.25、PC掺量取为0.4 %(配比为石膏1 350 g、氢氧化钙150 g、水375 g、PC15 g)

浆体的流动性非常好，测得2 h抗折强度为4.97 MPa，2 h抗压强度为16.96 MPa。与上面不加氢氧化钙的情况对比(水膏比相同)，发现氢氧化钙替换部分石膏之后，强度获得了提高，同时可以明显减少减水剂PC的用量。

(2)为了获得更高的强度，降低水胶比到0.22，同时增加PC掺量到0.5 %(配比为石膏1 350 g、氢氧化钙150 g、水330 g、PC18.75 g)。

浆体的流动性可以，测得2 h抗折强度为5.88 MPa，2 h抗压强度为25.92 MPa。与上面不加氢氧化钙的情况对比(水胶比相同)，发现氢氧化钙替换部分石膏之后，也提高了强度，同时减少了PC用量，说明这种配比同时具有较好的流动性和较高的强度。

(3)进一步降低水胶比到0.2， PC掺量保持为0.5 %(配比为石膏1 350 g、氢氧化钙150 g、水300 g、PC18.75 g)

测得2 h抗折强度为7.47 MPa，2 h抗压强度为30.98 MPa。与上面不加氢氧化钙的情况对比(水胶比相同)，发现氢氧化钙替换部分石膏之后，也提高了强度，同时减少了PC用量。

注意：这种配比虽然强度高，但浆体很粘稠，流动性较差，对于有些施工情况可能不太适用。为此可在保持水胶比不变的情况下增加PC的掺量到0.6 %(22.5 g)，则流动性显著改善，同时2 h抗折强度为6.72 MPa，2 h抗压强度为27.43 MPa。虽然比PC掺量为0.5 %的情况略有下降，但也比较高。

4.2 机理分析

由上可见，氢氧化钙确实能起到增强剂的作用。从机理上来说，氢氧化钙微溶于水，在石膏浆体中会形成氢氧化钙胶体结构，颗粒很细(粒径约为1μm)，比表面积很大(达10～30 m2/g)。这种胶体结构的表面会吸附一层较厚的水膜，从而可吸附大量的水，这样一方面使得与a型半水石膏发生反应的水分减少，水胶比降低，提高了硬化强度；另外一方面使得整个石膏浆体具有较强的保持水分能力，即保水性好，提高了流动性。

5 结束语

(1)聚羧酸系减水剂对a型半水石膏同样有效，可以显著提高石膏强度、降低水膏比。推荐配比为：石膏1 500 g、水345 g、聚羧酸37.5 g(浓度为50 %)。这种配比的水膏比为0.23，具有较好的流动性，2 h抗折强度可达5.85 MPa，2 h抗压强度可达16.13 MPa。

(2)氢氧化钙替换部分石膏之后，可进一步显著提高强度。说明氢氧化钙确实是一种a型半水石膏的增强剂。推荐配比为：石膏1 350 g、氢氧化钙150 g、水300 g、聚羧酸22.5 g(浓度为50 %)。这种配比的水膏比为0.2，2 h抗折强度为6.72 MPa，2 h抗压强度为27.43 MPa。同时具有不错的流动性。

(3)氢氧化钙替换部分石膏之后(石膏和氢氧化钙的质量比例为9∶1)，可显著增强流动性，在同样水胶比的情况下，明显减少聚羧酸减水剂的用量。

例如，水膏比取为0.22时，掺加氢氧化钙后PC掺量可取为0.5 %，而不用氢氧化钙时需要PC掺量为1 %；水膏比取为0.2时，掺加氢氧化钙后PC掺量可取为0.6 %，而不用氢氧化钙时PC掺量达到1.2 %几乎没有流动性。

后续的研究工作主要包括：(1)进一步明确聚羧酸系减水剂对于a型半水石膏的减水率；(2)继续深入探究氢氧化钙提高强度、降低减水剂用量的机理；(3)研究确定氢氧化钙的最佳掺量。

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[5] Koslowski. Th, Ludwig.U. The effect of admixtures in the production and application of building plasters. ZKG International, 1999, 52(5): 274-285

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