生石膏掺量及其比表面积对熟石膏性能的影响

梁云飞，梅书霞，李帆

（1.武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉 430070；2.北新集团建材股份有限公司，北京 100096）

0 前言

纸面石膏板是将石膏料浆连续浇注在2层护面纸之间，再经过成型、切断、干燥而成的一种建筑板材[1]。石膏料浆的流动性和凝结时间是影响石膏板成型的重要因素，受原料品质、煅烧工艺、粒径分布、各种外加剂及制备工艺等的影响[2]。现代化石膏板工厂的生产速率高达180 m/min[3]，为满足生产需求，需要更高效的促凝剂。

目前，纸面石膏板生产的促凝剂主要有生石膏与硫酸钾2种。硫酸钾的作用是通过提高料浆中硫酸根离子的浓度，使其更易达到硫酸钙析出的过饱和度，从而增加水化速度，缩短料浆凝结时间[4-6]，但钾离子的含量高，会增大石膏板的吸湿性，损害护面纸与石膏芯的粘接性能[7]，也会降低纸面石膏板的强度[8]。采用生石膏作为促凝剂不会在体系中引入其他杂质，也不会影响纸面石膏板的粘接性能。当前，纸面石膏板生产具有高速化、连续化、智能化的特点，促凝剂是实现高速连续生产的必需外加剂。生石膏掺量与比表面积是实际生产中尤为重要的基本参数。本研究以料浆流动性及凝结时间为指标，探讨生石膏掺量及比表面积对熟石膏性能的影响。

1 实验

1.1 原材料

熟石膏：某石膏板厂生产，其主要化学成分如表1所示。

表1 熟石膏的主要化学成分 %

生石膏：采用石膏板经破碎、筛除护面纸后的石膏颗粒，通过球磨机粉磨后获得，在石膏板生产中可作为促凝剂使用。比表面积为0.5~2.5 m2/g。

1.2 实验方法

参照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏 净浆物理性能》、GB/T 17669.3—1999《建筑石膏 力学性能的测定》测试石膏料浆的凝结时间、流动度及强度。采用Quanta 250 FEG（INCA XMAX50）型环境扫描电镜（能谱仪）观测石膏颗粒的表面形貌。参照GB/T 19587—2004《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》测试促凝剂的比表面积，所用设备为康塔Autosorb Station 4比表面积及孔径分布分析仪。采用TAM Air8的八通道微量热仪测试石膏的水化放热。使用QXQM-2全方位行星球磨机制备不同比表面积的生石膏。

实验固定环境温度23℃、相对湿度50%、水膏比为0.65。

2 结果与讨论

2.1 生石膏掺量对料浆性能的影响

生石膏作为促凝剂，影响料浆流动度、凝结时间、强度等，生石膏掺量（按占熟石膏质量计）对料浆性能的影响见表2，其中生石膏比表面积为0.5953 m2/g。

表2 生石膏掺量对料浆性能的影响

由表2可以看出：

（1）随着生石膏掺量的增加，料浆的凝结时间明显缩短，流动度显著减小。当生石膏掺量为0.5%时，与未掺生石膏的空白样相比，流动度减小了10.5%，凝结时间缩短了70%以上；但随着生石膏掺量进一步增加，促凝效果提高率显著降低。

（2）随着生石膏掺量的增加，硬化体密度与强度均呈现先提高后降低的趋势。当生石膏掺量为0.5%时，与空白样相比，硬化体的强度提高了30%以上，密度变化不大；当生石膏掺量为1.5%时，硬化体强度较0.5%掺量时的显著降低。

