减水剂对磷建筑石膏砌块的物理性能影响

马金波，谢　刚，余　强，郑绍聪，姚　云

(1.昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明　650093；2.昆明冶金研究院，昆明　650031；3.云南冶金(美国)科技公司，昆明　650031)



减水剂对磷建筑石膏砌块的物理性能影响

马金波1,2，谢刚1,2，余强2,3，郑绍聪2，姚云2

(1.昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明650093；2.昆明冶金研究院，昆明650031；3.云南冶金(美国)科技公司，昆明650031)

研究了4种减水剂(葡聚糖凝胶、聚羧酸、FDN、木质素)对建筑石膏性能的影响，采用XRD和扫描电镜对建筑石膏粉和石膏产品进行分析和表征。结果表明：当掺量为0.3%时，HC(聚羧酸)对磷建筑石膏的减水率、绝干抗压强度分别为13%、11.3MPa，相对空白组强度提高了2.7%；MZS(木质素)对磷建筑石膏的减水率、绝干抗压强度分别为15%、12.1MPa，相对空白组强度提高了10%；FDN对磷建筑石膏的减水率、抗压强度分别为13.1%、13.1MPa，相对空白组强度提高了19%；G-50(葡聚糖凝胶)对磷建筑石膏的减水率、绝干抗压强度分别为25%、15MPa，相对空白组强度提高了36%。由SEM分析表明：在掺量为0.3%时，G-50减水剂明显减少了磷建筑石膏水化硬化的实际需水量，从而促进了石膏水化后晶体呈针状生长。晶体与晶体之间紧密衔接，晶粒细化程度高，从而改善了磷建筑石膏砌块内部的晶体结构。故G-50对建筑石膏具有优异的减水作用以及增强效应。

减水剂； 建筑石膏； 减水率； 晶体

1　引　言

磷建筑石膏是建筑石膏材料中的一种，其主要成分为β-半水石膏(CaSO4·1/2H2O)，它是由磷石膏在破碎、磨细或处理后经过低温(107～180 ℃)煅烧制得。以β-半水石膏为主要成分的磷建筑石膏所制成的产品用作建筑材料，可以代替传统的水泥和石灰砂浆，用于建筑物室内抹灰，嵌缝和装饰。更重要的是它可以用来生产石膏砌块和石膏板材，但是在实际生产中利用建筑石膏制备石膏板材时，会出现制品空隙率大、易碎、强度低等现象，其主要原因是：以β-半水石膏为主要成分的建筑石膏的理论水化需水量为18.6%[1]，而实际拌合水量却为60%～80%[2,3]。采用减水剂是降低建筑石膏水膏比、提高其抗压强度并改善其性能的有效途径之一。

2　实　验

2.1实验仪器

上海华龙WHY-300压力试验机(上海实验仪器厂有限公司)；电热鼓风干燥箱(上海实验仪器厂有限公司)；PHILIPS-HR2096搅拌机；水泥稠度凝结测定仪(维卡仪)；水泥快速试模；VEGAⅡLMU扫描电镜；电子天平；X射线衍射仪(Siemens公司D5000型)。

2.2主要实验材料

减水剂:葡聚糖凝胶(G-50)、梳状聚羧酸(HC)、FDN减水剂、木质(MZS)，以上试剂均为市售。

磷建筑石膏:取自云南任天石膏厂，其原料三相组成中以β-半水石膏为主要成分，同时含有少量的二水硫酸钙、无水硫酸钙。其SiO2含量是9.8%，结晶水含量以及标准稠度水膏比分别为18%、0.75，初凝时间9min、终凝时间15min。其三相成分如表1所示。

表1　磷建筑石膏的三相成分

通过XRD检测技术对磷建筑石膏进行了测试，如图1所示，从图中可以看出，磷建筑石膏的主要化学组成为半水硫酸钙、无水硫酸钙、二水硫酸钙以及一定含量的二氧化硅。磷建筑石膏的SEM显微结构如图2所示，从图中可以看出，石膏颗粒整体上呈片状散乱分布着，粒径长度参差不齐，大小不一。 这说明石膏粉内存在多相成分及其少量杂质，正好验证了表1和图1。

