摘 要:掺加适量的明矾、Na2 SO4 或Na2CO3 激发剂,可以显著提高氟石膏的抗压强度。掺加适量的甲基纤维素、羧甲基纤维素或糊精保水剂,可以显著降低氟石膏的滤纸吸水率和扩展直径,提高其保水性能,三种保水剂的保水效果顺序为:甲基纤维素>糊精>羧甲基纤维素。掺加适量的萘系减水剂、氨基磺酸系减水剂、磺化三聚氰胺系减水剂、多羧酸系减水剂或木质素磺酸钙减水剂,显著提高氟石膏的减水率,达到提高氟石膏制品强度的目的。
关键词:氟石膏;激发剂;保水剂;减水剂
1 前言
我国每年约产生300万t的氟石膏。大量的土地用于堆放氟石膏,土地受到雨水冲洗会导致堆砌场上大量氟石膏的流失,氟石膏残留的硫酸和可溶性有害物质可能会污染地表水以及地下水;氟石膏堆积经日晒后,风吹以粉末状飘散于大气中以及沉降到可能接触到的外物表面,既污染环境又威胁健康。通过提高氟石膏的性能,对其进行综合利用,不仅可以变废为宝、保护环境,也可为企业减轻巨大的经济负担,促进企业健康持续发展[ 1～4 ] 。
石膏抹面材料上墙后,墙体的吸水显著影响了二水石膏的水化进程,造成部分未完全水化的石膏,以惰性粉末的形态存在于基体里,使体系的内部结构不连续、不均匀,产生收缩、开裂和粉化等“干态缺陷”。作为一种建筑抹面材料,氟石膏也存在这一缺点。掺加保水剂,可以减少或减缓氟石膏中的水分转移到墙体,保证氟石膏能够有足够的水分来进行水化反应[5～10 ]。
半水石膏是氟石膏的主要成分和胶凝相,它水化的理论水膏比约为18. 6% ,但其实际用水量却高达65%～80%[ 11 ] 。如此高的水膏比导致氟石膏成型时较大,制品的烘干能耗较高,硬化后制品强度较低,从而影响了制品的成本、质量与档次[ 12 ] 。通过掺加减水剂,可以使氟石膏在保持一定流动度的情况下减少拌和用水,从而有效地降低氟石膏硬化体的孔隙率,达到提高氟石膏制品强度的目的。常用的石膏减水剂是各种类型的有机表面活性物质。它们能够有效地拆散絮凝状结构,使石膏粒子互相分散,释放出受阻游离水,增加自有游离水的含量。因此,在达到相同氟石膏料浆标准稠度时,用水量可大幅度减少,产生较好的减水效果。
2 实验
本实验采用的氟石膏是山东某化工厂提供的,外观呈白色粉末,其主要组成及主要性能指标分别如表1和表2所示,其X - 射线衍射图如图1所示。所用的激发剂有:硫酸钠,化学纯,天津市博迪化工有限公司;明矾,分析纯,淄川程鹏化工厂;碳酸钠,分析纯,廊坊亚太龙兴化工有限公司;均为市售试剂。所用的保水剂有:甲基纤维素,分析纯,天津市科密欧化学试剂开发中心;羧甲基纤维素,分析纯,任丘市高科化工有限公司;均购于济南市化工市场。糊精(淀粉简易糊化后的产物) ,分析纯,天津市科密欧化学试剂开发中心。选用的减水剂有:萘系减水剂、氨基磺酸系减水剂、磺化三聚氰胺系减水剂、多羧酸系减水剂,为市售工业级减水剂,木质素磺酸钙减水剂为化学纯试剂。
按照GB 9776 - 88《建筑石膏》标准,测量氟石膏硬化体的绝干抗压强度。实验条件为:平均气温25 ℃,平均湿度90%。绝干强度的养护条件为:试件成形后在室温下静置1天,再放入40 ±2 ℃的恒温箱中烘至恒重。
参照法国的滤纸测定法,测量氟石膏的保水性能。将拌和的浆体堆放在几层滤纸上,以滤纸吸收氟石膏浆体的水分多少来衡量保水性能,滤纸的吸水率越小,保水性越好,具体方法如下: ( 1)一层直接与浆体接触的快速定性滤纸; ( 2)五层慢速定性滤纸; (3)一个塑料圆板作为托板,把它直接放在桌子上; ( 4 ) 称量塑料圆板和慢速定性滤纸的重量(m0) ; (5)将氟石膏加水拌和成浆体后, 5 min后倒入一个铺有滤纸的圆筒内(内径56 mm,高55 mm) ;(6)浆体与滤纸接触15 min后,重新称量慢速定性滤纸和托板的重量(m1) ; (7)用慢速定性滤纸的每平方厘米吸收面积所吸收水分的重量表示氟石膏浆体的保水性,计算公式为:吸水率= (m1 - m0) /24. 63式中:m1、m0 的单位为mg; 吸水率的单位为mg/ cm2。
3 实验结果与分析
3. 1 掺加激发剂对氟石膏性能的影响
露天堆放的氟石膏没有活性,硬化之后没有强度。研究了掺加明矾、Na2 SO4 或Na2 CO3 激发剂,对氟石膏抗压强度的影响。分别选择了不同掺量的明矾、Na2 SO4 或Na2 CO3 激发剂,加入氟石膏中,测定了氟石膏的3天抗压强度,测定结果见表3。为了更加的说明掺加激发剂对氟石膏抗压强度的影响,根据表3的数据绘制了图2。
