缓凝剂对脱硫建筑石膏性能的影响

2020-03-30孟晓林王秋芹王玉玲

山东化工 2020年4期

孟晓林，王秋芹，王玉玲

(蚌埠学院材料与化学工程学院，安徽蚌埠 233000)

脱硫建筑石膏材料已广泛应用于建筑行业，是由于其可循环持续利用的特性，并具有较强的环保性能。但凝结硬化时间短的缺点，大大限制了石膏的施工工艺，因此需要添加缓凝剂来改善其性能，让石膏浆体保持较长时间的可塑性能，有助于提高脱硫建筑石膏的可操作性以及施工性，这也是目前建筑上对石膏建材研究的重点内容。虽然缓凝剂能缓解凝结时间，但是也能够在一定范围内降低材料强度[1]。因此选择合适的缓凝剂来提升脱硫建筑石膏性能具有很大的研究意义。

缓凝剂的作用机理是降低溶液中石膏溶出率，离子吸附到脱硫石膏表面，形成难溶性化合物限制了石膏离子结晶。缓凝剂在延长浆体凝结时间的同时，会给石膏硬化体的强度带来负面影响，故在研究过程中，需综合考虑石膏浆体的泌水性能、石膏硬化体的力学性能等

本次实验主要通过研究不同种类的缓凝剂，柠檬酸、酒石酸和三聚磷酸钠对脱硫建筑石膏性能产生的影响，分析其对石膏凝结时间、水化温度及强度等性能的影响[2]，选择最合适的缓凝剂来提升脱硫建筑石膏的性能，满足工业生产的操作化要求。

1 原材料与实验方法

1.1 原材料

所用材料主要为脱硫建筑石膏、生石灰、硼酸铵、液体石蜡、石蜡乳化剂、自来水等。脱硫建筑石膏为苏州中电生产，细度≥140目，经实验测得其标准稠度水膏比为66%，初凝、终凝时间分别为10min、15min；柠檬酸、酒石酸、三聚磷酸钠，均为市购。

1.2 实验方法

(1)试块养护条件：试件成形后在标养条件下养护，再放入(40±5)℃的恒温干燥箱中烘干至恒重。

(2)脱硫建筑石膏性能测试：建筑石膏凝结时间、标准稠度、强度测定参照《建筑石膏》GB9776-88进行。

(3)pH值调节与测定

使用稀盐酸(2mol/L)、氢氧化钠溶液(2mol/L)来调节浆体的pH，用pH计来测定浆体pH。

(4)水化温度的测定

将一定体积搅拌均匀的石膏浆倒入烧杯，然后用棉布包裹，使其达到保温的效果。用棉布覆盖烧杯口，留洞插入温度计，温度计底端直接接触石膏浆体，连续测定不同时间浆体温度。

2 实验结果分析

2.1 不同掺量缓凝剂的缓凝效果

图1 不同缓凝剂对浆体初凝时间的影响

图2 不同缓凝剂对浆体终凝时间的影响

图1、图2分别为不同掺量的三种缓凝剂对脱硫建筑石膏初凝、终凝时间影响。由图可知，随着缓凝剂掺量的不断增加，石膏的凝结时间也在持续的延长，说明三种缓凝剂都有一定的缓凝效果。其中，柠檬酸的缓凝效果最为突出，柠檬酸掺量为 0.10%时浆体初、终凝时间分别为51min、92min；掺量为0.40%时，初、终凝时间可达112min、181min，几乎是掺量为0.10%时的两倍。酒石酸掺量为0.10%时，浆体初、终凝时间分别为33min、41min；掺量为0.40%时浆体的初、终凝时间分别为37min、46min，缓凝效果较差，且随着掺量的增长，缓凝效果趋于平缓。对比三种缓凝剂，柠檬酸的凝缓效果最佳，其次是三聚磷酸钠，最后的是酒石酸。

2.2 缓凝剂对石膏硬化体强度的影响

不同掺量缓凝剂对脱硫建筑石膏砌块强度的影响见图3和图4，由图可知，缓凝剂对脱硫建筑石膏的强度具有严重的负面影响。随着缓凝剂用量的增多，抗压强度、抗折强度均有所降低。