图1　石膏原料的XRD图Fig.1　XRD pattern of gypsum material

图2　磷建筑石膏的SEM显微结构Fig.2　Microstructure of SEM on phosphorous building gypsum

2.3实验方法

石膏三相分析参照中华人民共和国国家标准GB/T5484-2012《石膏化学分析方法》；石膏标准稠度、凝结时间、强度等性能参照中华人民共和国国家标准GB/T17669.3-1999《建筑石膏力学性能》进行测定；磷建筑石膏硬化体晶体形貌观测采用VEGAⅡLMU扫描电镜。

文化即“人类化”、“自然的人化即文化”。《辞海》这样解释休闲：“农田在一段时间内不种植物，借以休养地力的措施”。现多指人通过休息，身心放松，解除疲劳，自由自在，做自己喜欢做的事甚至是闲着不做什么，表现为一种生活方式和生活态度。它指的“是一种从外在压力下解脱出来、能以自己喜爱的方式活动并从中体验到愉悦和价值的相对自由的生活。”“休闲文化就是使人回归人的本性、使人成为人的休闲活动及其要素的总和。”就休闲文化视野下的书法，笔者以为其有以下四个特征：

减水率的测定：分别测试四种减水剂在其掺量为 0.1%、0.3%、0.5%时，扩展度达到180mm左右的需水量m1,未加减水剂时扩展度达到180mm左右的需水量m0，减水率按(1)式计算：

减水率=(m0-m1)/m0×100%

(1)

3　结果与讨论

3.1减水剂对磷建筑石膏减水率的影响

在建筑石膏的实际应用中，减水剂对石膏制品的减水效果，直接关系到石膏制品的综合性能。因此本实验将利用四种减水剂对磷建筑石膏进行比较研究。其减水剂对磷建筑石膏的减水率如下表2所示，每次所用的磷建筑石膏粉均为250g。

表2　不同掺量减水剂对磷建筑石膏的减水率

从表2可以看出，四种不同的减水剂对磷建筑石膏均有不同程度的减水效果，相对其他减水剂而言，G-50的减水效果最好，FDN的减水效果次之，MZS和HC的效果较弱；同时这四种不同减水剂对磷建筑石膏的最佳掺量均为0.3%。当G-50的掺量为0.3%时，石膏的减水率达到25%。在一定掺量范围内，石膏的减水率与减水剂的掺量呈明显的正相关性。当超过这个范围，减水率则趋于一个定值，这说明减水剂存在一个饱和掺量，超过饱和点，减水剂对石膏的减水效果增加不大。

3.2减水剂对磷建筑石膏抗压强度的影响

不同掺量的减水剂对磷建筑石膏的减水率影响的同时，也会对建筑石膏砌块的强度产生影响。因此，为了进一步验证减水剂对石膏力学性能的影响，本实验通过对磷建筑石膏依次添加不同的减水剂，在不同的掺量下制成石膏砌块，经过烘箱于45 ℃下进行24h的烘干处理，利用抗压测试仪对石膏砌块进行绝干抗压强度测试，实验中每组使用的磷建筑石膏为500g，针对不同掺量的减水剂制成石膏砌块时，所用水量按表2中用水比加入，数据如表3所示，其相对应结果如图3所示。

表3　不同掺量减水剂对磷建筑石膏绝干抗压强度的影响

图3　不同掺量减水剂对磷建筑石膏绝干抗压强度的影响Fig.3　Inflence of different dosage superplastizers on the dry compressive strength of phosphorus building gypsum

由表3可知，随着四种减水剂掺量的提高，磷建筑石膏的抗压强度均有不同程度的提高，但增加到一定掺量时，磷建筑石膏的强度不再增加，有的反而有相对降低的趋势。

由图3可知，四种减水剂：G-50、FDN、HC、MZS的最佳掺量均在0.3%。在掺量相同的情况下，G-50对磷建筑石膏的抗压强度的影响最为明显，当G-50的掺量为0.3%时，磷建筑石膏的强度达到15MPa，相对空白组提高了36%。相对减水剂G-50来说，其余的减水剂效果较弱：当减水剂的掺量为0.3%时，FDN减水剂对磷建筑石膏的抗压强度为13.1MPa，相对空白组提高了19%；HC减水剂对磷建筑石膏的抗压强度为11.3MPa，相对空白组提高了2.7%；减水剂MZS对磷建筑石膏的抗压强度为12.1MPa，相对空白组提高了10%。

