聚羧酸減水劑在脫硫石膏中的應(yīng)用性能優(yōu)勢(shì)

聚羧酸減水劑在脫硫石膏中的應(yīng)用性能優(yōu)勢(shì)林棟;鄒其;鄧最亮;傅樂(lè)蜂【摘要】測(cè)試了木質(zhì)素類(lèi)、萘系、磺化三聚氰胺系和聚羧酸系減水劑這4種石膏制品常用減水劑對(duì)脫硫石膏分散性、凝結(jié)時(shí)間以及強(qiáng)度的影響.結(jié)果表明，聚羧酸減水劑具有優(yōu)異的分散性能,對(duì)凝結(jié)時(shí)間及試塊強(qiáng)度的影響較小.通過(guò)提高聚羧酸減水劑的摻量,可以獲得高的減水率，從而降低了水膏比，提高了石膏制品的強(qiáng)度;對(duì)比摻加不同減水劑的石膏硬化體的晶型結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn),摻聚羧酸減水劑的石膏晶體結(jié)晶性好且分布均勻;提高減水率可以縮短石膏制品達(dá)到絕干的干燥時(shí)間，起到節(jié)能降耗的作用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益.【期刊名稱(chēng)】《新型建筑材料》【年(卷)，期】2013(040)010【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P25-28)【關(guān)鍵詞】脫硫石膏;聚羧酸減水劑;強(qiáng)度;水膏比;節(jié)能降耗【作者】林棟;鄒其;鄧最亮;傅樂(lè)蜂【作者單位】上海建筑外加劑工程技術(shù)研究中心，上海200237;上海三瑞高分子材料有限公司，上海200237;上海建筑外加劑工程技術(shù)研究中心，上海200237;上海三瑞高分子材料有限公司，上海200237;上海建筑外加劑工程技術(shù)研究中心，上海200237;上海三瑞高分子材料有限公司，上海200237;上海建筑外加劑工程技術(shù)研究中心，上海200237;上海三瑞高分子材料有限公司，上海200237;南京瑞固聚合物有限公司，江蘇南京210047【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TU528.042.2石膏作為傳統(tǒng)無(wú)機(jī)膠凝材料之一，應(yīng)用非常廣泛，石膏制品具有質(zhì)輕、隔聲、防火等優(yōu)良的特點(diǎn)，是全世界大力發(fā)展的綠色建筑材料［1］，而工業(yè)副產(chǎn)品——脫硫石膏也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石膏板、石膏砌塊及內(nèi)墻涂料等領(lǐng)域。半水石膏的理論水膏比為18.61%，但實(shí)際使用中，用水量往往達(dá)到65%~80%，這樣不僅降低了石膏制品的強(qiáng)度，而且大大增加了制品在干燥過(guò)程中的能耗。針對(duì)這一問(wèn)題，通常采用的方法就是向石膏中摻入一定量的減水劑，一方面能在保持流動(dòng)度相同的情況下有效降低石膏拌合時(shí)的用水量，另一方面水膏比的降低又能減少干燥過(guò)程中的能耗。木質(zhì)素磺酸鈣是最早的減水劑種類(lèi)，在石膏中有少量的應(yīng)用；萘系減水劑是目前用途最廣泛的減水劑；磺化三聚氰胺系減水劑則主要用于對(duì)白度要求比較高的模具石膏之中；聚羧酸減水劑是新一代減水劑，目前在歐美國(guó)家廣泛應(yīng)用于石膏板中，在國(guó)內(nèi)則少量使用［2］。目前，國(guó)內(nèi)眾多研究用于石膏的減水劑通常是直接使用混凝土減水劑，往往會(huì)出現(xiàn)聚羧酸減水劑對(duì)石膏分散性很差或者嚴(yán)重緩凝等不適應(yīng)性問(wèn)題，其結(jié)論表明，聚羧酸減水劑不適應(yīng)于石膏膠凝體系［3-4］。筆者曾研制出對(duì)石膏具有良好分散性的聚羧酸減水劑，并對(duì)其分散機(jī)理進(jìn)行了深入研究［5-7］，針對(duì)目前石膏減水劑體系發(fā)展的停滯不前，本文選用石膏體系中常用的幾種不同類(lèi)型的減水劑進(jìn)行了減水性能、緩凝性能對(duì)比，并根據(jù)石膏硬化體晶型結(jié)構(gòu)的變化分析了不同減水劑作用的優(yōu)劣。此外，還測(cè)試了不同減水率對(duì)石膏強(qiáng)度的影響，并分析了減水率提高在節(jié)能降耗方面的貢獻(xiàn)。1實(shí)驗(yàn)原材料及方法1.1實(shí)驗(yàn)原材料石膏減水劑：聚羧酸系減水劑PCE，淺紅棕色液體，固含量為40%，上海三瑞高分子材料有限公司生產(chǎn)；木質(zhì)素磺酸鈣M，淺黃色粉體，市售；萘系減水劑NSF，棕色液體，固含量為35%，市售；磺化三聚氰胺系減水劑SM，白色粉體，市售。脫硫石膏粉：粒徑分布1.15-92.09頃，中徑32.11pm,比表面積1718cm2/g。