图1为水化30 d石膏硬化体的SEM照片。

图1 水化30 d石膏硬化体的SEM照片

由图1可见，不掺生石膏时，石膏料浆的凝结时间长，晶体充足生长，多为长而厚的针状，晶体间纵横交错，相互搭接，但晶体间孔隙较大，因此硬化体的密度和强度较低。当掺加0.5%~1.5%生石膏时，生石膏为半水石膏水化提供二水石膏晶种[4]，加速石膏料浆凝结，故晶体生长不充分，多为短小、细长的针状，但晶体间搭接紧密，提高了硬化体的密度和强度[4]。当生石膏掺量较高（1.5%）时，水化形成的片状二水石膏晶体较多，晶体间搭接减少，硬化体的抗折与抗压强度降低；另一方面，生石膏作为胶凝体系中的无效成分，掺量过高也会影响硬化浆体的力学性能。

综上可知，随着生石膏掺量的增加，料浆流动度降低，凝结时间缩短；硬化体密度和强度先提高后降低。当生石膏掺量适宜时，生石膏将晶种作用最大化，此时形成的二水石膏晶体呈细小针状，晶体间搭接紧密，石膏硬化体强度最高。

2.2 生石膏比表面积对料浆性能的影响

不同比表面积生石膏的SEM照片见图2。生石膏掺量为0.5%时，生石膏比表面积对料浆性能的影响见表3。

表3 生石膏比表面积对料浆性能的影响

图2 不同比表面积生石膏的SEM照片（×20 000）

由图2可以看出，比表面积为0.5953 m2/g的生石膏A颗粒较大，大部分粒径为2~6μm，颗粒表面附着少量的微小颗粒；比表面积为1.1073 m2/g的生石膏B与比表面积为2.4004 m2/g生石膏C颗粒较小，大部分粒径为0.2~1.0μm，相互堆积、团簇，零散存在少量大颗粒。生石膏中只有这些微小的颗粒才能发挥晶种作用[9]。

由表3可以看出，随着生石膏比表面积的增大，料浆的流动度减小，凝结时间缩短，但促凝效果提高率显著降低。生石膏比表面积为1.1073 m2/g时，料浆流动度降低了10.53%，凝结时间缩短了约80%，与比表面积为0.5953 m2/g的相比，料浆凝结时间仅缩短了10%，与比表面积为2.4004 m2/g的相比，料浆凝结时间仅差3%。

比表面积对石膏水化放热速率的影响如图3所示。

图3 比表面积对石膏水化放热速率的影响

由图3可见，掺入生石膏后，熟石膏的水化诱导期缩短，水化放热速率峰值位置前移。其中，当掺入生石膏A时，达到石膏水化放热速率峰值的时间由24 min缩短至21.7 min；当掺入生石膏B、C时，达到峰值的时间分别缩短至20.4、19.3 min；当生石膏比表面积过大时（生石膏C），促凝效果提高率显著降低，这与表3中凝结时间变化规律一致。一方面，生石膏颗粒越小，越易团聚，不易分散，如图2（c）所示，部分生石膏起不到晶种效果；另一方面，生石膏比表面积越大，与空气接触面越大，小颗粒越易被湿润、溶解，降低或失去晶种作用[9]。生石膏B的比表面积最佳，既能高效地发挥促凝作用，满足纸面石膏板连续高速的生产需求，又能避免促凝剂粉磨电耗过高而造成浪费。

3 结论

（1）当生石膏比表面积为0.5953 m2/g时，随着生石膏掺量的增加，料浆的凝结时间明显缩短，流动度显著减小。当生石膏掺量为0.5%时，凝结时间缩短了70%以上，此掺量促凝效率最高。

（2）随着生石膏掺量的增加，硬化体密度与强度均先提高后降低。当生石膏掺量为0.5%时，与空白样相比，硬化体抗压、抗折强度提高了30%以上，密度变化不大。

（3）随生石膏比表面积的增大，料浆流动度降低，凝结时间缩短，但促凝效果提高率显著降低。生石膏比表面积为1.1073 m2/g时，凝结时间缩短了约80%，促凝效果最好。

（4）当生石膏比表面积为1.1073 m2/g、掺量0.5%时，能高效地发挥促凝作用，既能满足高速生产要求，又避免因促凝剂过度粉磨而增加电耗，同时保证产品质量。