重质抹灰石膏制备及其性能影响因素研究*

2021-10-26李明桂史玉龙杨昌力李浩明

广州化工 2021年19期

邹灿，李明桂，史玉龙，杨昌力，李浩明

(贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳 550025)

磷石膏是湿法磷酸生产过程中的固体副产物，其主要物相组成为CaSO4·2H2O，年产量达到7500万t，但低利用率导致堆存量超过5亿t，严重威胁周边生态[1]。目前磷石膏利用方向集中在水泥缓凝剂、矿山填充等低附加值领域，经煅烧制备的磷建筑石膏具有水化硬化性能，可广泛用于生产石膏砌块、纸面石膏板、抹灰石膏等高附加值建筑材料，增大磷石膏固体废弃物资源化利用率[2]。近年来，抹灰石膏市场需求量持续增大，根据骨料种类可分为轻质抹灰石膏、重质抹灰石膏两大类[3]。尽管轻质骨料制成的抹灰石膏具有优良性能，但考虑到部分地区的高运输成本使得轻骨料价格远高于砂石料，所以仍有部分企业采用机制砂作为骨料生产抹灰石膏。以往研究人员对抹灰石膏的研究主要集中于外加剂影响[4-6]，骨料在抹灰石膏强度构成中作用极其关键，但针对骨料种类及细度性质对重质抹灰石膏性能影响研究较少。本试验通过考察三聚磷酸钠、羟丙基甲基纤维素醚、砂骨料掺量对抹灰石膏性能影响规律优化出在最佳配比，并且进一步针对不同细度石英砂、机制砂对抹灰石膏性能影响进行对比研究，为提高重质抹灰石膏提供理论支撑。

1 实验

1.1 实验原料

磷建筑石膏来自贵州某化工企业，主要物相组成为半水硫酸钙(烧石膏)。骨料为标准砂，厦门艾思欧标准砂有限公司；石英砂，购自河南展鹏净水材料；机制砂，取自贵州正和加气混凝土有限公司，经筛分得到三种细度范围骨料。三聚磷酸钠(AR)，天津市致远化学品有限公司，羟丙基甲基纤维素醚(AR，粘度20万)，上海臣启化工科技有限公司。

1.2 制备方法

按GB/T28627-2012《抹灰石膏》标准要求测定抹灰石膏拌合物标准稠度用水量、凝结时间、硬化强度等物理性能。

2 结果与讨论

2.1 三聚磷酸钠对抹灰石膏性能的影响

固定水膏比为0.38，不同缓凝剂掺量配制抹灰石膏物理性能测试结果见表1。

从表1可见，随着三聚磷酸钠掺量增大，抹灰石膏浆体的凝结时间延长，样品的保水率及强度性能降低；当三聚磷酸钠掺量为0.6%时，样品的凝结时间最长，但是其保水率与抗折抗压强度最低，分别为69%、2.2 MPa、3.8 MPa。这是由于三聚磷酸钠掺入影响抹灰石膏水化产物晶体形貌粗大，搭接程度降低所致[7]。结合标准GB/T28627-2012《抹灰石膏》中对凝结时间大于1 h的要求，及其经济性角度选择三聚磷酸钠的最适宜掺量为0.4%。

表1 不同三聚磷酸钠掺量抹灰石膏的物理性能Table 1 Physical properties of plastering gypsum with different dosage of sodium tripolyphosphate

2.2 HPMC对抹灰石膏性能的影响

不同HPMC对抹灰石膏物理性能影响测试结果见表2。

表2 不同HPMC掺量抹灰石膏的物理性能Table 2 Physical properties of plastering gypsum with different HPMC content

从表2中可以看出，随着保水剂掺量增大，抹灰石膏的标准稠度用水量增大，这是由于保水剂自身具有的三维网状结构吸附水分能力强，同时拥有较大的比表面积，导致达到标准扩散度时需要的水分较多[8]。抹灰石膏的保水率增大，这是由于保水剂均匀分布在石膏颗粒间，与石膏共同组成牢固的网状结构，从而提高对水分的吸附[9]。当保水剂掺量大于0.2%时，石膏的保水率达到90%，当保水剂掺量继续增大时，石膏的保水率无明显变化。

抹灰石膏的7 d抗折、抗压强度随着保水剂掺量增大而降低，样品的7 d拉伸粘结强度随着保水剂HPMC掺量的增大而增大，0.1%HPMC样品的粘结强度达到1.2 MPa；随着HPMC保水剂掺量继续增大，硬化体的粘结强度也增大。因此根据物理性能及成本综合考虑，选择HPMC保水剂最宜掺量为0.1%。

2.3 磷建筑石膏/砂比对抹灰石膏理化性能的影响

固定三聚磷酸钠0.4%、HPMC0.1%，不同磷建筑石膏(PBG)/砂比样品的物理性能测试结果见表3。

由表3中可知，随着抹灰石膏中砂含量增大，抹灰石膏的标准稠度用水量逐渐降低，保水率增大，抹灰石膏浆体的初凝时间缩短，这是由于砂粒骨料中细砂部分在抹灰石膏起到滚珠润滑的作用，从而改善抹灰石膏的流动度，在相同流动度时掺入水量更低，且骨料颗粒的粗糙表面为水化部分石膏提供晶体生长位点，从而随着砂率增大，抹灰石膏的初凝时间逐渐缩短[10]；抹灰石膏的抗压、拉伸粘结强度随着砂率的增大呈降低趋势，而抗折强度随砂率增大呈现先增大后减小的趋势，当PBG/砂比为1:1时，抹灰石膏抗折强度最高且达到2.5 MPa，抗压、拉伸粘结强度分别达到9.3 MPa、0.5 MPa。因此最宜PBG/砂比为1:1。

表3 不同磷建筑石膏/砂比抹灰石膏的物理性能Table 3 Physical properties of plaster gypsum with different PBG/sand ratio

调整三聚磷酸钠缓凝剂掺量至0.5%(ω)，得到符合国家标准GB/T28627-2012《抹灰石膏》中底层抹灰石膏性能要求的磷石膏基重质抹灰石膏砂浆，其配比如表4所示，7 d绝干抗折、抗压和拉伸粘结强度分别为2.6 MPa、10.1 MPa和0.8 MPa。

表4 磷石膏基重质抹灰砂浆优化配比及其性能Table 4 Optimum proportion and performance of phosphogypsum based heavy plastering mortar

2.4 骨料种类及细度对抹灰石膏性能的影响

固定三聚磷酸钠0.5%、HPMC0.1%、PBG/砂比为1:1，不同砂种类及细度对抹灰石膏物理性能影响测试结果见表5。

从表5中可以看出，其中随着山砂骨料细度目数增大，其制备的干混砂浆的初凝和终凝时间均呈现缩短趋势，而石英砂样品初凝时间随着细度目数增大而减小，终凝时间出现先减小后增大的趋势，这可能是由于细骨料表面不规则从而在建筑石膏水化过程中充当二水石膏晶体生长位点，缩短了水化反应的结晶诱导时间[11]。在相同灰砂比条件下，山砂细度增大所得干混砂浆样品的保水率越高；与之相反，石英砂制得样品的保水率呈现出先减小后增大的趋势。山砂制品中骨料越细，其抗折、抗压强度呈现出先增大后减小的趋势，但拉伸粘结强度则随之减小；石英砂制得干混砂浆的抗折、抗压、拉伸粘结强度则基本与之相反，随着细度增大，抗折、抗压强度呈现逐渐减小趋势，而拉伸你粘结强度先增大后减小。