减水剂对脱硫石膏性能的影响

朱效甲 ，朱倩倩 ，陈永杰 ，朱玉杰 ，朱芸馨

（1.济南市杰美菱镁建材研究所，山东 济南 250031；2.山东源圣钰建材有限公司，山东 泰安 271600）

0 引言

脱硫建筑石膏制品具有质轻、保温、隔热、吸声、防火、可循环利用等优点，是国内外推崇的绿色环保建筑材料[1]。 但是脱硫石膏粉具有较大的比表面积，造成标准稠度需水量大幅提高，导致其水化硬化后的硬化体孔隙率提高，强度降低。 一定程度上限制了脱硫石膏在工程上的推广应用。 通过添加减水剂， 降低脱硫石膏胶凝材料的标准稠度用水量，进而降低制品孔隙率，是提高其强度的有效方法[2]。 自 20 世纪 80 年代起，德国、日本等国家相继研发了一些石膏体系的专用减水剂[3]，而我国对此研究相对滞后， 对石膏减水剂的应用和研发水平相对较低。 目前市场上大多数减水剂是适应于水泥基材料的， 而脱硫石膏与水泥的组成结构、pH 值等方面存在着较大差异，因此，适用于脱硫石膏的减水剂种类需要进行相应的试验研究。

1 试验

1.1 原材料

脱硫石膏：山东茌平热电厂提供。 其化学成分见表 1， 物理性能见表 2，XRD 图谱见图 1，SEM 照片见图2。

由图1 可以看出，本试验所用的脱硫石膏原材料中主要矿物组成是CaSO4·2H2O。

由图2 可以看出，本试验所用的脱硫石膏的微观形貌主要为棒状晶体结构。

表1 脱硫石膏的主要化学成分 %

表2 脱硫石膏的物理力学性能

图1 脱硫石膏的XRD 图

图2 脱硫石膏的SEM 照片

粉煤灰（FA）：山东济南热电厂提供Ⅱ级干排灰，细度为0.08 mm 方孔筛筛余量不大于20%，其化学成分见表3。

萘系减水剂（FDN-X）：山东莱芜双泉建筑材料有限公司提供，棕黄色粉末，减水率25%，主要化学成分为β-萘磺酸钠甲醛缩合物。

聚羧酸高性能减水剂（PC-NF）：山东华迪建筑科技有限公司提供，白色粉末，含水率1.30%，减水率33.2%。

水：自来水。

1.2 测试方法

（1）脱硫石膏标准稠度需水量、凝结时间以及力学强度参照GB/T9776—2008《建筑石膏》进行测试。采用内径为50 mm 高度为100 mm 的圆筒测试浆体稠度，当扩展度为（180±5）mm 时即为标准稠度需水量，从脱硫石膏与水接触开始计时，至钢针第一次碰不到玻璃底板所经历的时间为初凝时间， 至钢针第一次插入浆体的深度不大于1 mm 所经历的时间为终凝时间，力学强度采用40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱体试样，在室内环境中自然养护至规定龄期破型。

表3 粉煤灰的主要化学成分 %

（2）减水率测试参照 GB80762—1997《混凝土外加剂减水率的快速测定方法》进行测试。 相对固定浆体稠度（老标准维卡仪测定），使浆体稠度控制在（40±1）mm，调整减水剂的加量，计算减水率。

（3）软化系数：试件泡水48 h 的强度和自然养护28 d 的强度比值。

2 试验结果与讨论

2.1 减水剂对脱硫石膏标准稠度需水量及减水率的影响

标准稠度需水量是石膏基胶凝材料的一个重要工艺参数， 对后期硬化体的强度有着重要的影响。 减水剂通过静电斥力或空间位阻效应，可有效释放包裹在石膏颗粒间的自由水，从而减小脱硫石膏的标准稠度需水量。为了明确减水剂的种类和掺量， 测试了萘系FDN-X 减水剂与聚羧酸系 （PCNF） 减水剂对脱硫石膏标准稠度需水量和减水率的影响，结果见图3，4。

由图 3，4 可以看出，随着 FDN-X、PC-NF 减水剂掺量的增加，脱硫石膏的标准稠度需水量呈下降趋势，减水率则相应提高。当FDN-X 掺量为1.20%时， 标准稠度需水量由空白试件的54%下降至40%，减水率为25.93%。 当PC-NF 减水剂掺量为0.60%时，标准稠度需水量由空白试件的54%下降至33%，减水率高达38.89%。 由此可以看出，PCNF 减水剂的减水效果优于FDN-X 减水剂。PC-NF减水剂低掺量就能达到较理想的减水效果，对脱硫石膏有较好的适应性。

