石膏基EPS轻混凝土的性能影响因素研究

潘剑云，张欣，史琰，杨英武

（浙江农林大学 风景园林与建筑学院，浙江 杭州 311300）

0 引言

作为轻质保温混凝土，水泥基复合材料中的水泥浆体在水化和凝结硬化的过程中伴随着不可避免的收缩，存在收缩开裂的问题。有学者通过聚苯颗粒（EPS）来改善水泥基轻质混凝土的抗收缩性能，配制出EPS轻质混凝土，取得了良好的效果，但总体来说收缩不可避免，裂缝问题依然难以很好的解决[1-2]。脱硫石膏基轻质墙体材料相比于水泥基胶结材料有更好的抗裂和保温性能[3]，相比于聚苯板有更高的强度和防火性能，并且可手工涂抹也可机喷，施工适应性好。本研究采用一种微膨胀胶凝材料——脱硫石膏，通过大量的试验，对比分析各种外加剂对石膏砂浆性能的影响，综合缓凝剂、稳定剂和触变剂等对脱硫建筑石膏的改性，得到合理的配合比，最终研制出一种性能优异的EPS轻质混凝土，以解决水泥基轻质混凝土的开裂问题。

脱硫石膏是电厂或者钢铁厂烟气脱硫后的工业副产物，随着我国火力发电及钢铁产业的迅猛发展，脱硫石膏的产量呈逐年递增的趋势[4]，对其进行资源综合利用也逐渐得到相关行业和部门的重视[5]。因此，本研究的另外一个目标就是利用脱硫石膏生产的建筑石膏，开发配制出能更好适应现场喷涂施工作业的石膏砂浆，不仅能产生良好的经济效益，而且加大了脱硫石膏的消耗量，具有良好的环境效益。

1 试验

1.1 原材料

1.1.1 脱硫建筑石膏

安徽双特新型建材有限公司提供，以芜湖、宣城电厂的脱硫石膏为原料，经煅烧处理制成的脱硫建筑石膏。依据GB/T 9776—2008《建筑石膏》及相关试验标准测得，均符合3.0级建筑石膏标准要求。主要性能见表1。

表1 脱硫建筑石膏的主要性能

1.1.2 聚苯颗粒（EPS）

市售普通聚苯乙烯泡沫颗粒，符合GB/T 10801.1—2018《绝热用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》要求，粒径3～5 mm，堆积密度6.4 kg/m3，表观密度19.3 kg/m3，导热系数0.038 W/（m·K）。

1.1.3 外加剂

（1）石膏缓凝剂：上海齐硕实业有限公司提供，属于蛋白质类离子吸附型高效缓凝剂。

（2）羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）：山东泰安瑞泰纤维素有限公司生产，黏度40～60 Pa·s，作为砂浆中的稳定剂、分散剂和增稠剂使用。

（3）改性淀粉醚：荷兰艾维贝（中国）有限公司生产，化学改性淀粉，增稠保水性好，改善砂浆的施工操作性。

1.2 试验方案

1.2.1 试样的制备

参照GB/T 28627—2012《抹灰石膏》试样制备流程，结合材料实际特征，按预先设定的各组份配合比将干粉原材料进行混合，干拌2min，使外加剂粉料与建筑石膏充分均匀混合，缓慢加水搅拌1min后加入聚苯颗粒，再搅拌2 min后，将拌合物填入40 mm×40 mm×160 mm的三联试模中插捣成型，24h后拆模，进行标准养护，如图1所示。纯浆料性能对比项试件除不添加聚苯颗粒外，其余制作步骤类同。

图1 石膏基轻质墙体材料试块

1.2.2 试件的测试

从施工现场的可操作性和使用过程中的实用性考虑，本研究主要测试了不同配合比拌合料的凝结时间、保水性、不同龄期的抗折和抗压强度、保温性能，并定性观测了拌合物的润滑性和抗流挂性。

凝结时间参照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏 净浆物理性能的测定》进行测试；保水性参照GB/T 28627—2012进行测试；抗折与抗压强度参照GB/T17669.3—1999《建筑石膏 力学性能的测定》进行测试。