图3 不同掺量缓凝剂对砌块抗折强度的影响

图4 不同掺量缓凝剂对砌块抗压强度的影响

由图3、图4可知，在添加柠檬酸、三聚磷酸钠时，缓凝剂掺量对砌块强度影响十分明显。柠檬酸作用于脱硫建筑石膏，对其抗折强度的影响最为显著。柠檬酸的用量越是增多，脱硫建筑石膏的强度损耗越显著。三种不同缓凝剂对石膏砌块强度的影响程度，柠檬酸>三聚磷酸钠>酒石酸。

2.3 pH值对缓凝剂缓凝效果的影响

以柠檬酸为例，研究在不同的pH值下，柠檬酸对脱硫建筑石膏缓凝效果的影响，从而找到合适的pH值。采用氢氧化钠、盐酸改变浆体的酸碱度，将0.10%的柠檬酸加入拌和水中，监测在不同pH值下石膏浆体的初、终凝时间。图5为不同pH值对0.10%掺量柠檬酸石膏浆体凝结时间的影响。

图5 不同pH对柠檬酸缓凝效果的影响

从图5可以看出，柠檬酸缓凝效果最好的是pH值在7～9之间，而且凝结时间在pH值为8.2时达到了顶点。虽然当pH值大于9时，曲线是有下降的趋势，但对比酸性条件下的缓凝效果，依然十分显著。因此柠檬酸对石膏浆体的缓凝效果在碱性条件下可达到最佳。

柠檬酸的缓凝效果之所以会受到pH的影响，主要是因为柠檬酸在不同酸性条件下电离出H+，分别形成柠檬酸根离子和柠檬酸氢根离子，酸根离子和石膏中的Ca2+结合形成稳定性不同的柠檬酸钙。在pH值为7～9时，酸根离子与Ca2+形成的配合物稳定性最高，从而达到延长浆体凝结时间的效果，故缓凝效果最好[3]。

2.4 缓凝剂对水化温升影响

石膏水化过程是一个放热过程，随着时间的增加，温度曲线可以用石膏的水化速度来表示。在水化的同时会产生水化热，石膏的温度会得到提升[4]。脱硫建筑石膏的水化放出的热量十分突出，石膏放热的速度也非常快。所以需要在保温环境下进行实验，故烧杯需要棉布的包裹达到保温效果，尽量减少热量的损失。选择缓凝效果适中的三组配比，将脱硫石膏分别和0.20%柠檬酸、0.10%的三聚磷酸钠和0.10%酒石酸混合制成石膏净浆，测定凝结时间同时记录温度变化。

表1 不同缓凝剂对脱硫建筑石膏凝结时间的影响

表1为不同缓凝剂对脱硫建筑石膏凝结时间的影响。图6为不同缓凝剂条件下脱硫建筑石膏的水化温升曲线图。石膏浆体的水化温度曲线直接反应了石膏的水化过程。脱硫建筑石膏的水化过程实际上是一个放热过程，共分为五大阶段。首先，石膏与水结合，石膏水合物达到固定的温度(初始阶段)；然后水化温度生长缓慢(诱导期)；之后水化温度快速增加，在一定时间内迅速增长(加速期)；达到固定的温度，增长的速率降低(减速期)；最后温度表现为下降趋势(结束期)[5]。

图6 不同缓凝剂条件下脱硫建筑石膏水化温升曲线图

由表1和图6可以发现，随着时间的增加，水化过程放出的热量快速增加，0.20%掺量柠檬酸条件下，脱硫建筑石膏浆液的初凝时间最长，峰值温度出现的最迟。0.10%掺量酒石酸条件下，石膏缓凝时间短，峰值温度出现的比较早。而没有添加缓凝剂的空白样本身初凝时间最短，它的峰值温度出现的最早。凝结时间越短，石膏浆体的峰值温度出现的越早且温度越高，反之亦然。所以初凝时间和峰值温度呈对应的关系。