蛋白类缓凝剂对建筑石膏的适应性

黄 滔， 彭小芹， 王淑萍， 邱 峰

(1.重庆大学 材料科学与工程学院， 重庆 400045； 2.四川省建材工业科学研究院， 四川 成都 610081)

随着经济的发展，中国工业副产品——石膏的排放量呈现逐年递增趋势，其中占比最大的为磷石膏和脱硫石膏.根据中国建材联合会石膏建材分会的统计，中国2013年石膏排放量约为1.84×1012t，其中磷石膏约为7.00×107t，脱硫石膏约为7.55×107t，而且石膏当年综合利用率仅为48.1%[1].截止“十三五”规划末期，中国磷石膏的年排放量仍预计为8.0×107～8.5×107t[2].石膏的堆存对地下水及周边环境等存在潜在的巨大隐患.因此，拓展石膏的利用途径是提高其综合利用率的必由之路.

机械喷涂轻质抹灰石膏是2010年中国华东地区出现的新产品，具有施工效率高、不空鼓、不开裂等优点，已由沿海逐渐发展到内地.2015年中国抹灰石膏的销量达到2.56×106t.由于抹灰石膏的凝结时间短，为满足施工要求，抹灰石膏中往往掺有缓凝剂.建筑石膏常用的缓凝剂主要有无机盐和蛋白类两大类[3-8]，其中蛋白类缓凝剂具有掺量小、缓凝效果好、晶体形貌影响小及强度损失小等优点[9-10].作为胶凝材料的建筑石膏由于各地资源不同，呈现出不同类型.笔者前期进行的缓凝剂对比研究发现，同一蛋白类缓凝剂并不完全适用于所有建筑石膏，因此有必要研究不同类型建筑石膏对蛋白类缓凝剂缓凝效果的影响，以期为蛋白类缓凝剂生产企业和石膏砂浆生产企业提供一定的指导。

1 试验

1.1 原材料

建筑石膏采用脱硫建筑石膏(FGD)和磷建筑石膏(PG)，其基本情况和化学组成分别见表1，2.4种蛋白类缓凝剂RJ-1，RJ-2，RC-1和RC-2均为市售，其中前2种为进口缓凝剂，后2种为国产缓凝剂.分析纯Ca(H2PO4)2·H2O(SSP)为市售.

表1 建筑石膏的基本情况

表2 建筑石膏的化学组成

Note:P2O5in table 2 is water soluble.

1.2 试验方法

按照GB/T 17669.1—1999《建筑石膏一般试验条件》中要求的(20±2) ℃，相对湿度为(65±5)%条件进行测试.按照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏净浆物理性能的测定》和GB/T 5484—2012《石膏化学分析方法》对建筑石膏的凝结时间和pH值进行测试.采用岛津IRAffinity-1傅里叶变换红外光谱仪对建筑石膏进行红外(IR)测试.

2 结果与讨论

2.1 缓凝剂的结构特征

图1为4种缓凝剂的红外光谱图.由图1可见，4种蛋白类缓凝剂具有相似的分子结构，主要官能团为酰胺键和羧基，其主要区别为酰胺键的峰位不同，且酰胺Ⅰ带与酰胺Ⅱ带是否有重叠峰.

图1 缓凝剂的红外光谱图Fig.1 IR sprecta of the retarders

2.2 缓凝剂对建筑石膏凝结时间的影响

图3为不同掺量(以建筑石膏质量计)的RJ-1和RC-1对GY1505，HD1506和ZB1507凝结时间(t)的影响.由图3可见：随着RJ-1和RC-1掺量的增加，建筑石膏的凝结时间均有所增加；掺入0.12%RJ-1后，ZB1507的初、终凝时间分别增大约67倍和50倍，而GY1505和HD1506的初、终凝时间最大仅增大约6倍；掺入0.12%RC-1后，GY1505的初、终凝时间分别增大约133倍和110倍，HD1506的初、终凝时间分别增大约88倍和112倍，而ZB1507的初、终凝时间最大仅增大约28倍.

