建筑石膏相关外加剂研究及经济效益分析

姚毅惠,赵志曼,刘育成,张文佳,郜　峰

(昆明理工大学　建筑工程学院,云南　昆明　650500)

建筑石膏相关外加剂研究及经济效益分析

姚毅惠,赵志曼,刘育成,张文佳,郜峰

(昆明理工大学建筑工程学院,云南昆明650500)

[摘要]适宜的外加剂能大大地改善各类石膏的性能,本文主要概括了脱硫石膏、磷石膏、天然石膏及其他石膏类型的外加剂的研究现状,并具体分析了其经济效益。

[关键词]外加剂；各类石膏；经济效益

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.04.133

石膏有着多种用途,将其用作建筑材料也有一些历史了,但一直都用的是性质稳定的天然石膏。随着我国工业经济的飞速发展,产生了越来越多的工业副产物,如生产磷化肥的副产物之一磷石膏、对含硫材料燃烧后处理的副产物之一脱硫石膏等。近年来,我国一直在强调循环经济的发展模式,这些副产石膏产量大、污染重,将其作为建筑材料来使用,正符合循环经济的发展之道。但是,这些副产石膏与天然石膏性质不同,它们都含有较多有机杂质,性质不稳定,并且力学性能较差。而适合的外加剂则能改善各种副产石膏的性能。本文基于相关文献,总结概括了相关石膏外加剂的研究现状,并对其经济效益进行了分析。

1主要建筑石膏

1.1脱硫石膏

脱硫石膏是对对含硫材料燃烧后产生的烟气进行脱硫净化处理后得到的一种工业副产石膏。脱硫石膏目前在建筑方面有多种用途,如脱硫建筑石膏砌块、脱硫石膏粉刷抹面、脱硫石膏基材料等。

在提高脱硫石膏性能的时候,可以通过添加复合外加剂的方式。廖琳[1]等人将含量为1.74%的包含缓凝组分、保水组分、减水组分的自配添加剂,同时添加含有氧化硅、氧化铝、氧化钙等成分的无机材料,配制成PW-G型脱硫石膏专用外加剂,使其水化产物晶体紧密,形状良好,晶体结构变为非常规则的几何形状。因此使其强度、保水性等性能得到了提升。刘民荣[2]等人将自配的聚乙烯醇乳液与柠檬酸、三聚氰胺化学试剂通过正交试验后得出复合外加剂的最佳配比为柠檬酸掺量为0.06%,三聚氰胺掺量为1.0%,聚乙烯醇乳液掺量为5.0%。同时讲述了柠檬酸通过与溶液中的Ca+离子生成柠檬酸钙不容沉淀物,来延缓晶体生长的缓凝机理；作为阴离子表面活性剂的三聚氰胺在脱硫石膏颗粒表面产生吸附,使固体颗粒在液相中的分散性能和硬化体的孔结构得到改善的提高强度和防水性能机理；作为有机高分子物质的聚乙烯醇乳在脱硫石膏制品中能形成具有阻水作用的不规则网膜,填充石膏晶体间的孔隙之中,降低孔隙率,从而提高其强度和防水性能机理。脱硫石膏砌块是目前应用较多的一种建筑制品,砌块的最主要功能是承重,则如何提高脱硫石膏砌块的强度就是重点。

当添加明矾、Na2SO4或Na2CO3为0.5%时,可使砌块的抗压强度得到明显的提升,其机理在于盐类外加剂可以在脱硫石膏颗粒表面不断生成二水石膏,二水石膏又不断的结晶,并填充砌块中的孔隙,使其孔隙率降低,进而提升砌块的强度[3]。通过微观分析,可以看到,脱硫粉刷石膏初期主水化反应比较缓慢,其主体为短柱状的二水石膏,并掺杂着少量的絮状沸石、纤维状及网络状水化硅酸钙及片状的Ca(OH)2,同时还存在着少量的针状的Aft。当掺加相应的矿物原料及外加剂时,脱硫粉刷石膏的水化反应加剧,晶体形状及结构变得紧密,由短柱状变为圆柱状,使得其能成功制成脱硫粉刷石膏[4]。赵焕起[5-6]等人在研究脱硫石膏抹面材料的外加剂时发现,在综合了缓凝效果及力学性能后,在硼砂、六偏磷酸钠和柠檬酸这三种缓凝剂中,综合性能最好的是掺量为0.18%的六偏磷酸钠。在掺加主要由有机硅防水剂和有机乳液等按照一定比例复合配制而成的复合防水剂0.32%后,脱硫石膏主要水化产物为较细的棒状长方体和针状体的二水石膏,并且使脱硫石膏晶体之间的间隙变小,同时防水剂微粒可有效填充脱硫石膏晶体的孔隙,使脱硫石膏力学强度得到提高,吸水率下降,使满足脱硫石膏抹面材料对防水性能的要求。

