(鎮(zhèn)江建科建設(shè)科技有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212100)
隨著石膏基材料在我國的建筑生產(chǎn)中的大量應(yīng)用,建筑石膏原料凝結(jié)時間過快的問題突顯出來,一般脫硫石膏的凝結(jié)時間在 3~10min 以內(nèi),無法滿足現(xiàn)場施工的要求。同時,現(xiàn)場施工對石膏的保水性、觸變性等有著不同的要求,因此,各種建筑化學(xué)外加劑的使用,對材料本身應(yīng)用的優(yōu)化有著不可替代的作用。
常用的建筑化學(xué)外加劑一般有緩凝劑、增稠劑、觸變潤滑劑、減水劑這四種。除緩凝劑外,其余三種主要是通過改變石膏體系的用水量來提高其施工性,對石膏的強(qiáng)度影響較小,而緩凝劑對石膏的凝結(jié)時間和力學(xué)性能影響極大,因此,本文選擇不同種類的緩凝劑,通過摻量試驗(yàn),來研究其應(yīng)用方式和緩凝機(jī)理。
本文所用的脫硫建筑石膏為前期試驗(yàn)所得最佳值,即在煅燒溫度為 180℃、煅燒時間為 3h、陳化時間為10d 情況下,制備而成的脫硫建筑石膏。
樣品的基本性能指標(biāo)見表 1,滿足國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9776—2008《建筑石膏》中 3.0 的要求。
表1 樣品的基本力學(xué)性能指標(biāo)
根據(jù)市場調(diào)研,現(xiàn)階段緩凝劑的品種較多,主要包含:蛋白類、酒石酸及其鹽類、糖類、有機(jī)膦類等,本研究選擇其中較為常見且性價比較高的檸檬酸(CA)、SG-12、葡萄糖酸鈉和六偏磷酸鈉(SHMP)這四種常用的石膏緩凝劑,其性狀如表 2 所示。
表2 緩凝劑性狀
為了研究緩凝劑對脫硫建筑石膏性能的影響,選取每種緩凝劑的摻量分別為石膏樣品重量的 0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%,測定緩凝劑種類及摻量對脫硫建筑石膏凝結(jié)時間、力學(xué)性能及微觀形貌的影響,從而確定最佳的緩凝劑種類和用量。
摻雜不同緩凝劑后的樣品初終凝時間見表 3 和圖1。由圖表可知,隨著緩凝劑用量的增加,四種緩凝劑對樣品的緩凝效果均呈現(xiàn)增加的趨勢,其中,SG-12 對樣品的緩凝效果最佳,CA 略差,二者的緩凝效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于葡鈉和 SHMP。緩凝效果順序?yàn)椋篠G-12>CA>SHMP>葡鈉。
由圖 1 可以看出,CA 和 SG-12 在小摻量情況下,即 0.05%~0.1%,就能產(chǎn)生很強(qiáng)的緩凝效果,而葡鈉和SHMP 直到 0.25% 摻量時,尚未達(dá)到一個良好的緩凝效果。
緩凝劑的加入延長了樣品的初、終凝時間,但是也會對樣品的力學(xué)性能帶來負(fù)面影響,因此,需要平衡樣品的初、終凝時間和力學(xué)性能,使得可操作時間和強(qiáng)度均能滿足標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場施工要求。按照試驗(yàn)?zāi)康淖隽丝拐劭箟涸囼?yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表 4 和圖 2 所示。
表3 不同緩凝劑對初凝時間的影響
圖1 不同緩凝劑對樣品初、終凝時間的影響
由表 4 和圖 2 可知,隨著緩凝劑用量的增加,四個樣品的抗折抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢。其中,SG-12的強(qiáng)度損失最低,CA 和葡鈉次之,強(qiáng)度損失最大的是SHMP。
因此,綜合來看,蛋白類的 SG-12 力學(xué)性能損失最少,緩凝效果最佳,是一種適宜的高性能石膏緩凝劑。
根據(jù)表 4 作力學(xué)性能損失率圖,見圖 3。
表4 不同緩凝劑對樣品強(qiáng)度的影響
圖2 不同緩凝劑對樣品力學(xué)性能的影響