1.2實(shí)驗(yàn)方法1.2.1石膏漿料的流動(dòng)性——減水率依據(jù)6日/丁17669.4—1999《建筑石膏凈漿物理性能的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試減水劑的分散性能。該方法可以測(cè)試添加不同減水劑時(shí)，達(dá)到同一標(biāo)準(zhǔn)稠度（流動(dòng)度）的用水量。取石膏粉質(zhì)量G，未摻加減水劑時(shí)用水量為G0，使用減水劑后用水量為G1,減水劑的減水率=（G0-G1）/G0。文中提及的摻量均是指外加劑固體含量相對(duì)石膏粉的質(zhì)量比。1.2.2石膏凝結(jié)時(shí)間測(cè)試方法依照流動(dòng)度測(cè)試方法，制備石膏漿體。采用厚2.3mm、高18mm的刀片測(cè)試初凝時(shí)間，初凝時(shí)間為刀鋒劃過(guò)石膏漿體，所形成凹槽不再閉合的時(shí)間；利用硬度計(jì)垂直按壓漿體表面，所測(cè)表面硬度為40HA時(shí)，則為終凝時(shí)間。1.2.3石膏抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法按照6日丁17669.3—1999《建筑石膏力學(xué)性能的測(cè)定》方法進(jìn)行測(cè)試。絕干強(qiáng)度的養(yǎng)護(hù)條件：試件成型后在（23±2）C、相對(duì)濕度（50±10）%的環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)1d后，再置于（40±0.1）C的恒溫箱中烘至恒重。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論2.1不同減水劑對(duì)脫硫石膏分散性能的影響不同減水劑由于種類(lèi)及結(jié)構(gòu)等的不同，其分散作用機(jī)理也不盡相同，進(jìn)而宏觀(guān)上表現(xiàn)為流動(dòng)度大小有差異。實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同減水劑在減水率達(dá)到6%、流動(dòng)度一致時(shí)，各減水劑所需摻量的情況，結(jié)果如圖1所示。圖1不同減水劑對(duì)脫硫石膏分散性的影響由圖1可以看出，達(dá)到同一減水率時(shí)，幾種不同類(lèi)型減水劑摻量差異較大，其中磺化三聚氰胺SM所需的摻量最高，表明其對(duì)該種石膏的分散性最差；萘系NSF所需的摻量為0.22%，略低于木質(zhì)素磺酸鈣M，說(shuō)明NSF的分散性要略好于M；而聚羧酸減水劑PCE所需的摻量?jī)H為0.05%。由此可知，在本實(shí)驗(yàn)所用脫硫石膏粉中，達(dá)到同一減水率時(shí)，PCE的摻量遠(yuǎn)低于其它幾種減水劑，表明PCE具有較高的減水率和優(yōu)異的分散性能。2.2不同減水劑對(duì)脫硫石膏凝結(jié)時(shí)間的影響凝結(jié)時(shí)間對(duì)石膏制品強(qiáng)度的影響至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了在減水率為6%時(shí)，摻加不同減水劑的石膏漿體凝結(jié)時(shí)間的變化，得到的結(jié)果如表1所示。表1不同減水劑對(duì)脫硫石膏凝結(jié)時(shí)間的影響減水劑種類(lèi)水膏比初凝時(shí)間/s終凝時(shí)間/s空白0.745303965SM0.7313967NSF0.7300917M0.73651085PCE0.7315996由表1可以看出，摻NSF的脫硫石膏與空白試樣的初凝時(shí)間相當(dāng)，摻SM和PCE兩者的初凝時(shí)間相當(dāng)，比摻NSF的石膏漿體延長(zhǎng)約10s，基本可認(rèn)為與空白試樣差不多，而摻M的初凝時(shí)間最長(zhǎng)，比空白石膏延長(zhǎng)了約1min；終凝時(shí)間方面，摻NSF的最短，比空白石膏提前了約50s，摻SM的與空白石膏相當(dāng)，摻PCE的則相對(duì)于空白石膏略有延長(zhǎng)，摻M的終凝時(shí)間最長(zhǎng)。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，萘系減水劑的摻入不會(huì)對(duì)石膏的初凝時(shí)間產(chǎn)生影響，但能有效縮短石膏的終凝時(shí)間；三聚氰胺的加入對(duì)石膏凝結(jié)時(shí)間的影響較小，基本不會(huì)影響凝結(jié)時(shí)間；聚羧酸減水劑僅會(huì)略微延長(zhǎng)石膏漿體的終凝時(shí)間，表現(xiàn)出較弱的緩凝作用；而木質(zhì)素磺酸鈣則對(duì)石膏的初凝和終凝時(shí)間都有明顯的延長(zhǎng)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的緩凝作用。