在通过对Retardan、柠檬酸、柠檬酸钠和六偏磷酸钠这四种缓凝剂对脱硫石膏的缓凝机理进行研究之后,并进行一系列的实验验证后,曹青[7]等人发现在缓凝效果方面,Retardan>柠檬酸>柠檬酸钠>偏磷酸钠,再结合添加缓凝剂后试块的强度,确定Retardan为最佳缓凝剂。位建强[8]等人在进行脱硫石膏-粉煤灰-矿粉复合胶结材改性研究时发现,0.8%的阴离子型FDN萘系减水剂的减水效果最明显,同时,乳胶粉使脱硫石膏的泌水和泛霜现象得到了明显改善,而作为早强剂的硅酸钠不仅能提高脱硫石膏的强度,而且也能使其泛霜现象得到改善。粉刷石膏也是脱硫石膏的一种重要的用途,通过添加缓凝剂可以使其的凝结时间延长,便于施工,并且有机酸类缓凝效果比蛋白类缓凝剂效果强；添加保水剂能有效地避免料浆中的水分过多地转移到基层墙体上,从而造成缝、空鼓、剥落等质量问题,在这其中,纤维素类保水剂效果最好。

1.2磷石膏

磷石膏是在生产产湿法磷酸时排放出的副产物,具有刺鼻的气味,长期堆积在地面,会造成周围环境污染,同时有毒物质渗入土壤后,会引起附近的地下水变质,植被死亡。并且我国每年都会排放大量的磷石膏,而将磷石膏制备成建筑石膏,将其变废为宝。磷石膏与天然石膏虽都是石膏,却不尽相同,天然石膏内部晶体结构呈不规则的球状、粒状、鳞片状等多样化,颗粒粒径主要分布在20～80μm,所占比例为82.4%,级配稳定又合理,而磷石膏的内部晶体结构则为粗大的板状、菱状结晶,同时颗粒粒径在60μm以下所占比例为92.5%,级配不合理,平均粒径偏小,并且含有磷、氟、有机物等杂质,这些因素都会影响磷石膏的性能,使其与天然石膏有很大的差距[9-11]。因此,就需要通过添加外加剂来改善磷石膏的性能,使得磷建筑石膏制品能够达到规范要求。杨家宽[12]等人在制备以石硝为骨料的磷石膏蒸压砖时发现,添加自配的复合外加剂后,磷石膏的水化反应加快,而水化反应生成的高强托勃莫来石包裹着磷石膏和石硝,进而致密的结构,提高其强度。

俞波[13]等人发现添加适量TJ-2后,由于它易溶于水,在水化反应后,能生成活性更高、颗粒更细的二水石膏,进而增强非煅烧磷石膏砌块的早期强度。粉刷石膏也是磷石膏的一种重要的用途,通过添加缓凝剂可以使其的凝结时间延长,便于施工,缓凝剂能延缓磷石膏的溶解速度,降低溶液的过饱和度,阻滞晶核的形成和晶体的生长,来达到缓凝的效果；添加保水剂能有效地避免料浆中的水分过多地转移到基层墙体上,从而造成缝、空鼓、剥落等质量问题,在这其中,纤维素类保水剂效果最好[14-15]。对于磷石膏基建筑腻子,添加纤维素醚和胶粉后,保水率和强度都有提高,当单独掺加有机硅增水剂也可达到相同的结果[16]。

1.3天然石膏

石膏是一种历史悠久的多功能气硬性胶凝材料,与水泥和石灰统称为三大胶凝材料。它有着质轻、耐火性好等优点,但也有着凝结速度快、强度低、耐水性差等缺点。外加剂的添加会对石膏的性能产生影响。以黄姜水解提取皂素后废渣为原料配制成的木质素磺酸钠-丙烯酰胺接枝共聚物的绿色外加剂可促进石膏晶体以片状形式生长发育,使石膏的力学性能提高,以酸性盐存在的柠檬酸虽然缓凝效果很好,但对石膏的强度损失很大[17-21]。