2 结果与讨论

通常认为，砂浆中浆体与骨料之间属于机械混合，对材料的物理性能和力学性能影响较大，而外加剂对石膏浆体的改性属于微观范畴，影响材料的整体性能。因此，本研究先从浆体的改性来分析各添加剂对建筑脱硫石膏性能的影响，得出外加剂配比，在此基础上，通过调整浆体与骨料的体积比，综合考虑表观密度和强度指标，最终得出最优配比。

2.1 缓凝剂对石膏砂浆性能的影响

脱硫建筑石膏在不添加外加剂的情况下，凝结时间很短，无法满足施工操作时间的需求。因此，必须通过掺加缓凝剂来延长可操作时间。石膏缓凝剂种类很多，使用的情况也各不相同，就目前来说，最常用的缓凝剂主要有磷酸盐类、柠檬酸和蛋白质类[6]。近年来针对石膏缓凝剂的研究表明[7-10]：蛋白质类缓凝剂对石膏基材料具有更强的表面吸附及钙离子螯合性能，具有掺量少，缓凝效果好，强度损失小等优点。因此，本研究主要选用蛋白质类缓凝剂，辅助以纤维素醚的缓凝作用，来提高产品的缓凝效率。

缓凝剂掺量（按占石膏质量计，下同）对纯石膏浆体性能的影响如表2所示。

由表2可知，蛋白类缓凝剂对石膏浆体的凝结时间和强度都存在不同程度的影响，其掺量的影响存在较为明显的分界，即掺量在0.20%以下时，影响基本为线性变化，掺量超过0.20%时则影响有突变；通过分析凝结时间与强度的变化走势及突变点形态，推断出凝结时间与强度之间存在线性相关性。依据蛋白类缓凝剂的作用机理，出现这种现象的原因是当缓凝剂浓度达到一定量时，与钙离子结合后覆盖晶核的作用大大增强，阻止了晶核之间的交联，出现强度急剧下降。可以预见，当缓凝剂继续增加到一定量后，会出现石膏浆体不凝结和无强度的现象。

表2 缓凝剂掺量对石膏砂浆性能的影响

2.2 纤维素醚对石膏浆体性能的影响

普通石膏砂浆的保水性较差，保水率通常在65%～70%[11]，泌水性大，影响施工操作性和砂浆的强度。纤维素醚是天然纤维素醚化的产物，根据其取代基团的差异，可以作为分散剂、保水剂和增稠剂等，能够显著改善石膏砂浆的保水性、和易性等[11-12]。羟丙基甲基纤维素醚（HPMC）对石膏砂浆性能的影响如表3所示。

表3 纤维素醚对石膏砂浆性能的影响

由表3可知，纤维素醚对石膏浆体的保水率影响较大，在掺量小于0.20%时保水率随掺量增加线性增大，掺量大于0.20%时对保水率的提升作用有限；纤维素醚对石膏浆体有缓凝作用，但缓凝效果相较于缓凝剂可忽略不计；纤维素醚对石膏浆体的强度有降低作用，特别是抗压强度损失较大，并且存在2个突变点，即掺量为0.10%和0.20%时。分析纤维素醚的作用机理，是因其基团的锁水作用，使晶核之间的水量增加而延缓交联的发生，但并不能阻止晶核的生长，因此对凝结时间有影响但不明显。由于晶核之间的水量增加，晶核间距增大，使晶须之间的抗剪切粘结力大大降低，同时过多的水在后期蒸发后留下空隙，也降低了石膏硬化后的强度。综合保水率和强度要求，本研究确定纤维素醚的用量为0.20%。

2.3 淀粉醚对石膏浆体性能的影响

淀粉醚在砂浆中主要起到增稠剂的作用[13]，并且和纤维素醚配合使用能明显提高砂浆的抗流挂和抗下垂的性能[14]。研究表明，当淀粉醚与纤维素醚的掺量比在1∶4左右时，其抗下垂能力及润滑性最优，涂抹爽滑，施工性优异[15]。因此，从施工应用的角度，简化对淀粉醚的研究，掺入淀粉醚（纤维素醚质量的20%）定性观测淀粉醚对喷筑型轻质混凝土抗流挂性的影响，如图2所示（左侧为添加淀粉醚效果，右侧为未添加淀粉醚效果）。综合考试，本研究所使用的淀粉醚用量为0.05%。