图3 FDN-X 掺量对脱硫石膏标准稠度需水量和减水率的影响

图4 PC-NF 减水剂对脱硫石膏标准稠度需水量和减水率的影响

2.2 减水剂对脱硫石膏浆体流动度 （扩展直径）的影响

料浆流动度是脱硫石膏浆体施工性能和施工质量的一个重要体现。 一般要求在尽可能减少用水量的前提下提高浆体的流动性， 对石膏基胶凝材料硬化体的致密性、 体积稳定性及力学强度大有益处。 考察了FDN-X、PC-NF 两种减水剂对脱硫石膏工作性能的影响，结果如图5，6 所示。

图5 FDN-X 对脱硫石膏浆体流动度（扩展直径）的影响

图6 PC-NF 对脱硫石膏浆体流动度（扩展直径）的影响

减水剂的减水原理是通过减水剂静电斥力或空间位阻效应，有效释放浆体中石膏颗粒包裹的自由水，达到减水增强的作用。 也就是说若固定石膏胶凝材料的浆体稠度，增加减水剂的用量，会使浆体用水量减少；若固定浆体用水量，增加减水剂的用量，则随减水剂掺量增加，浆体稠度会逐渐变稀，流动性增加。

由 图 5，6 可 以 看 出 ，FDN-X 减 水 剂 掺 量 为1.50%时，石膏浆体扩展直径由空白试样的95 mm增加至230 mm，增幅为142.10%，PC-NF 减水剂掺量为0.75%时， 石膏浆体扩展直径由空白试样的95 mm 扩大至320 mm，增幅为236.84%，说明PCNF 减水剂对脱硫石膏工作性能优于FDN-X 减水剂。 PC-NF 减水剂在低掺量时就会获得较好的工作性能。

2.3 减水剂对脱硫石膏凝结时间的影响

凝结时间是脱硫石膏胶凝材料工作性能优劣的重要工艺参数之一。 脱硫石膏的水化活性较高，水化进程较快，凝结时间迅速，为保证有足够的施工时间，有时还需要添加适量相适应的缓凝剂来改善脱硫石膏的工作性能。合适的减水剂对脱硫石膏的工作性能起到关键作用。 考察了FDN-X 和PCNF 两种减水剂对脱硫石膏凝结时间的影响， 结果见图 7，8。

图7 FDN-X 减水剂对脱硫石膏凝结时间的影响

图8 PC-NF 减水剂对脱硫石膏凝结时间的影响

由图7 可以看出，随着FDN-X 减水剂掺量的增加，脱硫石膏浆体的初凝时间、终凝时间皆逐渐缩短，且掺量越大，这种作用效果越明显。 当掺量为石膏质量的1.20%时，初凝时间和终凝时间分别比空白试件缩短70.59%和58.33%，浆体工作性能明显劣化。 分析原因是FDN-X 减水剂中含有一定量的碱金属离子，能够加快脱硫石膏的水化进程，宏观上表现为凝结时间缩短，对浆体工作性能造成很大的负面影响。

由图8 可以看出， 脱硫石膏中掺加PC-NF 减水剂后， 凝结时间随其掺量的增加呈逐渐延长趋势。 当PC-NF 掺量为0.6%时，初凝时间和终凝时间分别为73 min 和133 min， 相比空白试件的初、终凝时间分别延长了329.41%和454.17%，浆体工作性能得到了明显改善。 说明PC-NF 减水剂具有延长脱硫石膏凝结时间的作用，其原因是聚羧酸减水剂具有空间位阻效应，能够延长石膏浆体的水化诱导期，延缓石膏的水化进程，从而起到了缓凝的作用。

2.4 减水剂对脱硫石膏力学强度的影响

脱硫石膏水化后形成二水石膏，二水石膏结晶体互相交叉连生，形成网络结构，是石膏浆体硬化并具有强度的基础。 硬化体的强度由二水石膏结晶体的数量、大小、单个接触点的强度及单位体积内接触点的多少决定[4]。 脱硫石膏比表面积大，浆体标准稠度需水量也大， 即使将水粉比降到40%以下，仍然大大多于理论水化需水量（18.6%）[5]，多余的水蒸发后又在硬化体内形成大量的孔隙，既影响脱硫石膏胶凝材料的力学强度，又影响硬化体的结构和晶体发育。 研究了FDN-X 和PC-NF 两种减水剂对脱硫石膏力学强度的影响， 结果见图9，10。

