缓凝剂对不同种类石膏性能的影响

张伶俐，罗慧，夏伟军

（广东龙湖科技股份有限公司，湖北 武汉 430040）

缓凝剂对不同种类石膏性能的影响

张伶俐，罗慧，夏伟军

（广东龙湖科技股份有限公司，湖北 武汉 430040）

研究了国内外不同石膏缓凝剂对石膏的作用效果。通过应用于脱硫建筑石膏、天然建筑石膏的凝结时间、强度等对比，对几种石膏缓凝剂进行性能评估。并选择合适的石膏缓凝剂应用于石膏基产品。

石膏缓凝剂；脱硫石膏；天然石膏；凝结时间；强度

0 前言

近几年来，我国石膏工业得到飞速发展，石膏作为建筑材料在建筑中的应用量越来越大，这主要体现在纸面石膏板和粉刷石膏的用量明显增大。但石膏在应用方面还存在很多问题，主要集中在石膏凝结时间较短，一般在6～10 min。因此，缓凝剂成了石膏应用中必不可少的添加剂[1-2]。目前，国内外对石膏缓凝剂作了大量的研究，研究最广泛的有4类石膏缓凝剂，分别是有机酸及其可溶盐、碱性磷酸盐、蛋白质类以及几类之间的复配[3-4]。另外，生产石膏的原料主要为含硫酸钙的天然石膏（又称生石膏）或含硫酸钙的化工副产品（加工而成脱硫石膏）和磷石膏、氟石膏等废渣。脱硫石膏是一种工业副产石膏，也称排烟脱硫石膏或FGD石膏（Flue Gas Desulphurization Gysum），这种石膏主要是以由含硫元素的燃料（包括煤炭、石油等）经燃烧而得到的烟气，再经脱硫技术处理而产生的石膏。其定义如下：脱硫石膏是由烟气脱硫产生，由品位较高、颗粒较小的二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）晶体组成的[5-6]。天然石膏则是自然界的石膏矿，主要成分为二水石膏（CaSO4·2H2O）。上面2种二水石膏经煅烧脱水，形成以β-半水石膏为主要成分的胶凝材料。这2种石膏由于原料不同，因此在生产应用中，所用添加剂及配方也不尽相同。因此，研究不同石膏添加剂对不同石膏原料的性能影响非常有必要。

本文主要通过实验市场上几种不同的石膏缓凝剂，对脱硫石膏、天然石膏的凝结时间、强度的影响，优选出适合不同石膏的缓凝剂种类及掺量，揭示缓凝剂对不同石膏的强度影响规律，为石膏的合理应用提供参考。

1 实验

1.1 实验原料

脱硫建筑石膏（以下简称脱硫石膏），湖北武汉；天然建筑石膏（以下简称天然石膏），湖北应城。2种石膏的化学成分见表1，物理力学性能见表2。

表1 脱硫石膏和天然石膏的化学成分%

表2 脱硫石膏和天然石膏的物理力学性能

从表1可以看出，脱硫石膏和天然石膏的化学成分相似，但脱硫石膏中的CaO、SO3的含量均高于天然石膏，因此，就干料中半水石膏质量分数而言，该脱硫石膏品位优于天然石膏品位。但其含有Cl-和F-水溶性离子等成分，这些杂质对石膏制品的性能会造成不同程度的危害。

从表2可以看出，脱硫石膏的标准稠度用水量明显高于天然石膏。这是因为脱硫石膏相比天然石膏颗粒较细（一般在200目左右），且石膏的颗粒大小比较均匀，颗粒大多集中在40～60 μm，其级配要比天然石膏粉（140 μm）差很多。另外还可以看出，脱硫石膏凝结时间比天然石膏凝结时间短，强度比天然石膏高。这大概是因为该脱硫石膏中的半水石膏质量分数较高，且游离水较少，而天然石膏中还含有部分黏土类杂质。

缓凝剂：选用不同种类、不同来源的5种缓凝剂。PE，意大利SICIT2000公司，降解聚酰胺钙盐；P粉，德国TRICOSAL公司，氨基酸缩聚物钙盐；国产A，市售，苏州，无机盐类缓凝剂；国产B，市售，苏州，蛋白质类缓凝剂；国产C，市售，上海，蛋白质与表面活性剂及无机盐复合而成。

1.2 实验方法

凝结时间：参照GB/T 9776—2008《建筑石膏》进行测试。

抗折、抗压强度：按GB/T 9776—2008成型40 mm×40 mm× 160 mm的试块，在实验室干养护条件下，分别测试1 d强度和绝干强度。绝干强度测试方法为：先在实验室温度（20±2）℃，湿度（50±5）%的条件下干养护7 d，然后在40℃鼓风箱中烘干至绝干状态，测试抗折、抗压强度。