图2 添加淀粉醚石膏浆体的效果对比

2.4 聚苯颗粒对轻质混凝土性能的影响

聚苯颗粒作为石膏基轻质混凝土中的轻骨料，是决定混凝土强度和保温性能的最主要因素之一。聚苯颗粒（EPS）按其来料方式可分为破碎再生EPS颗粒和原发EPS颗粒。研究表明[16-17]：再生EPS颗粒砂浆的和易性和施工性较好，而原发EPS颗粒砂浆的强度和保温性能较好，因此，为更好体现强度指标和保温性，本研究选择使用原发EPS颗粒。

考虑到浆体的凝结时间与混凝土的凝结时间存在差异，本研究对不同缓凝剂掺量的石膏浆体和石膏基EPS轻质混凝土进行对比试验，EPS与浆体体积比为1.0，结果如表4所示。

表4 EPS颗粒对轻质混凝土凝结时间的影响

由表4可知，在脱硫石膏浆体中掺入一定量的EPS颗粒对混合体的凝结时间影响较大，并且随着缓凝剂掺量的增加，对缓凝剂效率的削弱作用越明显，当缓凝剂掺量为0.30%时，两者凝结时间差距达到了约100 min。分析EPS颗粒的促凝原因，可将EPS颗粒当做是一种吸附内核，促使二水石膏晶须向其快速聚拢，加快了晶核的交联时间，宏观表现为凝结时间的缩短。根据试验结果，为使整体施工可操作时间适当延长，凝结时间控制在1h左右，本研究确定缓凝剂的掺量为0.25%。

依据以上研究确定的外加剂掺量，确定浆料的最佳配比为：1000 g脱硫石膏粉、0.25%缓凝剂、0.2%纤维素醚和0.05%的淀粉醚。拌和物的用水量依据混合均匀且不泌水的原则，确定为石膏质量的55%左右。

将不同用量的EPS颗粒掺入到上述浆体料中，研究其掺量对轻质混凝土整体强度的影响，结果如表5所示。

表5 EPS与浆体体积比对轻质混凝土强度的影响

由表5可知，当EPS与浆体的体积比小于1.4时，EPS掺量的增加对强度的影响较小，特别是对抗折强度的影响极小；比例超过1.4时，影响急剧增大。为使本研究所确定的轻质混凝土达到JC/T2458—2018中LC2.0级强度要求，即抗压强度达到2.0 MPa以上，确定EPS与浆体体积比为1.4。

经研究与优化后的配比，EPS与浆体体积比为1.4，缓凝剂、纤维素醚、淀粉醚掺量分别为0.2%、0.2%、0.05%，加入适量水即可搅拌得到颗粒分布均匀、抗压强度达到2 MPa以上的脱硫石膏基EPS轻质混凝土，如图3所示。根据其材性，可用于轻质墙体填充和保温砂浆等应用领域。

图3 EPS颗粒与浆体关系剖切示意

3 结论

（1）缓凝剂掺量对石膏浆体的缓凝作用基本表现为线性相关，只有当掺量高于0.2%时存在影响突变；同时，随着缓凝剂掺量的增加，凝结时间延长，砂浆的强度逐渐降低。

（2）纤维素醚主要影响石膏浆体的保水率，当掺量高于0.2%时，保水率变化趋缓；同时，纤维素醚的超掺将引起浆体强度的大幅降低，综合保水率和强度因素，掺量取0.2%较为合适。

（3）轻骨料EPS主要影响轻混凝土的强度，为达到LC2.0级混凝土强度要求，EPS与浆体体积比需控制在1.4以下；同时骨料EPS对浆料有促凝作用，将削弱缓凝剂的效率，配制混凝土时必须考虑。