高涂布率轻质抹灰石膏的研制

2023-11-08赵守佳徐炉兵李素巧李广涛

新型建筑材料 2023年10期

赵守佳，徐炉兵，李素巧，李广涛

（1.山东天盛纤维素股份有限公司，山东菏泽 274051；2.青青源公司兴义生产基地，贵州兴义 562400）

0 引言

轻质抹灰石膏由于施工简便，与基层粘结力强、无空鼓、无开裂[1]，减少施工后期的返工和维修作业，节约材料，低碳绿色等特点得到了良好的应用效果，受到房地产开发商的欢迎。加上隔声防火、调节居住环境的湿度，提高建筑的舒适度，深受住户和使用者的青睐。

我国的抹灰石膏大多采用化学石膏。化学石膏的综合利用可以减少SO2、CO2的排放量，减少能源的消耗，具有明显的生态环保优势，为“双碳”目标的实现做贡献。

尽管众多学者从不同角度对影响轻质抹灰石膏砂浆性能的因素、制备方法及性能进行了研究[2-5]，但是新的建筑材料（蒸压加气混凝土砌块、ALC 板）和施工方式（铝模板现浇混凝土、装配式建筑）的涌现，抹灰石膏施工方式（机喷施工）和施工工人主体的改变，对轻质抹灰石膏提出了更多、更苛刻的要求，如薄层施工不掉粉、脱粉，涂布率由130 m2/cm 升至160 m2/cm，甚至190 m2/cm，抹灰石膏层表面光滑整洁等。

本文以建筑石膏为主要胶凝材料，重点研究了玻化微珠种类、建筑石膏种类，纤维素醚种类及黏度、缓凝剂用量和普硅水泥用量对轻质抹灰石膏砂浆施工性、涂布率和强度的影响，以期为制备涂布率达190 m2/cm 及以上，且施工顺畅的轻质抹灰石膏提供科学有效的技术依据。

1 试验

1.1 原材料

建筑石膏：山东鲁润生产；对比用建筑石膏：分别来自于江西亿彩、山东聊城，其物理性能见表1。

表1 试验用建筑石膏的物理性能

纤维素醚：天盛纤维素股份有限公司生产，分别为纯HEMC、纯HPMC 和EH 系列纤维素醚，均为白色至浅黄色粉末，堆积密度250~550 kg/m3，其中EH 系列纤维素醚是一种憎水化学改性、高取代度的HEMC，适合于石膏基和水泥基轻质砂浆的制备。纤维素醚的技术指标见表2。

表2 纤维素醚的技术指标

膨胀珍珠岩：粒径70~90 目，参考JC/T 1042—2007《膨胀玻化微珠》进行性能测试，结果见表3。

表3 膨胀珍珠岩的物理性能

缓凝剂：Sika 200P，浅黄色粉末，属于改性氨基酸类化合物，西卡（中国）有限公司；触变剂：Bentonitex GS 纳米改性膨润土，由北京稀德玛新材料科技公司提供；引气剂：AOS（α-烯烃磺酸钠），印度Winways 公司生产，广东佛山清远新材料公司提供。

1.2 试验配方

轻质抹灰石膏的试验配方如表4。

表4 轻质抹灰石膏的试验配方g

1.3 试验方法

（1）轻质抹灰石膏的标准扩散度用水量、凝结时间、保水率、抗折抗压强度和粘结强度按GB/T 28627—2023《抹灰石膏》的规定进行测试。

（2）湿密度：按标准扩展度用水量制备轻质抹灰石膏浆料，装入预先用拧干的湿毛巾擦拭过的100 mL 不锈钢柱状容器中，用抹灰刀轻捣几次，除去浆料中的气泡，并将容器上部多余的浆料刮去，用湿毛巾擦去多余的浆料，称重即可。

轻质抹灰石膏的涂布率按式（1）进行计算：

式中：C——轻质抹灰石膏的涂布率，m2/cm；

W——标准扩展度的用水量；

D——轻质抹灰石膏与水拌合好的浆料湿密度，g/L。

（3）抗裂性：按标准扩展度用水量制备轻质抹灰石膏浆料。在水平放置的石膏板上放楔形模框，将轻质抹灰石膏浆料填充到模框内，用抹刀将多余的浆料刮去，抹平试件表面，形成一个楔形状试件。将制备好的试件立刻放入初期干燥抗开裂仪中，用2 m/s 的风速对试件吹风16 h，观察试件2 mm 厚度以下部位有无裂纹。