图9 FDN-X 减水剂对脱硫石膏力学强度的影响

图9 可以看出，随着FDN-X 减水剂掺量的增加，脱硫石膏各养护龄期的抗折强度、抗压强度皆呈上升趋势。 掺量在0%～0.60%时，试件抗压强度上升幅度较缓，掺量超过0.60%后，抗压强度上升幅度较大， 当掺量为脱硫石膏质量的1.20%时，试件养护28 d 的抗折强度为6.91 MPa， 比空白试件4.36 MPa 提高 58.94%，抗压强度为 27.51 MPa，较空白试件14.19 MPa 提高93.87%。

由图10 可以看出，试验范围内，随着PC-NF掺量的增加，试件各养护龄期的抗折、抗压强度皆随之提高。 当掺量为0.60%时，试件养护28 d 的抗折强度由空白试样的4.36 MPa 提高至7.41 MPa，提幅为69.95%，抗压强度由空白试样的14.19 MPa提高到28.01 MPa，提幅为97.39%。

图10 PC-NF 减水剂对脱硫石膏力学强度的影响

总之，上述两种减水剂都能大幅度提高脱硫石膏的力学强度，但FDN-X 减水剂掺量相比PC-NF减水剂大得多，同等掺量下，FDN-X 减水剂的作用效果不及PC-NF 减水剂。

2.5 减水剂对脱硫石膏耐水性能的影响

减水剂对脱硫石膏耐水性能的影响结果分别见表 4，5。

表4 FDN-X 减水剂对脱硫石膏耐水性能的影响

表5 PC-NF 减水剂对脱硫石膏耐水性能的影响

由表4、5 可以看出， 随着减水剂掺量的增加，各试件的抗折、抗压软化系数逐渐提高。当FDN-X掺量为1.20%时，抗折软化系数由空白试件的0.73提高至0.95，提幅为30.13%，抗压软化系数由空白试件的0.62 提高至0.92，提幅为48.39%，质量吸水率由空白试件的16.22%降至7.43%， 降幅为54.19%。 PC-NF 掺量为0.60%时，抗折软化系数由空白试件的0.73 提高至0.97， 提幅为32.88%，抗压软化系数由空白试件的0.62 提高至0.94， 提幅为51.61%，质量吸水率由空白试件的16.22%降至5.21%，降幅为67.88%。 说明减水剂掺入脱硫石膏浆体中减少了用水量， 提高了硬化体的密实度，降低了吸水率，减少了水对硬化体的溶蚀，从而提高了脱硫石膏胶凝材料的耐水性。

3 结论

（1）FDN-X 和 PC-NF 两种减水剂都能有效降低脱硫石膏的标准稠度需水量。 掺量为0.60%时，FDN-X 试件标准稠度需水量为44%， 减水率为18.52%。PC-NF 试件标准稠度需水量为33%，减水率38.89%。

（2）减水剂掺量为0.60%时，FDN-X 试件浆体扩展直径为205 mm，PC-NF 试件浆体扩展直径为320 mm。PC-NF 减水剂明显优于FDN-X 减水剂。

（3）FDN-X 减水剂能够缩短脱硫石膏的凝结时间，对其工作性能不利，PC-NF 减水剂能够延长脱硫石膏的初、终凝时间，对脱硫石膏的工作性能非常有益。

（4）FDN-X 和 PC-NF 两种减水剂都能不同程度提高脱硫石膏的力学强度。 掺量为0.60%时，FDN-X 试件抗折强度提高31.65%，抗压强度提高26.49%，PC-NF 试件抗折强度提高69.95%， 抗压强度提高97.39%。

（5）FDN-X 和 PC-NF 两种减水剂都能不同程度地提高脱硫石膏的耐水性。 掺量为0.60%时，FDN-X 试件抗折软化系数提高15.07%， 抗压软化系数提高29.03%，质量吸水率下降43.95%，PC-NF试件抗折软化系数提高32.88%， 抗压软化系数提高54.84%，质量吸水率下降67.88%。