一般來說,緩凝劑的摻量和強(qiáng)度損失率并非呈現(xiàn)正比關(guān)系,而是存在一個臨界值。當(dāng)該種緩凝劑的摻量達(dá)到一定數(shù)值時,其強(qiáng)度損失率快速增長。由表 4 可以看出,對于抗折強(qiáng)度,當(dāng) SHMP 和葡鈉的摻量達(dá)到 0.05%時,石膏的強(qiáng)度損失就已經(jīng)達(dá)到 15.58% 和 10.65%,當(dāng)摻量達(dá)到 0.25% 時,其強(qiáng)度損失已經(jīng)高達(dá) 55.32% 和52.47%;其余兩組緩凝劑,在低摻量時,強(qiáng)度損失和SHMP 相差不大,隨著摻量的增加,其強(qiáng)度損失增長率相對 SHMP 和葡鈉較小。這說明對于抗折強(qiáng)度,糖類的葡萄糖酸鈉和無機(jī)鹽類的六偏磷酸鈉對其影響較大。對于抗壓強(qiáng)度,除蛋白類的 SG-12,其余三種緩凝劑在摻量超過 0.05% 之后,其強(qiáng)度損失增長率都極高,在0.25% 摻量時,分別達(dá)到 46.57%(CA)、50.87%(葡鈉)以及 53.16%(SHMP),而同摻量下的 SG-12,其強(qiáng)度損失只有 17.40%。
圖3 不同緩凝劑作用下樣品力學(xué)性能損失率
2.5.1 SEM 晶型分析
通過 SEM 對晶型的檢測,得出了不同緩凝劑下不同含量下的石膏 SEM 晶型組圖,經(jīng)過對多張 SEM 晶型圖的分析發(fā)現(xiàn) 10μm 下的石膏晶型圖變化差異最直觀可見最易分析,因此本次試驗(yàn)選取 10μm 級下的 SEM圖。按照兩種分析方法對不同緩凝劑下不同含量下的石膏 SEM 晶型圖進(jìn)行分析比較,最終得出相應(yīng)結(jié)論。兩種分析方法如下:
(1)對同種緩凝劑不同摻量下的石膏 SEM 晶型圖進(jìn)行分析對比。本次對比方法分別按加入不同摻量(0%、0.05%、0.15%、0.25%)的 CA、SG-12、葡鈉和 SHMP,做出 4 組對比組圖,見圖 4~7。
圖4 不同摻量 CA 緩凝劑石膏樣本的 SEM 圖
圖5 不同摻量 SG-12 緩凝劑石膏樣本的 SEM 圖
圖6 不同摻量葡鈉緩凝劑石膏樣本的 SEM 圖
圖7 不同摻量 SHMP 緩凝劑石膏樣本的 SEM 圖
由圖 4~7 晶型對比圖可以看出,未加入緩凝劑的石膏樣本晶型多為針狀且細(xì)長,少量為板狀,晶體之間橋連緊密,總體呈現(xiàn)出晶體連接緊密形狀細(xì)長的狀態(tài)。加入四種緩凝劑后的石膏樣本晶型多為短小體態(tài),同時隨著加入緩凝劑含量的增多,晶體產(chǎn)生粗化和連接松散現(xiàn)象,且粗化程度、連接松散程度和加入緩凝劑含量多少成正比關(guān)系,總體呈現(xiàn)出晶體短小粗化且晶體之間連接稀疏松散、間隙較大的狀態(tài)。將此 SEM 對比的結(jié)果和之前的四種緩凝劑強(qiáng)度試驗(yàn)測試結(jié)果做比較,進(jìn)一步驗(yàn)證了之前強(qiáng)度測試得出的隨緩凝劑含量的增加石膏強(qiáng)度不斷降低結(jié)論具有可靠性。
(2)對四種不同緩凝劑在 0.05%、0.15%、0.25%摻量下石膏的 SEM 晶型圖進(jìn)行分析對比。
通過對圖 4~7 b)、c)、d) 組的分析,可以發(fā)現(xiàn)摻入SG-12 緩凝劑的晶型圖在 0.05%、0.15%、0.25% 摻量下的晶體之間間隙最小、橋連點(diǎn)最多,晶體較未添加緩凝劑晶體樣本形狀的變形程度最小、緊密度最高。同時通過圖可見在 0.05%、0.15% 的摻量下 SG-12 石膏晶體的緊密程度較其他摻量相對較高,晶體之間的連接點(diǎn)較多,晶體之間的空隙較小。綜合之前試驗(yàn)和生產(chǎn)需要綜合考慮,選擇摻量 0.15% 的 SG-12 添加劑作為最佳緩凝劑具有可靠性。
通過本文的試驗(yàn)分析得出:
(1)蛋白類的 SG-12 緩凝劑對石膏緩凝時間的影響最顯著,四種緩凝劑的緩凝效果順序?yàn)椋篠G-12>CA>SHMP>葡鈉。
(2)隨著緩凝劑用量的增加,四種緩凝劑的抗折抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降的趨勢。其中,對抗折強(qiáng)度來說,SG-12 的強(qiáng)度損失最低,CA 和葡鈉次之,強(qiáng)度損失最大的是 SHMP;對抗壓強(qiáng)度來說,SG-12 的強(qiáng)度損失也是最低,CA 和葡鈉次之,強(qiáng)度損失最大的是 SHMP。因此,綜合來看,蛋白類的 SG-12 力學(xué)性能損失最小。
(3)綜合以上試驗(yàn)結(jié)論再配合SEM斷面分析,得出摻量在 0.15% 的 SG-12 緩凝劑為最佳緩凝劑選擇。
(4)在工廠的實(shí)際生產(chǎn)過程中,可以參考本文所得最優(yōu)緩凝劑和緩凝劑的最佳摻量進(jìn)行添加,以達(dá)到最優(yōu)的生產(chǎn)效果。