2 结果与分析

2.1 缓凝剂对脱硫石膏凝结时间的影响（见表3）

表3 缓凝剂种类及掺量对脱硫石膏凝结时间的影响

从表3可以看出：

（1）PE对脱硫石膏的缓凝效果最好，当掺量为0.02%时，初凝时间35 min，终凝时间55 min；掺量为0.08%时，初凝时间134 min，终凝时间149 min。

（2）国产A对脱硫石膏的缓凝效果最差，当掺量为0.2%时，初凝时间19 min，终凝时间70 min；掺量为0.5%时，初凝时间70 min，终凝时间170 min。

（3）相同掺量时，PE缓凝效果优于P粉；国产B、国产C二者缓凝效果差不多。

2.2 缓凝剂对天然石膏凝结时间的影响（见表4）

表4 缓凝剂种类及掺量对天然石膏凝结时间的影响

从表4可以看出：

（1）PE对天然石膏的缓凝效果最好，当掺量为0.02%时，初凝时间27 min，终凝时间42 min；掺量为0.08%时，初凝时间104 min，终凝时间115 min。

（2）国产B对天然石膏的缓凝效果最差，当掺量为0.25%时，初凝时间34 min，终凝时间67 min；掺量为0.35%时，初凝时间76 min，终凝时间99 min。

（3）相同掺量时，PE缓凝效果优于P粉；国产A缓凝效果略好于国产C。

2.3 缓凝剂对脱硫石膏强度的影响（见表5）

表5 缓凝剂种类及掺量对脱硫石膏强度的影响

从表5可以看出：

（1）除P粉外，其它缓凝剂随着缓凝剂掺量的增加，脱硫石膏强度随之降低。而P粉为缓凝剂时，随着其掺量的增加，脱硫石膏的强度先小幅升高然后降低。

（2）随着缓凝时间延长，脱硫石膏强度下降。要达到相同缓凝效果时，每种缓凝剂的掺量并不一致。通过表3找出缓凝效果近似的点，例如：初凝时间为70～80 min时，PE掺量0.04%，绝干抗压强度为11.0 MPa；P粉掺量0.12%，绝干抗压强度为8.7 MPa；国产B、国产C掺量均为0.20%，绝干抗压强度均为8.7 MPa。可知，PE对脱硫石膏强度的影响最小，然后依次是P粉、国产B、国产C，但三者相差不大。

2.4 缓凝剂对天然石膏强度的影响（见表6）

表6 缓凝剂种类及掺量对天然石膏强度的影响

从表6可以看出：

（1）除国产A外，缓凝剂在低掺量情况下，天然石膏强度反而提高，但随着缓凝剂掺量的增加，石膏强度明显降低。原因是天然石膏中存在部分游离水分子，不掺缓凝剂的情况下，化学反应迅速，放出大量的热，水分子转化成水蒸气排出，导致硬化的二水石膏形成疏松多孔的结构，石膏强度降低。而掺入少量缓凝剂后，石膏化学反应减缓，石膏中游离的水分子渗出石膏浆体，从而导致生成的二水石膏结构致密，强度因此提高。

（2）随国产A缓凝剂掺量增加，天然石膏强度呈无规律性变化，其原因可能是石膏强度太低，而且存在试验误差因素，因此观察不到变化趋势。

（3）在表4中找出凝结时间相差不大的点，如初凝时间为50～60 min时，PE掺量0.04%，绝干抗压强度为5.6 MPa；P粉掺量0.04%，绝干抗压强度为6.2 MPa；国产A掺量0.30%，绝干抗压强度为3.9 MPa；国产C掺量0.25%，绝干抗压强度为5.6 MPa。因此，P粉对天然石膏强度的影响最小，PE和国产C差不多，而国产A对天然石膏强度的影响最大。

2.5 缓凝剂作用机理

本文采用的5种缓凝剂可分为3大类，其缓凝作用机理也各不相同。国产A属于多聚磷酸盐系列缓凝剂，国产B属于蛋白质类缓凝剂，PE、P粉和国产C为蛋白质和无机盐的复合缓凝剂。

国产A的缓凝机理：多聚磷酸盐与石膏形成某种沉淀膜覆盖在半水石膏和二水石膏晶核表面，既阻碍了半水石膏的溶解，延缓了晶核的形成，同时还抑制了晶核的长大。国产B的缓凝机理：研究发现，大分子缓凝剂（蛋白类）掺入石膏基材料中，与二水石膏表面的钙离子结合，覆盖在二水石膏的晶核表面，降低晶核表面能，抑制了晶核的生长。同时由于蛋白质胶体的吸附和保护作用，蛋白质胶体虽抑制石膏晶体生长，但不改变晶体形貌，对石膏强度影响较小。根据PE和P粉的化学成分分析，二者均属于蛋白质同无机钙盐复合缓凝剂。因此二者在一定程度上和蛋白类的缓凝机理类似，同时还兼具了无机盐的缓凝作用。因此，缓凝剂PE、P粉和国产C蛋白类与表面活性剂及无机盐复合后，各自发挥缓凝作用的同时，也产生了协同作用，无机盐对石膏的缓凝加上蛋白类对石膏强度的保护作用，最终使得国产C的缓凝效果介于国产A与国产B之间[7-9]。