（4）气泡稳定性：观察拌合好的轻质抹灰石膏浆料的表观细腻程度，测量湿密度。将浆料堆放在石膏板上，用抹刀刮抹1次，观察抹灰石膏层的表观。将拌合好的浆料放置40 min，再观察浆料的表观，测量湿密度，观察刮抹1 次抹灰石膏层的表观。

2 结果和讨论

2.1 轻质抹灰石膏中纤维素醚种类的选择

固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（水泥）∶m（重钙粉）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（缓凝剂）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（纤维素醚）=880∶20∶20∶80∶0.4∶5.0∶0.10∶3.0，改变纤维素醚的种类，其余相同。纤维素醚种类对轻质抹灰石膏性能的影响见表5。

表5 纤维素醚种类对轻质抹灰石膏性能的影响

纤维素醚是天然高分子聚合物，分子链中含有羟基、羟乙基等亲水基团，甲基、葡萄糖单元等憎水基团等，具有表面活性剂的性质。当纤维素醚溶于水中，分子就在气液或气固界面上聚集，从而大大降低体系的表面张力，也即减少了气泡形成所需的能量，在抹灰石膏与水拌合过程中，便于气泡的生成。不同类型的纤维素醚引气能力不同。由表5 可见，3 种纤维素醚的引气能力顺序为：EH 系列＞纯HEMC 系列＞纯HPMC 系列，相应的轻质抹灰石膏的湿密度逐渐变小。

轻质抹灰石膏加水搅拌后制得抹灰石膏浆料，湿砂浆静置40 min 后，使用纯HPMC 系列纤维素醚会出现轻微“发糟”，静置40 min 时施工性稍变差。使用纯HEMC 系列纤维素醚制备的轻质抹灰石膏的湿砂浆静置40 min 后出现明显“发糟”，静置40 min 时施工性明显变差。把抹灰石膏刮抹在基层上，抹灰石膏层中有许多气孔，但是几次刮抹后，仍可以得到表面光滑的抹灰石膏层。关于“发糟”原因，与轻质抹灰石膏浆料的组成有关，抹灰石膏浆料自身稳泡能力不足，导致“微泡并小泡、小泡并大泡”，表观上就是抹灰石膏浆料呈“马蜂窝”状。

与HPMC、HEMC 系列纤维素醚相比，EH 系列纤维素醚制备的轻质抹灰石膏砂浆湿密度最小。加水搅拌完成的轻质抹灰石膏的湿砂浆静置40 min 后未出现“发糟”现象，仍施工顺滑，得到的抹灰石膏层表面光洁，致密，仅有极少量气泡。也就是说，添加EH 系列纤维素醚的轻质抹灰石膏可操作时间明显偏长，而湿砂浆可操作时间过短时会影响正常的涂抹施工。EH 系列纤维素醚分子中引入了长链烷基，葡萄糖单元上的侧链是寡聚的聚氧化乙烯醚一元醇，可在气泡表面/界面形成一层弹性膜，这层弹性膜弹性和强度高，大大降低气泡碰撞并泡的机会，气泡难于破裂或并泡；同时由于纤维素醚的增稠作用，气泡间的液体排除缓慢，最终在抹灰石膏浆料中形成均匀分布的微小气泡并保持稳定（见图1）。这是EH 系列纤维素醚在轻质抹灰石膏中引气多同时稳泡好的原因。

图1 EH 纤维素醚气泡形成和稳定的示意

轻质抹灰石膏砂浆在施工应用时，遇大风天气容易出现开裂。抹灰石膏的抗裂性试验结果表明，3 种纤维素醚制备的轻质抹灰石膏层经风吹后没有发现裂纹。一方面，纤维素醚具有良好的保水性，能够使建筑石膏充分水化，建筑石膏自身建立强度；另一方面，纤维素醚对建筑石膏之间以及填料间形成有效粘结，提高了建筑石膏晶体与填料间的内聚力，提高了抹灰石膏的强度。

EH 纤维素醚的引气产生大量微小气泡，在抹灰石膏浆料中起到“滚珠”作用，同时大量的气泡存在增加了湿砂浆的体积和屈服应力，因此新拌砂浆的施工性和抗下垂性提高。

根据以上试验结果，选择EH 系列纤维素醚制备轻质抹灰石膏。

2.2 EH 系列纤维素醚黏度对轻质抹灰石膏性能的影响

EH 系列纤维素醚在轻质抹灰石膏中起到保水、增稠、引气和稳定气泡的作用，同时包裹颗粒物料，增加体系的内聚力，这些作用与纤维素醚的黏度有关。固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（水泥）∶m（重钙粉）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（缓凝剂）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（EH 纤维素醚）=880∶20∶20∶80∶0.2∶5.0∶0.10∶3.0，仅改变纤维素醚的黏度，其余相同。纤维素醚黏度对轻质抹灰石膏性能的影响见表6。

