梁云飛,梅書霞,李帆
(1.武漢理工大學 材料科學與工程學院,湖北 武漢 430070;2.北新集團建材股份有限公司,北京 100096)
紙面石膏板是將石膏料漿連續(xù)澆注在2層護面紙之間,再經(jīng)過成型、切斷、干燥而成的一種建筑板材[1]。石膏料漿的流動性和凝結時間是影響石膏板成型的重要因素,受原料品質(zhì)、煅燒工藝、粒徑分布、各種外加劑及制備工藝等的影響[2]?,F(xiàn)代化石膏板工廠的生產(chǎn)速率高達180 m/min[3],為滿足生產(chǎn)需求,需要更高效的促凝劑。
目前,紙面石膏板生產(chǎn)的促凝劑主要有生石膏與硫酸鉀2種。硫酸鉀的作用是通過提高料漿中硫酸根離子的濃度,使其更易達到硫酸鈣析出的過飽和度,從而增加水化速度,縮短料漿凝結時間[4-6],但鉀離子的含量高,會增大石膏板的吸濕性,損害護面紙與石膏芯的粘接性能[7],也會降低紙面石膏板的強度[8]。采用生石膏作為促凝劑不會在體系中引入其他雜質(zhì),也不會影響紙面石膏板的粘接性能。當前,紙面石膏板生產(chǎn)具有高速化、連續(xù)化、智能化的特點,促凝劑是實現(xiàn)高速連續(xù)生產(chǎn)的必需外加劑。生石膏摻量與比表面積是實際生產(chǎn)中尤為重要的基本參數(shù)。本研究以料漿流動性及凝結時間為指標,探討生石膏摻量及比表面積對熟石膏性能的影響。
熟石膏:某石膏板廠生產(chǎn),其主要化學成分如表1所示。
表1 熟石膏的主要化學成分 %
生石膏:采用石膏板經(jīng)破碎、篩除護面紙后的石膏顆粒,通過球磨機粉磨后獲得,在石膏板生產(chǎn)中可作為促凝劑使用。比表面積為0.5~2.5 m2/g。
參照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏 凈漿物理性能》、GB/T 17669.3—1999《建筑石膏 力學性能的測定》測試石膏料漿的凝結時間、流動度及強度。采用Quanta 250 FEG(INCA XMAX50)型環(huán)境掃描電鏡(能譜儀)觀測石膏顆粒的表面形貌。參照GB/T 19587—2004《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》測試促凝劑的比表面積,所用設備為康塔Autosorb Station 4比表面積及孔徑分布分析儀。采用TAM Air8的八通道微量熱儀測試石膏的水化放熱。使用QXQM-2全方位行星球磨機制備不同比表面積的生石膏。
實驗固定環(huán)境溫度23℃、相對濕度50%、水膏比為0.65。
生石膏作為促凝劑,影響料漿流動度、凝結時間、強度等,生石膏摻量(按占熟石膏質(zhì)量計)對料漿性能的影響見表2,其中生石膏比表面積為0.5953 m2/g。
表2 生石膏摻量對料漿性能的影響
由表2可以看出:
(1)隨著生石膏摻量的增加,料漿的凝結時間明顯縮短,流動度顯著減小。當生石膏摻量為0.5%時,與未摻生石膏的空白樣相比,流動度減小了10.5%,凝結時間縮短了70%以上;但隨著生石膏摻量進一步增加,促凝效果提高率顯著降低。
(2)隨著生石膏摻量的增加,硬化體密度與強度均呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢。當生石膏摻量為0.5%時,與空白樣相比,硬化體的強度提高了30%以上,密度變化不大;當生石膏摻量為1.5%時,硬化體強度較0.5%摻量時的顯著降低。
圖1為水化30 d石膏硬化體的SEM照片。
圖1 水化30 d石膏硬化體的SEM照片