2.3不同減水劑對(duì)脫硫石膏強(qiáng)度的影響在相同減水率及同等流動(dòng)度情況下，分別測(cè)試了摻不同減水劑的石膏試塊的2h強(qiáng)度及絕干強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表2。表2不同減水劑對(duì)石膏強(qiáng)度的影響減水劑種類(lèi)空白SMNSFMPCE抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa2h2h絕干絕干5.810.62.64.56.517.42.85.96.417.42.84.86.112.42.64.66.717.92.96.4由表2可以看出：（1）摻不同減水劑的石膏在2h時(shí)的抗折強(qiáng)度基本相當(dāng)，與空白石膏相比，2h抗折強(qiáng)度提高不明顯。絕干抗折強(qiáng)度明顯高于2h抗折強(qiáng)度，且摻不同減水劑的絕干抗折強(qiáng)度出現(xiàn)了比較明顯的差別；與空白石膏相比，摻減水劑的絕干抗折強(qiáng)度增加比較明顯，其中又以摻PCE的提高幅度最大，絕干抗折強(qiáng)度提高40%以上。（2）摻減水劑的石膏2h抗壓強(qiáng)度較空白石膏略有提高，最高提高約1MPa。絕干抗壓強(qiáng)度明顯高于2h抗壓強(qiáng)度，其中摻PCE的提高最為明顯，與空白石膏相比，抗壓強(qiáng)度提高約70%，摻SM和NSF的抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)，摻M的抗壓強(qiáng)度最低，略高于空白石膏2MPa左右，這可能是由于其自身具有比較大的引氣作用，在石膏凝結(jié)硬化的過(guò)程中形成了許多有害的氣泡，導(dǎo)致其硬化體強(qiáng)度的降低。2.4不同減水劑對(duì)石膏硬化體微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響分別對(duì)空白及摻NSF、SM、M、PCE的脫硫石膏硬化體斷面進(jìn)行掃描電鏡SEM分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。圖2摻不同減水劑石膏硬化體的SEM照片從圖2可以看出，空白石膏樣品的晶體長(zhǎng)軸尺寸小而短軸尺寸大，即長(zhǎng)徑比較小，晶體粗化明顯，呈團(tuán)簇狀，且其結(jié)構(gòu)差別較大，晶體大小不一，相互之間連接不夠緊密，較為疏松。摻入減水劑后，晶體主要變?yōu)獒槧罨蜷L(zhǎng)柱狀，大小趨于一致，晶體之間的結(jié)晶接觸點(diǎn)增多，尤其是摻入PCE的石膏，晶體排列整齊，成束存在，相互之間連接得最為緊密。通常認(rèn)為，針狀二水石膏和能產(chǎn)生有效交叉搭接的晶體對(duì)提高石膏強(qiáng)度，尤其是提高抗折強(qiáng)度非常重要［8］。從這一點(diǎn)也可以說(shuō)明，摻PCE的石膏強(qiáng)度，尤其是抗折強(qiáng)度最高。2.5水膏比對(duì)石膏強(qiáng)度的影響水膏比是影響孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的主要參數(shù)，減水劑的摻入，一方面能降低水膏比，降低孔隙率，另一方面能夠改善石膏硬化體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)及晶體形貌，進(jìn)而提高石膏硬化體的強(qiáng)度；不同減水劑由于作用機(jī)理不同，對(duì)改善石膏強(qiáng)度的效果及程度也不盡相同。在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從分散性及強(qiáng)度等綜合性能考慮，選出聚羧酸減水劑PCE，進(jìn)一步研究了減水率的提高即水膏比降低對(duì)石膏強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。表3水膏比對(duì)石膏強(qiáng)度的影響水膏比0.630.670.700.745抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa2h2h絕干絕干7.117.83.16.66.917.83.16.46.717.72.96.35.910.72.74.5由表3可知，隨著水膏比的降低，石膏制品的抗壓、抗折強(qiáng)度均有一定幅度的提高。當(dāng)水膏比從0.70降低至0.67時(shí)（減水率由6%增大到10%），石膏制品抗折、抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高；進(jìn)一步降低水膏比，即水膏比由0.70降至0.63時(shí)（減水率由6%增大至15.4%），石膏制品的絕干抗壓強(qiáng)度變化不大，絕干抗折強(qiáng)度略有提高。由此可知，當(dāng)通過(guò)提高減水率將水膏比降低至一定程度后，對(duì)石膏制品的強(qiáng)度增長(zhǎng)意義不大。