表6 纤维素醚黏度对轻质抹灰砂浆性能的影响

由表6 可知，随着纤维素醚黏度的增加，轻质抹灰石膏标准扩展度用水量逐渐增加，同时高黏度的纤维素醚的引气能力更强，相应的抹灰石膏的湿密度降低，抹灰石膏的涂布率逐渐升高。由于纤维素醚的引气能力，导致抹灰石膏浆料中小气泡增多，水分扩散的面积增加，抹灰石膏的保水率随着纤维素醚黏度的增加而降低。当纤维素醚的黏度为121 000 mPa·s时，抹灰石膏的加水量最大，但是湿密度升高，导致涂布率降低，抹灰石膏的强度不能符合GB/T 28627—2023 的要求。由于抹灰石膏层上有气泡，所以不使用黏度为121 000 mPa·s的EH 纤维素醚进行后续试验。综合考虑，EH 纤维素醚黏度以44 000~60 000 mPa·s 为宜，后续试验均使用黏度为50 000 mPa·s 的EH 纤维素醚。

2.3 缓凝剂用量对抹灰石膏性能的影响

抹灰石膏层的开裂与抹灰石膏的强度密切相关，强度高，开裂的风险就少。建筑石膏与水凝结速度快，当制成抹灰石膏时，必须加入合适的缓凝剂，以延长抹灰石膏的凝结时间，为抹灰石膏的施工提供足够的可操作时间。合适的缓凝剂应当具有以下条件：（1）抹灰石膏凝结时间的延长与缓凝剂的用量呈线性关系，而不是指数关系，以免由于建筑石膏凝结时间的差异导致在同样掺量缓凝剂条件下，凝结时间的延长呈指数增长。（2）抹灰石膏初凝和终凝时间的间隔短。抹灰石膏的初凝时间控制抹灰石膏浆料的可操作时间，而抹灰石膏的终凝时间是可以进行下道工序施工开始的时间。因此，初凝和终凝时间间隔的变小有利于施工效率的提高，缩短施工时间。（3）缓凝剂对抹灰石膏的强度影响小。凝结时间延长是以抹灰石膏强度的降低为代价，如果缓凝剂的加入能够延长抹灰石膏的凝结时间，但是降低抹灰石膏强度的幅度小，将会降低抹灰石膏层开裂的风险。

抹灰石膏的常用缓凝剂为无机盐、有机酸和蛋白质类，以蛋白质类效果为最好。固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（水泥）∶m（重钙粉）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（纤维素醚）=880∶20∶20∶80∶5.0∶0.10∶3.0，仅改变缓凝剂的用量，其余相同。氨基酸类缓凝剂用量对轻质抹灰石膏性能的影响见表7。

表7 缓凝剂用量对轻质抹灰砂浆性能的影响

由表7 可知，缓凝剂用量对抹灰石膏用水量、保水率和涂布率影响较小，但是，随着缓凝剂用量的减小，抹灰石膏的初凝和终凝时间缩短，而强度逐渐提高。当缓凝剂用量为0.020%时，抹灰石膏的物理性能符合GB/T 28627—2023 的技术要求。因此，缓凝剂的用量选择为0.015%~0.020%。

2.4 水泥用量对抹灰石膏性能的影响

抹灰石膏在实际应用时，现场施工条件有时苛刻，如风速大、环境温度高、基层吸水率大、基层吸水速度快，使得抹灰石膏层容易开裂。为降低抹灰石膏层开裂的几率，常在抹灰石膏配方中加入灰钙粉或水泥。固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（纤维素醚）=880∶80∶5.0∶0.12∶3.0。调节水泥的用量，同时改变重钙粉的用量，通过调节缓凝剂的用量，使轻质抹灰石膏的凝结时间相近，其余相同。水泥用量对抹灰石膏性能的影响见表8。

表8 水泥用量对轻质抹灰石膏性能的影响

由表8 可知，和不加水泥的抹灰石膏相比，抹灰石膏的标准扩展度用水量稍有降低，这是因为水泥破坏了建筑石膏的结晶性。

在轻质抹灰石膏中加入水泥，抹灰石膏不仅在塑化阶段强度提高，而且最终的强度也会提高。一是由于水泥中含有钙离子，是建筑石膏的促凝剂；二是水泥中的铝酸三钙和建筑石膏反应形成钙矾石，使二水石膏晶体间的范德华力转化为化学键，不同石膏晶体间的牢固程度极大增加；三是硅酸三钙和硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶，填充在二水石膏晶体的空隙中，提高了抹灰石膏体系的密实度。