另外，从上述试验中可以看出，不同缓凝剂对不同种类石膏的缓凝效果不同，相同缓凝效果时，对强度的影响也不同。PE和P粉相比，PE对脱硫石膏和天然石膏的缓凝效果都很好，但P粉明显更适合天然石膏的缓凝，且对天然石膏的强度影响较小，这可能是由于二者分子质量不同或者分子结构不同，因而对不同的石膏产生不同的缓凝效果。国产A、B、C三者相比，国产A对脱硫石膏缓凝效果不佳，国产B对天然石膏缓凝效果不佳。所以可以得出，无机复合缓凝剂更适合应用于天然石膏，而蛋白质类对天然石膏表现不理想，蛋白质与无机盐复合的缓凝剂则比较均衡，对天然石膏和脱硫石膏适应性都不错，但不同分子结构或分子量对不同石膏种类也有不同影响。

2.6 缓凝剂在粉刷石膏中的应用

由于不同缓凝剂对应不同种类的石膏应用有所不同，因此，以抹灰石膏为例进行实验。底层抹灰石膏配方见表7，GB/T 28627—2012《抹灰石膏》对底层抹灰石膏的要求及本试验2种配方抹灰石膏性能测试结果见表8。

表7 底层抹灰石膏配方

表8 底层抹灰石膏的性能测试结果

从表8可以看出，2组配方所测性能符合GB/T 28627—2012对底层抹灰石膏的要求，说明本试验的配方设计是合理可行的。

3 结语

（1）缓凝剂对脱硫石膏缓凝时间的影响效果为：PE明显优于P粉，国产B、C明显优于国产A。

（2）缓凝剂对天然石膏缓凝时间的影响效果为：PE稍优于P粉，国产A优于国产C，国产C优于国产B。

（3）相同缓凝效果时，PE对脱硫石膏的强度影响最小，其它缓凝剂对脱硫石膏强度的影响差不多。

（4）相同缓凝效果时，P粉对天然石膏强度的影响最小，PE和国产C差不多，而国产A对天然石膏强度的影响极大。

（5）无机类缓凝剂适宜用于天然石膏，蛋白类缓凝剂不适宜天然石膏，二者复合类缓凝剂则2种石膏都能适应。

综上，缓凝剂对不同石膏的凝结时间、强度影响都不相同原因可能是石膏的化学组分不同，也可能是不同缓凝剂对石膏缓凝作用机理不同。因此，采用不同石膏作原料时，要慎重选择合适的石膏缓凝剂。在设计配方时要综合性能、生产成本等多方面因素，经过反复试验，找出综合性价比优越的配方进行生产，从而提高产品竞争力。

[1]刘俊飞，孙吉书，李兵.缓凝剂对建筑石膏强度性能影响的试验[J].低温建筑技术，2012（12）：4-6.

[2]吴莉.缓凝剂对建筑石膏性能的影响和作用机理研究[D].重庆重庆大学，2002.

[3]瞿金东，彭家慧，吴莉，等.建筑石膏外加剂研究进展[J].材料科学与工程学报，2004（3）：466-469.

[4]潘伟，王培铭.缓凝剂和减水剂作用于半水石膏水化硬化的研究进展[J].材料导报：综述篇，2011，25（7）：91-96.

[5]赵焕起，李国忠.缓凝剂对脱硫石膏抹面材料性能影响的研究[J]建筑砌块与砌块建筑，2013（3）：44-46.

[6]李娜.减水剂对脱硫石膏的改性研究及性能表征[D].淮南：安徽理工大学，2010.

[7]曹青，张铭，郝艳.缓凝剂对脱硫石膏水化的影响及其缓凝机理研究[J].新型建筑材料，2010（6）：69-71.

[8]曹晓梅，牟晓芳，钱中秋，等.建筑石膏缓凝剂的研究进展[J].材料导报，2013（S2）：298-301.

[9]曹晓梅，钱中秋，吴开胜.非合成蛋白质类石膏缓凝剂的复配研究[J].新型建筑材料，2013（8）：81-84.

Effect of retarder on the properties of different kinds of gypsum

ZHANG Lingli，LUO Hui，XIA Weijun
（Guangdong Longhu Sci.Tech.Company Limited，Wuhan 430040，China）

The effects of different plaster retarders on gypsum are studied in this paper.The performance evaluation of those retarders is carried out through comparing the setting time and strength of desulfurized gypsum and nature gypsum.And the adaptive gypsum retarder applied to gypsum-based product is selected.

gypsum retarder，desulfurized gypsum，natural gypsum，setting time，strength

TU526；TQ177.3+7

A

1001-702X（2016）09-0018-04

2015-12-02；

2016-03-22

张伶俐，女，1983年生，湖北当阳人，助理工程师。