以聚乙烯醇与硬脂酸共同乳化所得的有机乳液防水剂为基础,同时添加由明矾石、萘磺酸盐醛类缩合物组成的盐类防水剂配制成的复合防水剂,改变了石膏晶体的结构,使晶体的各个面的生长速度相近,从而生成六方短柱状晶体,从而降低吸水率,增加强度[22]。在添加木质素磺酸钙时,其分子均匀分散吸附在石膏颗粒的表面,减少了石膏的标准稠度用水量,进而减少了因水分蒸发而留在石膏内的孔隙,提高其强度[23]。粉刷石膏[24-26]是石膏很重要的用途之一,它的生产和应用,克服了传统粉刷材料的不足,以二亚乙基三胺五乙酸的五钠盐为主制成的SC缓凝剂比单一的柠檬酸、酒石酸等缓凝剂的缓凝效果好,增强其流动性,并且对石膏强度损失也比较小。

保水剂的添加可以防止浆体上墙后的垂挂,及水分大量蒸发引起的墙面开裂等问题,常用的主要有：甲基纤维素(MC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟乙基甲基纤维素(HEMC)等。富含羰基和羧基的有机聚合物制配成的改性剂,能够改善粉刷石膏的凝结时间、黏结力、保水性。

2其他类型的建筑石膏

氟石膏[27-30]是工业上用萤石(CaF2)与浓硫酸反应生成氟化氢后得到的副产物,每生产1t的氟化氢大约需要排出3.6t氟石膏废渣。它的特点是强度低、凝结速度慢等,因此需要添加合适的改性剂才能使其成为可用的建筑石膏。氟石膏是没有活性的,在添加盐类激发剂后,可增大无水石膏溶解度,并进一步促成复盐生成二水石膏完成再结晶的过程,达到提高氟石膏强度的目的。激发剂的主要类型有明矾、硫酸钙等,掺量不同,效果也就不同。添加减水剂可以减少施工过程中水的用量,节约水资源,同时减少留在氟石膏中的水分子,增加其强度,在常用的苯系减水剂、氨基磺化系减水剂、磺化三聚氰胺系减水剂、多聚羧酸系减水剂等中,发现多聚羧酸系减水剂随着掺量的增加减水效果最明显。而每种减水剂在达到一定的掺量后,氟石膏的强度会随着减水剂掺量的增加而减小。

为了保证氟石膏充分水化,避免开裂等现象的发生,需要添加保水剂,无机保水剂相对有机保水剂成本较低,把有机保水剂与无机保水剂以一定的比例复配得到的保水剂效果更好,经济性也好。AK糖石膏[31]是生产乙酰磺胺酸钾的工业副产石膏,在适宜的煅烧强度下,其能转化为胶凝性能较好的β型石膏,在减水剂方面,KAl(SO4)2·12H20、NaHSO4与LK聚羧酸减水剂复配的效果比单掺增强剂更好。

3外加剂的经济效益分析

我国不仅具有丰富的天然石膏资源,同时每年会产生大量工业副产石膏,但是,由于其性能复杂,添加外加剂是改善所有石膏制品性能的重要途径。在如今的建材市场中,大力发展新型建材,石膏类建材具有质轻、隔音性好、隔热性好等优良性能,将工业副产石膏用于建筑材料,既解决了其堆放及污染环境等问题,也符合我国目前循环经济的发展趋势。综上两点,石膏类外加剂具有巨大的市场潜力。

添加减水剂,最直接的经济效益是减少水的用量,降低成本,水是大自然最宝贵的资源,添加减水剂后带来的环境效益是不可小觑的,同时,使用减水剂后,石膏制品中的水含量就会减少,这将大大减少石膏制品的拆模时间,为企业增加利润；添加缓凝剂,可以延长石膏制品的缓凝时间,方便其施工,为相关企业节约人、物等资金；添加保水剂,可避免墙面干裂、脱落等问题,为后期的质量检验及维修节约资本。

4结论

建筑石膏的外加剂主要为缓凝剂、减水剂、保水剂、增强剂等,每种石膏的性质都是不同的,因此,同一种外加剂对不同类型石膏的效果是不一样的。

(1)在缓凝剂方面,选用最多的是柠檬酸,虽然它的缓凝效果较好,但是,它对石膏强度的影响很大,但有些自配的复合缓凝剂则能达到既缓凝又能对其强度影响较小的效果。

(2)减水剂主要有苯系减水剂、聚羧酸系减水剂、氨基磺化系减水剂、磺化三聚氰胺系减水剂等,它们在不同类型石膏中发挥的作用各有千秋,使用适宜剂量的减水剂后,可以使其用水量降低,强度增强。

(3)保水剂多用于粉刷石膏中,使其避免出现裂缝等现象,增强剂则主要使石膏制品能达到其早期强度要求。

(4)在外加剂的选取方面可以发现,单一的外加剂的作用不如复合的外加剂效果好,因次,复合外加剂是研究的重点,这对提高石膏制品的性能有很大帮助。

(5)石膏类外加剂具有很大的市场潜力,添加相应的外加剂可以为相关企业带来利润,如用水量减少、拆模时间缩短、人材机用量减少等。

参考文献：

[1]廖琳,潘钢华,唯晨光,等.PW-G型外加剂对脱硫建筑石膏性能的影响研究[J].混凝土与水泥制品,2007(6).

