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        為什么說(shuō)陳化對抹灰石膏很重要!

        2020-10-31

        通過(guò)試驗對比了不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏陳化前后的性能變化及配制成抹灰石膏后的性能變化。結果表明,經(jīng)過(guò)陳化后不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏及其配制成抹灰石膏后的需水量、凝結時(shí)間、抗壓強度趨于一致。

        與不經(jīng)陳化的建筑石膏及抹灰石膏相比需水量變小,凝結時(shí)間變長(cháng),抗壓強度提高。通過(guò)機理分析陳化后的建筑石膏及抹灰石膏性能提高是因為Ⅲ型無(wú)水石膏的減少、晶粒的變大和晶格畸變的變小。

        建筑石膏是一種低能耗的膠凝材料,其膠凝性質(zhì)很早就被人們所發(fā)現。隨著(zhù)國內對環(huán)保的關(guān)注越來(lái)越高,抹灰石膏得到了廣泛應用。然而抹灰石膏的質(zhì)量卻很難控制,這是由于抹灰石膏使用的建筑石膏的相組成復雜,導致抹灰石膏的性能不穩定。建筑石膏的相組成一般含有 β 半水石膏、Ⅲ型無(wú)水石 膏、Ⅱ型無(wú)水石膏、二水石膏。建筑石膏的性能不穩定,不僅由相變化影響,還因石膏顆粒的大小變化以及石膏晶格畸變等影響。本文主要研究不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏陳化前后的自身性能及配制出抹灰石膏后的性能變化,分析了產(chǎn)生差異的主要原因,對抹灰石膏生產(chǎn)具有很好的借鑒作用。

        試 驗 

        1.1 原材料建筑石膏:山西潞城石膏礦不同煅燒廠(chǎng)家提供,SO3 含量 40%左右;砂子:河砂,細度 40~70 目;纖維素醚:羥丙基甲基 纖維素醚,黏度約 40 Pa·s;緩凝劑:蛋白質(zhì)類(lèi)。 

        1.2 試驗方法建筑石膏相組成按照文獻 (談 曉 青 ,陳 寧 . 一種建筑石膏的快速 相組成分析方法:102175555B[P].2012-08-22.)方法測試,采用無(wú)水酒精浸泡法測試Ⅲ型無(wú)水石膏含量,采用加純凈水水化法,測試半水石膏含量;石膏性能按照 GB/T 9776—2008《建筑石膏》進(jìn)行 測試;抹灰石膏性能按照 GB/T 28627—2012《抹灰石膏》進(jìn)行 測試。本試驗的陳化方法采用自然陳化法,將試樣敞口放置在溫度(23±2)℃、濕度(50±5)%的環(huán)境下,放置時(shí)間 30 d。

        2 試驗結果與討論 

        2.1 陳化前建筑石膏及抹灰石膏的性能

        2.1.1 陳化前建筑石膏的相組成 對山西潞城同一礦區 A、B、C、D、E 廠(chǎng)煅燒的建筑石膏進(jìn) 行了相分析。
         

        由表 1 可知,不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏相組成差別較大, 尤其是Ⅲ型無(wú)水石膏含量。A 廠(chǎng)的Ⅲ型無(wú)水石膏含量為 40.2%,而 E 廠(chǎng)的Ⅲ型無(wú)水石膏含量只有 6%,對于二水石膏 和Ⅱ型無(wú)水石膏的含量差別不大,都在 2%左右。

        2.1.2 陳化前建筑石膏及抹灰石膏需水量 建筑石膏中的Ⅲ型無(wú)水石膏含量不同,對建筑石膏和抹灰石膏的需水量不同

        由表 2 可知,Ⅲ型無(wú)水石膏含量在 6%時(shí),建筑石膏標準稠度需水量為 60%,而當Ⅲ型無(wú)水石膏含量在 40%時(shí),建筑石膏標準稠度需水量為 69%。建筑石膏的標準稠度需水量隨 Ⅲ型無(wú)水石膏含量的增加呈增加趨勢,Ⅲ型無(wú)水石膏含量在 35%左右時(shí),出現了不一致的規律。通過(guò)比表面積測試,確定主要原因是Ⅲ型無(wú)水石膏含量 35%建筑石膏樣品的比表面積較其它樣品明顯小而導致。使用以上建筑石膏樣品配制成抹灰石膏后,抹灰石膏的需水量從 28%增加到 33%。抹灰石 膏的用水量變化也是隨著(zhù)Ⅲ型無(wú)水石膏含量增加而增加。在相同配方的情況下,抹灰石膏的需水量變化趨勢與建筑石膏的標準稠度需水量變化相同。