对比发现四种减水剂对磷建筑石膏抗压强度的影响顺序与四种减水剂对磷建筑石膏减水率的影响顺序高度一致。这说明在一定掺量范围内(0.1%～0.3%)，减水剂对磷建筑石膏减水率的提高有助于其抗压强度的明显提高。当超出这个范围时，减水剂掺量达到饱和点，其对磷建筑石膏的减水率没有进一步提高，进而对石膏砌块抗压强度增加不大。

3.3反应机理

磷建筑石膏与适量水混合后，经过水化硬化成为固体。水化反应如(2)式所示：

β-CaSO4·1/2H2O+3/2H2O→CaSO4·2H2O

(2)

随着水化的进行，二水石膏不断增加，水分逐渐减少，浆体开始失去可塑性，之后浆体继续变稠，粘结力增加，形成具有一定结构的固体砌块。期间晶体颗粒经历长大、连生和互相交错的过程，浆体强度不断增加，直至砌块表面水分完全蒸发后，强度才稳定不变。

在磷建筑石膏水化过程中由于需水量远大于理论需水量，这就导致水化反应后的产物即二水硫酸钙晶体疏松、空隙率大，进而使其强度降低。加入减水剂后，利用其分散作用，能较快的使石膏在加水初期所形成的结构分散，从而将凝聚体内的游离水分释放出来，达到减水的目的[5]，与此同时改善晶体结构，起到提高强度的作用。

当减水剂掺量超过最佳掺量时，过多的减水剂分子游离于石膏颗粒之间，从而与吸附在颗粒表面的减水剂分子产生排斥作用，抑制了晶体的生长方向，导致其搭接不够密实，因此相对于空白组来说，在一定程度上限制了砌块强度的增加。

当适量的G-50减水剂加入后，石膏颗粒被减水剂网状分子结构包围，使颗粒表面产生负电荷，进而导致颗粒之间产生静电排斥作用，与此同时其网状结构的选择性吸附导致大部分自由水从中释放出来，减少了石膏浆体的用水量。促进了石膏水化后晶体呈针状生长，晶体与晶体之间紧密衔接，交织密实，提高了抗压强度。

3.4SEM分析

经过上述分析可知，在掺量为0.3%时，G-50减水剂对磷建筑石膏的强度影响最为明显。选取由掺量分别为0.1%、 0.3%、0.5%的G-50减水剂制成的石膏砌块和空白组石膏砌块做SEM电镜分析比较，具体显微结构如图4所示。

由图4a可以看出，未掺减水剂的磷建筑石膏砌块内部晶体疏松，孔隙率大，晶体形状分布不均匀，基本呈片状、扁状、粒状分布；掺量为0.1%的G-50对磷建筑石膏的内部结构有所改善，晶粒有所细化，晶体呈针状分布的数量增多，局部有针状晶体交接密实的区域，如图4b所示；由图4c可以看出，掺量为0.3%的G-50对磷建筑石膏的内部结构改变明显，晶体间空隙减小，晶体大部分呈针状分布，晶粒相对细小，分布匀称，各晶体间相互交接，搭接密实；相对于掺量为0.3%的G-50，掺量为0.5%的G-50对磷建筑石膏内部结构的改善程度稍微较弱，晶体之间的交接分布较少，晶粒细化程度不够，长短参差不齐，如图4d所示。综上所述，掺量为0.3%的G-50对磷建筑石膏的水化硬化体的内部晶体形状分布、密实程度以及晶粒的大小有所改善。从而提高了其抗压强度。

图4　掺G-50前后石膏砌块显微结构(a)未掺减水剂(b)掺0.1%的G-50减水剂(c)掺0.3%的G-50减水剂 (d)掺0.5%的G-50减水剂Fig.4　Microstructure of gypsum block before and after adding G-50(a)without water reducing agent(b)with 0.1% of G-50 water reducing agent(c)with 0.3% of G-50 water reducing agent (d)with 0.5% of G-50 water reducing agent