由圖1可見,不摻生石膏時,石膏料漿的凝結時間長,晶體充足生長,多為長而厚的針狀,晶體間縱橫交錯,相互搭接,但晶體間孔隙較大,因此硬化體的密度和強度較低。當摻加0.5%~1.5%生石膏時,生石膏為半水石膏水化提供二水石膏晶種[4],加速石膏料漿凝結,故晶體生長不充分,多為短小、細長的針狀,但晶體間搭接緊密,提高了硬化體的密度和強度[4]。當生石膏摻量較高(1.5%)時,水化形成的片狀二水石膏晶體較多,晶體間搭接減少,硬化體的抗折與抗壓強度降低;另一方面,生石膏作為膠凝體系中的無效成分,摻量過高也會影響硬化漿體的力學性能。
綜上可知,隨著生石膏摻量的增加,料漿流動度降低,凝結時間縮短;硬化體密度和強度先提高后降低。當生石膏摻量適宜時,生石膏將晶種作用最大化,此時形成的二水石膏晶體呈細小針狀,晶體間搭接緊密,石膏硬化體強度最高。
不同比表面積生石膏的SEM照片見圖2。生石膏摻量為0.5%時,生石膏比表面積對料漿性能的影響見表3。
表3 生石膏比表面積對料漿性能的影響
圖2 不同比表面積生石膏的SEM照片(×20 000)
由圖2可以看出,比表面積為0.5953 m2/g的生石膏A顆粒較大,大部分粒徑為2~6μm,顆粒表面附著少量的微小顆粒;比表面積為1.1073 m2/g的生石膏B與比表面積為2.4004 m2/g生石膏C顆粒較小,大部分粒徑為0.2~1.0μm,相互堆積、團簇,零散存在少量大顆粒。生石膏中只有這些微小的顆粒才能發(fā)揮晶種作用[9]。
由表3可以看出,隨著生石膏比表面積的增大,料漿的流動度減小,凝結時間縮短,但促凝效果提高率顯著降低。生石膏比表面積為1.1073 m2/g時,料漿流動度降低了10.53%,凝結時間縮短了約80%,與比表面積為0.5953 m2/g的相比,料漿凝結時間僅縮短了10%,與比表面積為2.4004 m2/g的相比,料漿凝結時間僅差3%。
比表面積對石膏水化放熱速率的影響如圖3所示。
圖3 比表面積對石膏水化放熱速率的影響
由圖3可見,摻入生石膏后,熟石膏的水化誘導期縮短,水化放熱速率峰值位置前移。其中,當摻入生石膏A時,達到石膏水化放熱速率峰值的時間由24 min縮短至21.7 min;當摻入生石膏B、C時,達到峰值的時間分別縮短至20.4、19.3 min;當生石膏比表面積過大時(生石膏C),促凝效果提高率顯著降低,這與表3中凝結時間變化規(guī)律一致。一方面,生石膏顆粒越小,越易團聚,不易分散,如圖2(c)所示,部分生石膏起不到晶種效果;另一方面,生石膏比表面積越大,與空氣接觸面越大,小顆粒越易被濕潤、溶解,降低或失去晶種作用[9]。生石膏B的比表面積最佳,既能高效地發(fā)揮促凝作用,滿足紙面石膏板連續(xù)高速的生產(chǎn)需求,又能避免促凝劑粉磨電耗過高而造成浪費。
(1)當生石膏比表面積為0.5953 m2/g時,隨著生石膏摻量的增加,料漿的凝結時間明顯縮短,流動度顯著減小。當生石膏摻量為0.5%時,凝結時間縮短了70%以上,此摻量促凝效率最高。
(2)隨著生石膏摻量的增加,硬化體密度與強度均先提高后降低。當生石膏摻量為0.5%時,與空白樣相比,硬化體抗壓、抗折強度提高了30%以上,密度變化不大。
(3)隨生石膏比表面積的增大,料漿流動度降低,凝結時間縮短,但促凝效果提高率顯著降低。生石膏比表面積為1.1073 m2/g時,凝結時間縮短了約80%,促凝效果最好。
(4)當生石膏比表面積為1.1073 m2/g、摻量0.5%時,能高效地發(fā)揮促凝作用,既能滿足高速生產(chǎn)要求,又避免因促凝劑過度粉磨而增加電耗,同時保證產(chǎn)品質(zhì)量。