        2.1.3 陳化前建筑石膏及抹灰石膏的凝結時(shí)間

        建筑石膏中Ⅲ型無(wú)水石膏含量不同,對建筑石膏的凝結時(shí)間不同,配制成抹灰石膏后凝結時(shí)間也有很大差別,見(jiàn)表 3。由表3 可知,隨著(zhù)Ⅲ型無(wú)水石膏含量增加,建筑石膏的初、 終凝時(shí)間呈逐漸縮短的趨勢,Ⅲ型無(wú)水石膏含量從 6%增加到 40%,初凝時(shí)間從 22 min 縮短 12 min,終凝時(shí)間從 24 min 縮短 14 min。其中Ⅲ型無(wú)水石膏含量在 27%左右時(shí),呈現不規律變化,主要由于其建筑石膏樣品中的二水石膏含量較其它高所導致。

        同樣配制成抹灰石膏后,抹灰石膏凝結時(shí)間的變化趨勢 與建筑石膏一致,都是隨著(zhù)Ⅲ型無(wú)水石膏含量增加凝結時(shí)間 呈縮短的趨勢,Ⅲ型無(wú)水石膏含量在 6%左右時(shí),初凝時(shí)間在 170 min 左右,而當Ⅲ型無(wú)水石膏含量在 40%時(shí),初凝時(shí)間只有 90 min。

        2.1.4 陳化前建筑石膏及抹灰石膏的抗壓強度

        建筑石膏中Ⅲ型無(wú)水石膏含量不同,對建筑石膏及配制成抹灰石膏后的抗折抗壓強度影響不同,一般情況下,抹灰石膏中Ⅲ型無(wú)水石膏含量越高,抗折抗壓強度越低(見(jiàn)表 4)。

        由表 4 可見(jiàn),隨著(zhù)Ⅲ型無(wú)水石膏含量增加,建筑石膏及抹灰石膏的抗壓強度呈逐漸降低的趨勢。Ⅲ型無(wú)水石膏含量在 6%左右時(shí),建筑石膏及抹灰石膏抗折、抗壓強度最大分別是 2.56、5.62 MPa 和 2.49、5.37 MPa,而Ⅲ型無(wú)水石膏含量在 40%左右時(shí),建筑石膏及抹灰石膏抗折、抗壓強度最小分別是 2.13、4.65 MPa 和 2.04、4.28 MPa。

        通過(guò)以上的試驗數據可知,建筑石膏中Ⅲ型無(wú)水石膏含量不同,無(wú)論對建筑石膏還是配制成抹灰石膏后的性能差別都比較大。建筑石膏中Ⅲ型無(wú)水石膏含量越少,越適合配制抹灰石膏,即可以降低抹灰石膏標準稠度用水量,也可以延長(cháng)凝結時(shí)間,而且強度更高。然而當把這些廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏放 置在溫度 25 ℃,濕度 50%的環(huán)境下,30 d 以后再進(jìn)行試驗,試驗的結果完全不同。

        陳化后建筑石膏及抹灰石膏的性能

        陳化后建筑石膏相分析

        由表5試驗數據可知,未陳化的建筑石膏中Ⅲ型無(wú)水石 膏初始含量是 6%~40%,經(jīng)過(guò)陳化 30 d 后的建筑石膏的相組。

        由表 5 可知,Ⅲ型無(wú)水石膏均檢測不到,即通過(guò)陳化后Ⅲ 型無(wú)水石膏發(fā)生了相轉變,而經(jīng)過(guò)陳化后的半水石膏含量均 有不同程度的增加,剛好是其Ⅲ型無(wú)水石膏含量的減少量,說(shuō)明Ⅲ型無(wú)水石膏含量在上述的、環(huán)境下陳化 30 d 全部轉變成半水石膏。但二水石膏和Ⅱ型無(wú)水石膏含量基本不變。這表明通過(guò)陳化,改變石膏的相組成,主要是使Ⅲ型無(wú)水石膏轉變成半水石膏。