4　结　论

(1)在一定掺量范围内(0.1%～0.3%)，葡聚糖凝胶(G-50)、梳状聚羧酸(HC)、FDN减水剂、木质(MZS)对磷建筑石膏的减水率呈明显的正相关性。与此同时，四种减水剂的最佳掺量均在0.3%；

(2)在掺量为0.3%情况下，四种减水剂中，G-50减水剂对磷建筑石膏的减水效果最好，其减水率达25%；在此掺量下形成的石膏砌块的绝干抗压强度达到15MPa，相对于空白组，强度提高了36%；

(3)SEM观察结果表明，在最佳掺量下，G-50减水剂明显减少了磷建筑石膏水化硬化的实际需水量，从而改善了磷建筑石膏砌块内部的晶体结构，这正是石膏砌块抗压强度升高的原因。

[1]KhalilAA,TawfikA,HegazyAA,etal.Effectofsomewasteadditivesonthephysicalandmechanicalpropertiesofgypsumplastercomposites[J].Construction and building materials,2014,68:580-586.

[2] 彭家惠，瞿金东，张建新，等.FDN减少剂对建筑石膏水化和硬化体结构的影响[J].建筑材料学报，2007，10(1)：14-19.

[3] 逄建军，张力冉，王浩，等.聚丙烯酸-甲基丙烯磺酸钠对建筑石膏性能的影响[J].精细化工，2014，31(5)：655-658.

[4] 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):554-557.

[5] 李志新，彭家惠，戎延团，等.FDN减水剂对再生石膏性能的影响[J].建筑材料学报，2015，18(1)：19-27.

InfluenceofSuperplasticizersonthePhysicalPropertiesofBuildingGypsumBlock

MA Jin-bo1,2,XIE Gang1,2,YU Qiang2,3,ZHENG Shao-cong2,YAO Yun2

(1.FacultyofMetallurgicalandEnergyEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China;2.KunmingMetallurgicalResearchInstitute,Kunming650031,China;3.YunnanMetallurgyandTechnologyCompany,Kunming650031,China)

Laboratoryexperimentshavebeenperformedtoresearchtheinfluenceoffourkindsofsuperplasticizers(Sephadex,Ploycarboxylicacid,FDN,Xylogen)onthepropertiesofphosphorusbuildinggypsum.TherawmaterialofbuildinggypsumandgypsumproductswereanalysedbyXRDandscanningelectronmicroscopy.FromtheresultsitturnsoutthatwhenthecontentofHC(Ploycarboxylicacid)was0.3%(massratio),therateofwaterreducinganddrycompressivestrengthwere13%and11.3MParespectively,with2.7%strengthhigherthanthatoftheblank,whenthecontentofMZS(Xylogen)was0.3% ,therateofwaterreducinganddrycompressivestrengthwere15%and12.1MParespectively,with10%strengthhigherthanthatoftheblank,whenthedosageofFDNwas0.3%,therateofwaterreducinganddrycompressivestrengthwere13.1%and13.1MParespectively,with19%strengthhigherthanthatoftheblank,whenthecontentofG-50(Sephadex)was0.3%,therateofwaterreducinganddrycompressivestrengthwere25%and15MParespectively,with36%strengthhigherthanthatoftheblank.SEManalysishasindicatedthatwhenthecontentofG-50was0.3%,G-50significantlyreducedactualwaterinneedforhydrationandhardeningofphosphorusbuildinggypsum,thusitcontributedthegypsumcrystaltogrowuptoneedle-likecrystalafterhydration.Thecloselinkbetweencrystalandcrystal,highdegreeofgrainrefinement,inwhichimprovedthecrystalstructureinsideofphosphorusgypsumblock.SoG-50hastheexcellentwaterreducingeffectandenhancingeffect.

superplasticizers;phosphorousbuildinggypsum;waterreducingrate;crystal

国家自然科学基金资助项目(51404123)

马金波(1989-)，男，硕士研究生.主要从事磷石膏复配增强机理方面的研究.

谢刚，教授，博导.

X705

A

1001-1625(2016)01-0092-05