广元地区石膏矿分析及制备建筑石膏的性能评价

李英丁，唐凯靖（.广东龙湖科技股份有限公司绵阳技术中心， 四川 绵阳 6000；.绵阳职业技术学院， 四川绵阳 6000）

天然石膏在我国分布广泛，主要石膏产地有山东、山西、湖北、四川、宁夏、甘肃等省区。天然石膏包括二水石膏 (CaSO4·2H2O)和硬石膏(CaSO4)，主要是盐湖中化学沉积作用的产物，常与石盐、钾盐及光卤石共生，且两种石膏也常伴生产出，可互相转化[1]。硬石膏因其活性较低，无法直接作为胶凝材料使用，可以通过外加剂进行激发生产石膏制品[2]，也可作为膨胀组分用于混凝土或砂浆中[3]。生产石膏胶凝材料的最主要原料是天然二水石膏，二水石膏在不同条件下脱水可获得不同的变体。我国主要采用回转窑和炒锅生产建筑石膏[4]。

二水石膏含量是判断石膏矿品位的重要技术参数，对石膏矿成分进行分析是判断石膏矿品位的主要手段。四川省广元市石膏矿品位不高，要加以利用必须充分了解矿场各部位石膏矿的主要成分。同一矿场的石膏矿生产的建筑石膏质量存在一定的波动，对建筑石膏各项性能的测试可以揭示建筑石膏性能产生差异的原因，并为建筑石膏的生产提供技术依据。

1 广元石膏矿分析

广元石膏矿位于四川省广元市利州区大石镇，各部位石膏矿颜色和形态有明显的差异，可以比较容易区分二水石膏矿和硬石膏矿，但二水石膏通常与硬石膏一起伴生，因此需要针对二水石膏矿进行系统分析，了解各部位石膏矿结晶水含量和矿物成分。

在石膏矿不同部位取样 6 个，分别编号为 B、D、E、F、G、H。参照 GB/T 5484—2012《石膏化学分析方法》的规定测试石膏矿的结晶水含量，采用 XRD(X 荧光光谱仪)分析石膏矿元素含量，结果如表1 所示，并采用 XRF(X 射线衍射仪)分析石膏矿成分。

表1 石膏矿的化学成分及结晶水含量 %

从石膏矿形貌可以看出，不同部位的石膏矿颜色和致密度有一定的差异。样品 B 和 D 颜色较浅、石膏晶体清晰、表面松软。样品 E 和 G 颜色稍深，石膏晶体依然较为清晰，表面致密度有所下降。样品灰白色与深灰色几乎相当，石膏晶体模糊。样品 F 和 H 颜色较深，表面有少许石膏晶体，致密度较高。

由表1 可知，6 种石膏矿的主要化学成分为硫酸钙及其化合物，样品 G 和 H 含有镁盐，因此这两个石膏矿的杂质含量偏高。二水石膏 (CaSO4·2H2O)的理论结晶水含量为20.93%。从表1 可以看出，6 个石膏矿样品的结晶水含量均低于理论值，参照 GB/T 5483—2008《天然石膏》的规定，计算 6 种石膏矿的品位，结果如表2 所示。样品 B、D 和 E 的品位均 ＞ 95%，属于特级石膏品位；样品 G 和 H 品位 ＞ 85%，属于一级品位；样品 F 品位 ＞ 55%，属于四级品位。

表2 石膏矿的品位 %

石膏矿 XRD 图谱如图1 所示。由图1 可知，样品 B、D 和 E 的主要成分均为 CaSO4·2H2O，没有看到明显的杂质成分，结晶水与 XRF 测试结果一致。样品 G 和 H 除了含有CaSO4·2H2O，还含有 MgCO3，因此结晶水含量下降，品位降低。样品 F 主要成分为 CaSO4，还含有 CaSO4·2H2O，因此结晶水含量最低。

图1 石膏矿 XRD 图谱

2 广元石膏矿制备建筑石膏的研究

广元当地一建筑石膏生产企业利用该石膏矿（未预先进行选矿），采用回转窑生产建筑石膏。在石膏煅烧生产线出料口每隔 4 h 取样 1 次，连续取样 6 个，分别编号为 2～7号。按照 GB/T 17669.2—1999《建筑石膏结晶水含量的测定》测试石膏的结晶水含量，按照 GB/T 17669.4—1999《建筑石膏净浆物理性能的测定》测试石膏的标稠、初凝时间和终凝时间，按照 GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力学性能的测定》测试石膏的 2 h 抗折强度和抗压强度，按照GB/T 36141—2018《建筑石膏相组成分析方法》测试石膏的附着水和 Ⅲ 型无水石膏含量。测试结果如表3 所示。

表3 建筑石膏基本性能

从表3 可以看出，2～5 号样品标稠较高，终凝时间超出标准要求，主要原因之一为含有大量的 Ⅲ 型无水石膏。6号和 7 号样品的标稠较低，低于正常建筑石膏的标稠水平。6 种样品 2 h 抗折强度和 2 h 抗压强度均偏低。

因结晶水含量测试过程中未考虑 Ⅲ 型无水石膏含量，因此剔除 Ⅲ 型无水石膏含量后重新计算 2～5 号修正后的结晶水含量，结果如表4 所示。CaSO4·0.5 H2O 的理论结晶水含量为 6.21%，2～5 号建筑石膏修正后的结晶水含量均高于理论结晶水含量，因此可以判断建筑石膏中含有未脱水完全的 CaSO4·2H2O。可能是石膏煅烧过程中进料过快，导致受热不均匀，部分物料温度过高生成了 Ⅲ 型无水石膏，而部分物料欠烧，还有未脱水的二水石膏存在。

表4 建筑石膏修正后的结晶水含量 %

建筑石膏 XRD 图谱如图2 所示。由图2 可知，2～5 号建筑石膏含有 CaSO4·0.5 H2O， 还含有 CaSO4。6 号和 7 号以 CaSO4和 CaSO4·0.5 H2O为主，且结晶水含量明显低于理论值，因此可以判断煅烧用石膏矿结晶水含量不高，含有大量 CaSO4所致。

图2 建筑石膏 XRD 图谱

综合上述测试结果，建筑石膏生产用石膏矿的筛选对生产的建筑石膏质量有重要的影响。石膏煅烧过程中进料与温度控制影响物料平衡，也是影响建筑石膏质量的重要因素。

3 结 语

（1）广元石膏矿的品位参差不齐，二水石膏矿中伴生硬石膏矿，从对成分和结晶水含量的分析可以发现，有些可达到特级，有些仅达到四级。

（2）石膏煅烧物料平衡是影响建筑石膏矿物组成的重要因素。当温度过高、受热不均匀时生产的建筑石膏中 Ⅲ型无水石膏和 CaSO4·2 H2O 的存在影响建筑石膏的品质。

（3）生产建筑石膏用的石膏矿需要进行筛选。石膏矿中硬石膏含量较高时，会导致生产的建筑石膏标稠偏低和抗折/抗压强度均偏低。