        2.2.2 陳化后建筑石膏及抹灰石膏的需水量

        由表 6 可見(jiàn),經(jīng)過(guò)陳化后建筑石膏標準稠度需水量明顯較陳化前的小。標準稠度需水量變化最大的是 A 廠(chǎng)從 69%降 到 55%,而變化最小的是 E 廠(chǎng),從 60%降到 55%。然而不同廠(chǎng) 家生產(chǎn)的建筑石膏經(jīng)過(guò)陳化后的標準稠度需水量基本趨于一 致都在 55%左右,而不經(jīng)陳化的建筑石膏的標準稠度用水量 波動(dòng)較大從 60%到 69%。同樣配制成抹灰石膏以后,標準需水量明顯減小,最大的標準稠度需水量減少 7.5 個(gè)百分點(diǎn),而最小的也減少了 2.5 個(gè)百分點(diǎn)。陳化后的建筑石膏配制成抹灰石膏后,標準稠度需水量在 26%左右趨于一致,而不經(jīng)過(guò) 陳化的建筑石膏配制的抹灰石膏需水量大,從 28%到 33%, 不同廠(chǎng)家的用水量波動(dòng)較大。

        陳化后建筑石膏及抹灰石膏的凝結時(shí)間

        與表 3 對比,表 7 中經(jīng)過(guò)陳化后建筑石膏無(wú)論是初凝時(shí)間還是終凝時(shí)間都明顯較未陳化的凝結時(shí)間有所延長(cháng),最長(cháng)的延長(cháng) 11 min,而最短也延長(cháng) 3 min。陳化前后的建筑石膏配制成抹灰石膏后的凝結時(shí)間變化更加明顯。不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏經(jīng)過(guò)陳化,凝結時(shí)間波動(dòng)較小,初凝都在 23 min 左 右,而不經(jīng)過(guò)陳化的凝結時(shí)間變化差別較大,最大差別 10 min 以上。由表 7 可知,陳化后的建筑石膏配制成的抹灰石膏的凝結時(shí)間明顯延長(cháng),不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏差別不大,而不經(jīng)陳化的抹灰石膏凝結時(shí)間短,不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏凝結時(shí)間差別較大。

        陳化后建筑石膏及抹灰石膏的強度

        與表 4 對比可知,表 8 中經(jīng)過(guò)陳化后的建筑石膏的抗壓強度都比未經(jīng)陳化高,且不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏經(jīng)過(guò)陳化 后,抗壓強度趨于一致,都在 5.6 MPa 左右。經(jīng)過(guò)陳化后的建筑石膏配制成抹灰石膏后,其抗壓強度明顯較未陳化的高,且不同廠(chǎng)家的抗壓強度都在 5.41 MPa 左右,而不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏,不經(jīng)陳化配制成抹灰石膏抗壓強度差別較大。

        機理分析

        雖然同一礦區的石膏純度相同,但是不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏性能差別較大,從而導致抹灰石膏性能不同。不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的建筑石膏,經(jīng)過(guò)陳化后,其需水量變小,凝結時(shí)間延長(cháng), 抗壓強度提高。配制成抹灰石膏后,抹灰石膏的需水量也變小,凝結時(shí)間相應延長(cháng),抗壓強度提高。這個(gè)主要是因為建筑 石膏的相不同。陳化可使殘余二水相和Ⅲ型無(wú)水相向 β 半水 相轉變,使 β 半水石膏水化過(guò)程中凝結時(shí)間稍有延長(cháng)、強度提高。Ⅲ型無(wú)水石膏陳化后的半水石膏相的水化速率較Ⅲ型 無(wú)水相低,凝結時(shí)間較Ⅲ型無(wú)水相長(cháng),在力學(xué)性能方面優(yōu)于Ⅲ 型無(wú)水相。陳化后的建筑石膏水化速度變慢,高分散度建筑 石膏陳化,對其物理形態(tài)的影響,也是改善物理力學(xué)性能的重大因素。以 β 型半水石膏為主要相組成的建筑石膏,使用前 最好經(jīng)過(guò)陳化,以期達到強度最高值。建筑石膏陳化的最佳狀 態(tài)為:無(wú)水石膏基本轉化完,β 型半水石膏含量達到最高值。此時(shí)標準稠度用水量最小,強度達到最高值。Ⅲ型無(wú)水石膏 經(jīng)過(guò)陳化可以使比表面積變小,標準稠度用水量下降,由于Ⅲ 無(wú)水石膏的持續變化導致凝結時(shí)間和抗壓強度不穩定。經(jīng)過(guò)有效的陳化可以改善石膏粉質(zhì)量,溫度、厚度、環(huán)境溫度都 會(huì )影響陳化效果。