图2 酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带的多峰拟合光谱图Fig.2 Multimodal fitting IR sprecta of amide Ⅰ and amide Ⅱ

图3 RJ-1和RC-1掺量对建筑石膏凝结时间的影响Fig.3 Influence of RJ-1 and RC-1 content on the setting time of calcined gypsum

以缓凝度Rm来表征缓凝剂的缓凝效果，其计算方法见式(1)：

Rm=(tr-m-t0-m)/t0-m

(1)

式中：tr-m为掺入缓凝剂后建筑石膏的凝结时间；t0-m为净建筑石膏的凝结时间；其中m为建筑石膏凝结时间的类型，m为i表示初凝，m为f表示终凝.

图4为4种蛋白类缓凝剂掺量分别为0.05%时，GY1601和ZB1609的凝结时间.由图4可以发现，4种蛋白类缓凝剂在不同类型建筑石膏中的凝结时间发生了变化.由图4得到缓凝度的计算数据，见表3.由表3可见，在不同类型建筑石膏中，4种蛋白类缓凝剂各自的缓凝度并不一致.由表3还可见，具有仲酰胺的RC-2，RJ-1和RJ-2在脱硫建筑石膏中的缓凝度大于它们在磷建筑石膏中的缓凝度，但具有伯酰胺的RC-1在脱硫建筑石膏的缓凝度小于其在磷建筑石膏中的缓凝度.说明蛋白类缓凝剂的缓凝度受到建筑石膏类型的影响.

图4 缓凝剂掺量为0.05%时建筑石膏的凝结时间Fig.4 Setting time of calcined gypsum when w(retarder) is 0.05%

Type ofretarderGY1601ZB1609RiRfRiRfRC-21.691.386.504.76RJ-12.691.8610.6310.60RJ-23.692.7642.1329.00RC-17.465.384.503.32

2.3 建筑石膏pH值和对缓凝剂缓凝度的影响

当RC-1掺量为0.05%时，磷建筑石膏pH值对其凝结时间的影响见表4.由表4可见：当磷建筑石膏的pH值为6.55，接近7时，RC-1的缓凝时间最短；磷建筑石膏pH值不同，RC-1的缓凝时间也有所不同.这说明对某种具体的蛋白类缓凝剂来说，其缓凝效果受磷建筑石膏pH值的影响.

图5为缓凝剂掺量为0.05%时磷建筑石膏GY1601 pH值对其凝结时间的影响.由此计算出的缓凝度见表5.由表5可以发现：4种蛋白类缓凝剂的缓凝度均随磷建筑石膏pH值的增加而增大；具有不同类型酰胺键的蛋白类缓凝剂的缓凝效果不受磷建筑石膏pH值的影响.

表4 RC-1掺量为0.05%时磷建筑石膏pH值对其凝结时间的影响

图5 缓凝剂掺量为0.05%时GY1601 pH值对其凝结时间的影响Fig.5 Influence of pH value on the setting time of GY1601 when w(retarder) is 0.05%

Type ofretarderpH=6.55pH=7.71pH=10.20RiRfRiRfRiRfRC-21.691.3845.4637.7683.1573.29RJ-12.691.8652.2347.19103.4689.38RJ-23.692.76100.85101.10133.77120.05RC-17.465.38102.23102.33135.15117.57

图6 缓凝剂掺量为0.05%时掺入SSP对ZB1609凝结度的影响Fig.6 Influence of SSP on the retarding degree of ZB1609 when w(retarder) is 0.05%

图7 缓凝剂对DCP红外光谱的影响Fig.7 Influence of retarders on the IR spectrum of DCP

3 结论

(1)蛋白类缓凝剂可与钙离子生成螯合物，延缓建筑石膏的凝结时间，同时仲酰胺与钙离子生成的螯合物缓凝效果优于伯酰胺与钙离子生成的螯合物.

(2)具有不同酰胺键类型的蛋白类缓凝剂，其缓凝度受到建筑石膏类型的影响，且随建筑石膏pH值的增加而增大.

(4)脱硫建筑石膏宜选用酰胺基团主要为仲酰胺的蛋白类缓凝剂，磷建筑石膏宜选用酰胺基团主要为伯酰胺的蛋白类缓凝剂.