2.6聚羧酸減水劑在脫硫石膏制品生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)效益分析半水石膏的實(shí)際用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論水膏比，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為了盡快獲得較高強(qiáng)度和提高生產(chǎn)效率，往往會(huì)通過(guò)干燥的方式除去石膏制品中多余的水分，而干燥過(guò)程在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中是能源消耗最多的一個(gè)環(huán)節(jié)。應(yīng)用減水劑不僅能改善石膏漿體的流動(dòng)性，而且還能有效降低水膏比，從而降低能耗和提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)實(shí)踐表明，水膏比每降低0.01，可降低1%~2%的干燥能耗［9］。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單模擬了石膏制品的烘干過(guò)程，即通過(guò)調(diào)整聚羧酸減水劑的用量依次制備了4種石膏漿體，其減水率分別為0、6%、10%和15%，將制得的漿體成型后脫模，并置于(40±0.1)oc的烘箱中，每隔1h測(cè)1次石膏的質(zhì)量，由此得到它們的失水率隨烘干時(shí)間的變化曲線(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3不同減水率下失水率隨烘干時(shí)間的變化由圖3可以看出，隨著烘干時(shí)間的延長(zhǎng)，初期都表現(xiàn)為失水率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，當(dāng)失水率到達(dá)一定程度后就基本不變，即石膏的質(zhì)量不再隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。減水率分別為0、6%、10%、15%的4個(gè)石膏制品達(dá)到恒重的時(shí)間分別為8h、6h、5h、4h,此時(shí)，失水率分別為32.9%、30.0%、28.6%、27.0%。因此，在石膏制品生產(chǎn)過(guò)程中，若減水率越高，用水量越少，則石膏制品烘干到恒重所需要去除的水分越少，且需要的時(shí)間也越短，這必定會(huì)大幅降低石膏制品在烘干過(guò)程中的能耗。3結(jié)論(1)不同類(lèi)型的減水劑在脫硫石膏中表現(xiàn)出的分散能力也各不相同，其中以聚羧酸減水劑PCE的摻量最低，分散性最好，減水率最高。(2)在這幾種減水劑中，萘系NSF的加入對(duì)石膏的初凝時(shí)間基本沒(méi)有影響，但能有效縮短石膏的終凝時(shí)間；磺化三聚氰胺SM對(duì)石膏初凝、終凝時(shí)間基本沒(méi)有影響，聚羧酸減水劑PCE略微有所緩凝，木質(zhì)素磺酸鈣M緩凝最為顯著。在石膏中摻入減水劑后能有效降低其用水量，改善石膏的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)晶體的生長(zhǎng)，能提高石膏制品的抗壓、抗折強(qiáng)度，其中以PCE的摻入對(duì)強(qiáng)度的增加最為明顯。進(jìn)一步提高減水率，石膏制品的強(qiáng)度增加有限，直至趨于恒定。(4)提高聚羧酸減水劑PCE的用量，能有效降低脫硫石膏粉的用水量，進(jìn)而能大幅度提高生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)能耗，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。【相關(guān)文獻(xiàn)】王祁青.石膏基建材與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.翟金東，彭家慧，吳莉，等.建筑石膏夕卜加劑研究進(jìn)展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，22(3)：476-478.孫婧，劉宏波，孫莉，等.紙面石膏板生產(chǎn)中減水劑適應(yīng)性問(wèn)題的研究[J].新型建筑材料，2012(2):5-8.趙建華.三聚氰胺高效減水劑在石膏砌塊生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].新型墻材，2006(7):30-31.鄧最亮，林珩，傅樂(lè)峰，等.可降低脫硫石膏板生產(chǎn)能耗的新型石膏分散減水劑[J].石膏建材，2008(3)：24-27.傅樂(lè)峰，鄧最亮，張毅，等.聚羧酸超塑化劑穩(wěn)定分散石膏漿體的研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2010,13(5)