        當石膏從一個(gè)相轉變?yōu)榱硪粋€(gè)相時(shí),石膏晶體重新排列, 同時(shí)導致晶格缺陷[8]。石膏不同相的晶體排列示意見(jiàn)圖 1[9]。

        不同石膏相的填充排列

        由圖 1 可見(jiàn),半水石膏相和Ⅲ型無(wú)水石膏相晶體結構相 同,只是半水石膏失水以后留下 1 個(gè)直徑大約 0.3 nm 的孔道, 并未發(fā)生晶型轉變。這個(gè)孔道具有很強的吸濕性,同時(shí)使得Ⅲ 性無(wú)水石膏具有很強的與水反應能力,前面的試驗也驗證此觀(guān)點(diǎn)。Ⅲ型無(wú)水石膏在室內環(huán)境下就可以轉變成半水石膏,Ⅲ 型無(wú)水石膏含量多的建筑石膏,水化速度快[。然而Ⅲ型無(wú)水 石膏比半水石膏少了半個(gè)水分子,故水化生產(chǎn)二水石膏時(shí)比半水石膏需要多,需水量會(huì )變大。

        由試驗可知,經(jīng)過(guò)陳化后的建筑石膏需水量明顯變小,所減少的水分遠遠超出了Ⅲ型無(wú)水石膏水化多出的水,且凝結時(shí)間明顯延長(cháng)。這個(gè)主要是因為經(jīng)過(guò)建筑石膏陳化不僅是發(fā) 生相轉變,其建筑石膏的晶體顆粒發(fā)生畸變。

        由圖 2 可見(jiàn),建筑石膏新粉的半水石膏晶格畸變較大 0.4%,晶粒尺寸較小在 60~200 nm,而經(jīng)過(guò)陳化后的晶格畸變 達到 0.2%,晶粒尺寸變到 100~300 nm,Ⅱ型無(wú)水石膏也發(fā)生 了同樣的變化。新煅燒出的建筑石膏在經(jīng)水化后生成的二水 石膏要比原礦二水石膏晶粒小的多。原礦二水石膏的晶粒是 1000~2000 nm,晶格畸變 0.1%,新生產(chǎn)的二水石膏晶粒是 400 nm,晶格畸變 0.4%。此變化符合吉普斯自由能變化,即等 溫、等壓的封閉體系內,不作非體積功的前提下,任何自發(fā)反 應總是朝著(zhù)吉布斯自由能(G)減小的方向進(jìn)行。ΔG=0 時(shí),反 應達平衡,體系的 G 降到最小值。

        建筑石膏各相晶格畸變越大說(shuō)明活性越高,在建筑石膏中的表現也就是凝結時(shí)間越短。在實(shí)際生產(chǎn)中也發(fā)現同樣的 二水石膏摻量,新生成的二水石膏觸凝效果更明顯。故在抹灰石膏施工過(guò)程中,要及時(shí)清洗攪拌設備等,不能將已經(jīng)硬化的 建筑石膏繼續使用,否則將會(huì )引起抹灰石膏出現快凝、開(kāi)裂等問(wèn)題。

        (1)建筑石膏是影響抹灰石膏質(zhì)量波動(dòng)的主要原因,控制 好建筑石膏的質(zhì)量品質(zhì),可以提高抹灰石膏的質(zhì)量穩定性。(2)抹灰石膏中盡量選擇Ⅲ型無(wú)水石膏含量少的建筑石 膏進(jìn)行生產(chǎn),如果使用Ⅲ型無(wú)水石膏含量大的建筑石膏,可以通過(guò)陳化降低Ⅲ型無(wú)水石膏含量后再使用。(3)配制性能優(yōu)異且穩定的抹灰石膏要求建筑石膏中Ⅲ 型無(wú)水石膏含量應低于 10%,標準稠度用水量控制在 55%左 右,初凝時(shí)間控制在 22 min,抗壓強度一般控制在 5.0 MPa。(4)使用性能穩定的建筑石膏配制抹灰石膏性能較穩定, 抹灰石膏在合適的施工狀態(tài)下需水量少,使用較少的緩凝劑, 可達到較長(cháng)的可操作時(shí)間,抹灰石膏的抗壓強度高。

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