[2]刘民荣,李国忠,赵帅.复合外加剂对脱硫建筑石膏性能的影响[J].新型墙材,2009(1).

[3]于洋,伯玉婷,李国忠.掺加外加剂对脱硫石膏砌块强度的影响探讨[J].建筑砌块与砌块建筑,2008(5).

[4]杨瑞海,陆文雄,余淑华,等.脱硫粉刷石膏的微观分析[J].粉煤灰,2006(6).

[5]赵焕起,李国忠.脱硫石膏抹面材料防水性能的试验研究[J].2013(10).

[6]赵焕起,李国忠.缓凝剂对脱硫石膏抹面材料性能影响的研究[J].混凝土与水泥制品,2013(3).

[7]曹青,张铬,郝艳.缓凝剂对脱硫石膏水化的影响及其缓凝机理研究[J].新型建筑材料,2010,37(6).

[8]位建强,刘巧玲,曹明莉.脱硫石膏-粉煤灰-矿粉复合胶结材改性研究[J].新型建筑材料,2010(4).

[9]毕娟.影响建筑磷石膏性能的主要因素研究[J].商品与质量,2011(2).

[10]李美,彭家惠,张建新,等.磷建筑石膏的特性及其改性[J].硅酸盐通报,2012,31(3).

[11]杜勇.建筑磷石膏改性与应用[D].重庆：重庆大学材料科学与工程学院,2010.

[12]杨家宽,谢永中,刘万超,等.磷石膏蒸压砖制备工艺及强度机理研究[J].建筑材料学报,2009.

[13]俞波,陈吉春,薛爽.非煅烧磷石膏砌块的添加剂试验研究[J].中国建材科技,2007(5).

[14]李美,彭家惠,杜勇,等.磷石膏基粉刷材料工作性的研究[J].材料导报,2010(24).

[15]范征宇,宋亮.缓凝剂对半水磷石膏凝结硬化性能的影响[J].哈尔滨师范大学自然科学学报,2002(1).

[16]唐刚,李美,王腾飞.磷石膏基建筑腻子的配制[J].重庆建筑,2011,10(5).

[17]黄凤萍,李缨,陈利红.绿色高效外加剂对模型石膏性能的影响[J].非金属矿,2011,7(5).

[18]李庚英,林芳辉,彭家惠.建筑石膏缓凝剂的研究[J].汕头大学学报,1998,13(2).

[19]吴亚俊,丁益.外加剂对石膏制品性能影响的研究[J].山西建筑,2012,38(9).

[20]Brachaczek W.The Hydrophobicity of Renovation Plaster in Manufacturing Technology Optimized by Statistical Methods [J].Construction and Building Materials,2013(49).

[21]Van H J,Naldini S,Rodrigues J D.Plasters and Renders for salt Laden Substrates [J].Construct Build Mater,2009(23).

[22]李建权,李国忠,张国辉.石膏复合防水剂对石膏晶体形成的影响[J].建筑材料学报,2007,4(2).

[23]周峻鹏,彭瑜,柳华实.外加剂对石膏制品性能影响[J].建材技术与应用,2005(3).

[24]姜丛盛,王莹.外加剂及掺材对粉刷石膏性能的影响[J].硅酸盐通报,2003(5).

[25]张高科,张强.粉刷石膏复合外加剂的研制[J].新型建筑材料,2001(6).

[26]叶蓓红,王瑞麟.粉刷石膏常用外加剂[J].化学建材,2001(1).

[27]许红升,张锦峰,李国忠.复合外加剂对氟石膏制品强度和泛霜效果影响的研究[J].新型墙材,2005(11).

[28]王锦华,吕冰锋,杨新亚,等.氟石膏基粉刷石膏的应用研究[J].硅酸盐通报,2011,30(3).

[29]李汝奕,王佩建,成晓光,等.氟石膏废渣改性生产粉刷石膏研究[J].环境科学与技术,2007,30(7).

[30]赵帅,田颖,李国忠.掺加外加剂对氟石膏的改性研究剂[J].有机氟工业,2008(1).

[31]陈友治,王斌,李方贤,等.煅烧制度及外加剂对AK糖石膏的强度影响[J].新型建筑材料,2010(4).

[作者简介]姚毅惠(1991—),女,昆明理工大学建筑工程学院在读研究生。研究方向：工程造价与投资管理。