通过分析表3和图2可以发现:掺加三种激发剂的氟石膏的绝干抗压强度,随激发剂掺量的增加而增加。当掺加量小于0. 15%时,三种激发剂对抗压强度影响的大小顺序为:明矾>硫酸钠>碳酸钠;当其掺加量大于0. 15%而小于0. 25%时,三种激发剂对抗压强度影响的大小顺序为:硫酸钠>明矾>碳酸钠;当其掺加量大于0. 25%时,三种激发剂对抗压强度影响的大小顺序为:明矾>硫酸钠>碳酸钠。当激发剂的掺加量小于0. 4%时,氟石膏硬化体的绝干抗压强度增加显著,此时随着明矾、硫酸钾和碳酸钠的加入,氟石膏的抗压强度相对于空白试样,其抗压强度分别约提高了27倍、22. 6倍和16. 8倍。当激发剂的掺加量大于0. 4%时,氟石膏抗压强度的增加趋势,随明矾掺加量的增加逐渐减缓;此时,碳酸钠和硫酸钠的加入对氟石膏强度几乎没有影响。
3. 2 掺加保水剂对氟石膏性能的影响
考察了三种保水剂,甲基纤维素、羧甲基纤维素和糊精对氟石膏保水性能的影响,结果如表4所示,为了更加形象地说明掺加保水剂对氟石膏性能的影响,根据表4的实验数据绘制了图3和图4。
通过分析表4和图3、图4可以发现:在一定掺量范围内,掺有三种保水剂的试样的滤纸吸水率和料浆的扩展直径均随着保水剂掺量增大而下降,并有随着掺量增加而呈不断下降的趋势;在掺量达到0. 5%后,下降趋势减缓,甚至不再下降。说明掺量小于0. 5%时,石膏试样的保水性随保水剂掺量增加不断提高,在掺量高于0. 5%后,保水性不再随其掺量增加提高。从三种保水剂的滤纸吸水率和料浆扩展直径曲线对比来看,无论低掺量还是高掺量下,掺有三种保水剂的石膏试样的滤纸吸水率和扩展直径大小顺序为:羧甲基纤维素>糊精>甲基纤维素,所以三种保水剂的保水效果顺序为:甲基纤维素>糊精>羧甲基纤维素。
3. 3 掺加减水剂对氟石膏性能的影响
研究了萘系减水剂、氨基磺酸系减水剂、磺化三聚氰胺系减水剂、多羧酸系减水剂和木质素磺酸钙减水剂五种减水剂,在不同掺加量下对氟石膏减水率的影响,实验结果如表5所示。为了更加形象地说明掺加减水剂对氟石膏性能的影响,根据表5的数据绘制了图5。
通过分析表5和图5,可以看出:减水率随着五种减水剂掺量增大均是提高,并有随着掺量增加而减水率不断上升的趋势。从五种减水剂的减水率曲线对比来看,无论低掺量还是高掺量下,木质素磺酸盐系系减水剂的减水率都是最低的。在掺加量小于0. 5%的条件下,五种减水剂的减水率大小顺序为:磺化三聚氰胺系>萘系>氨基磺酸系>多羧酸系>木质素磺酸盐系;在掺加量大于0. 5%小于0. 85%的情况下,减水率大小顺序为:多羧酸系>萘系>磺化三聚氰胺系>氨基磺酸系>木质素磺酸盐系;在掺加量大于0. 85%小于1. 30%的情况下,减水率大小顺序为:多羧酸系>萘系>氨基磺酸系>磺化三聚氰胺系>木质素磺酸盐系; 当掺量大于1. 30%后,减水率比较为:多羧酸系>萘系氨基磺酸系>萘系>磺化三聚氰胺系>木质素磺酸盐系。从减水率曲线的增长趋势来看,无论在小掺量还是大掺量条件下,多羧酸系的减水率随掺量增长最快,其次是氨基磺酸系减水剂。在较小的掺量下,萘系、磺化三聚氰胺系和木质素磺酸盐系的减水率随掺量增加很快,但当掺量大于0. 5%后,减水率随掺量增加趋于缓慢,因而在使用它们时增加掺量并不一定达到预期效果。
4 结论
(1)掺加适量的明矾、Na2 SO4 或Na2 CO3 ,可以显著提高氟石膏的抗压强度。当激发剂掺加量大于0. 4%时,继续掺加激发剂对氟石膏的抗压强度影响不显著。
(2)掺加适量的甲基纤维素、糊精或羧甲基纤维素,可以显著提高氟石膏的保水性能。三种保水剂的保水效果顺序为:甲基纤维素>糊精>羧甲基纤维素。
(3)掺加适量的萘系减水剂、氨基磺酸系减水剂、磺化三聚氰胺系减水剂、多羧酸系减水剂或木质素磺酸钙减水剂,可以显著提高氟石膏的减水率。其中,木质素磺酸盐系减水剂的减水率是最低的;多羧酸系的减水率随掺量增长最快;当掺量大于0. 5%后,萘系、磺化三聚氰胺系和木质素磺酸盐系减水率的增加趋势趋于缓慢。
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