调节缓凝剂的用量，使不同水泥用量的抹灰石膏初凝时间相同，测试不同抹灰石膏体系的放热峰。发现，添加水泥的轻质抹灰石膏放热峰比不加水泥时出现早，减少了轻质抹灰石膏层开裂的可能。从另一个角度证明，添加水泥时，抹灰石膏在塑性阶段的强度会上升得快。

水泥用量小，水泥的水化成分分布在二水石膏中，没有相连形成网状结构，因此水泥的添加并不影响抹灰石膏的收缩率，总的来讲，添加少量水泥的抹灰石膏是膨胀的。

从试验结果看，添加水泥会改善轻质抹灰石膏的性能，用量以2%~4%为宜。

2.5 不同来源的建筑石膏和膨胀珍珠岩

对轻质抹灰石膏性能的影响

轻质抹灰石膏的主要原材料是建筑石膏和膨胀珍珠岩，要生产出施工性好、涂布率好、抹灰石膏层表面平整的轻质抹灰石膏，建筑石膏和膨胀珍珠岩及其他助剂需要相容性好。

2.5.1 建筑石膏来源对轻质抹灰石膏性能的影响

固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（水泥）∶m（重钙粉）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（缓凝剂）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（纤维素醚）=880∶20∶20∶80∶0.20∶5.0∶0.10∶3.0。仅改变建筑石膏的产地，其余相同。建筑石膏来源对轻质抹灰石膏性能的影响见表9。

表9 不同来源建筑石膏对轻质抹灰石膏性能的影响

山东的建筑石膏是以脱硫石膏为原材料，而江西的建筑石膏是以磷石膏为原材料，由表9 可知，使用磷建筑石膏制备高涂布率的轻质抹灰石膏不可行，不仅涂布率低，而且抗压强度和粘结强度不符合GB/T 28627—2023 的要求。因此，生产高涂布率轻质抹灰石膏应使用脱硫建筑石膏。

2.5.2 膨胀珍珠岩来源对轻质抹灰石膏性能的影响

珍珠岩经过高温膨胀后均称为膨胀珍珠岩，表面封闭、内部中空的球形，颗粒大小窄的称为玻化微珠，市场上供应的多是开孔的膨胀珍珠岩。开孔和闭孔的膨胀珍珠岩在轻质抹灰石膏的生产中各有优势，开孔的产品表面不规整，粒径分布宽，更有利于保证抗下垂性；而闭孔产品施工轻滑，不易粘刀，但由于粒径分布窄，表面规整，抹灰石膏的抗下垂性差。

固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（水泥）∶m（重钙粉）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（缓凝剂）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（纤维素醚）=880∶20∶20∶80∶0.20∶5.0∶0.08∶3.0。仅改变膨胀珍珠岩来源，其余相同。膨胀珍珠岩来源对轻质抹灰石膏性能的影响见表10。

表10 不同来源膨胀珍珠岩对轻质抹灰石膏性能的影响

由表10 可知，3 种膨胀珍珠岩制备的轻质抹灰石膏的物理性能符合GB/T 28627—2023 的要求，施工顺滑，但是随着膨胀珍珠岩的堆积密度的增大，轻质抹灰石膏的涂布率逐渐减小。因此，当生产涂布率为190 m2/cm 时，应当使用堆积密度低于80 kg/m3的膨胀珍珠岩。

要生产出高涂布率、性价比高、工作性能好的轻质抹灰石膏，不仅要控制建筑石膏、膨胀珍珠岩和其他助剂的质量，还要从合理的配比、施工工艺等方面进行优化。通过系统研究，对轻质抹灰石膏砂浆配比进行优化，确定各组分适宜掺量：建筑石膏88%~90%，普硅水泥2%~4%，膨胀珍珠岩8.0%，采用EH 纤维素醚，控制其黏度为50 000 mPa·s 左右，掺量约为0.30%。按照确定的配比，制得的轻质抹灰石膏砂浆涂布率在190 m2/cm 以上，物理性能符合GB/T 28627—2023中轻质底层抹灰石膏砂浆指标要求。对制备的轻质抹灰石膏砂浆进行试应用，施工过程发现，该轻质抹灰石膏砂浆具有优良的施工性能，且硬化后的石膏砂浆层表面光洁，可节约后续施工中的界面剂和建筑腻子的消耗量。