改性增强天然建筑石膏的应用研究

张立乾 李海燕 王 能

山西聚义新型建材技术研究院

1 引言

石膏是一种用途广泛的工业材料和建筑材料。石膏是单斜晶系矿物，是主要化学成分为硫酸钙（CaSO4）的水合物。石膏及其制品的微孔结构和加热脱水性，使之具优良的隔音、隔热和防火性能，可用于水泥缓凝剂、石膏建筑制品、模型制作、医用食品添加剂、硫酸生产、纸张填料、油漆填料等。

建筑石膏，又称β 型半水石膏，简称β 石膏，其化学式为CaSO4·0.5H2O，生产β石膏的原料主要为含两个结晶水硫酸钙的天然石膏（又称生石膏）或含硫酸钙的化工副产品和磷石膏、氟石膏、硼石膏等废渣，其化学式为CaSO4·2H2O，也二半水石膏。

天然二水石膏CaSO4·2H₂O又称为生石膏，经过煅烧、磨细可得β型半水石膏：CaSO4·1/2H2O，即建筑石膏，简称β石膏，又称熟石膏、灰泥。若煅烧温度为190°C可得模型石膏，其细度和白度均比建筑石膏高。若将生石膏在400°C～500°C 或高于800°C 下煅烧，即得地板石膏，其凝结、硬化较慢，但硬化后强度、耐磨性和耐水性均较普通建筑石膏为好。

相对于β石膏，就是α石膏即高强石膏，其特点是晶粒较粗，比表面积比较小，调成石膏浆体的可塑需水量很小（比β石膏少的多），约为35%～45%，因而硬化后孔隙率小，具有较高的强度和密实度，故名高强石膏。一般制备方法是，二水石膏在1.3 大气压下，124°C的饱和水蒸气下蒸炼而得。

随着市场科技日新月异的发展和应用技术的不断深入，市场并不仅仅只满足于高强石膏，毕竟其制备工艺复杂且生产成本高，因此伴随市场的需求而诞生了改性增强建筑石膏或β 石膏，其为β石膏的新应用拓展了应用范围。

本研究基于现有公司天然建筑石膏的应用潜力而进行了深入的改性增强试验。并设计了科学而合理的试验计划。通过添加各种助剂改性增强建筑石膏粉的试验，使增强后的普通建筑石膏具有类似高强石膏的抗折强度，并研究其作用机理和应用效果，为建筑石膏的新应用拓展市场空间。

2 原材料

2.1 建筑石膏

表1 细度100目石膏粉的物性指标

2.2 其他试验原料

表2 一些原料的规格指标

3 试验配比设计

实验方案是依据统计学方法，每种原料单独添加到石膏中，根据建筑石膏的国标要求，测试其标稠、凝结、抗折、抗压等。并对不同原料复合配比添加到石膏中，进行相应指标测试。通过初步的试验筛选基本确定了每种原料的添加比例范围，配比设计如表3。

表3 各个原料的配比设计（%）

4 试验结果与分析

图1 水泥对抗折强度的影响

图2 减水剂对抗折强度的影响

图3 硫酸钾和减水剂组合对抗折强度的影响

图4 其他原料对抗折强度的影响

图5 多组分对抗折强度的影响

通过每个原料与建筑石膏粉的单独配比试验和测试，改性后的石膏指标主要是标稠用水量、凝结时长、抗折强度和抗压强度，本次研究结合应用目标，重点分析研究了关键指标抗折强度的变化，即两小时抗折强度。表1为建筑石膏改性前的指标包括抗折强度（2.13MPa）。

图1 说明，P.032.5 水泥的添加量在3%～5%时，对普通建筑石膏的抗折强度可明显提高，0.3%是峰值，而在1%～3%和大于5%时是降低抗折强度，尤其超过5%时急剧下降。

图2 说明，减水添加量在0.1%～0.3%时，可提高普通建筑石膏的抗折强度，而超过3%则持续下降。

图3说明，因微量硫酸钾的引入，可调高减水剂的添加量和复合提高普通建筑石膏的抗折强度[2]，可使减水剂添加量在0.3%～0.5%之间，而0.5%是峰值。可将建筑石膏的抗折强度从图2 的峰值2.9MPa 提高到峰值3.7MPa 以上。参考相关文献和进一步的试验验证，微量的硫酸钾可对建筑石膏中的少量无水硫酸钙有活性激发作用，从而可参与水化作用而提高整体石膏的抗折强度[3]。

图4中多条图形走势对比，可发现多种试验料中只有聚乙烯醇和酚醛树脂可提高普通建筑石膏的抗折强度。结合图1到图4可发现，对提高建筑石膏的抗折强度影响较大的原料依次为减水剂、水泥、聚乙烯醇、酚醛树脂。考虑到在干粉混合中遇水的溶解性和溶解度问题，聚乙烯醇和酚醛树脂在常温冷水中溶解不充分，难以完全发挥粘结作用，因此暂不考虑。通过试验对比了磺酸钠盐减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高高效减水剂、聚羧酸高效减水剂等多种减水剂，最终发现聚羧酸高效减水剂对增强建筑石膏最明显且添加量少可控制成本。通过对普通硅酸盐水泥不同牌号的对比试验，证明P.O32.5水泥足以产生预期的增强效果[4]。

如图5所示，通过减水剂、硫酸钾和水泥的组合配比添加到建筑石膏中，进行试验和检测，建筑石膏的抗折强度可显著增加，最佳组合比例为：

表4 最佳组合配比

此组合配比，可使原来建筑石膏的抗折强度提高两倍多，相当于高强石膏的指标。因为不同产地建筑石膏的品质不同，所以在实际的工程应用中，要根据具体的情况和上述的相互关系进行适量地调节。

5 结论

通过上述实验研究分析，可以得到如下结论：（1）对建筑石膏改性增强效果明显的原料依次为减水剂、水泥、聚乙烯醇、酚醛树脂。（2）改性增强建筑石膏，多组分比单组分原料更明显。（3）普通建筑石膏可以通过改性增强而具有高强石膏的抗折强度。（4）改性增强建筑石膏的最佳组合配比是：0.5%减水剂，5%水泥，0.06%硫酸钾，94.4%建筑石膏。