聚羧酸減水劑在脫硫石膏中的應用性能優(yōu)勢

聚羧酸減水劑在脫硫石膏中的應用性能優(yōu)勢林棟;鄒其;鄧最亮;傅樂蜂【摘要】測試了木質(zhì)素類、萘系、磺化三聚氰胺系和聚羧酸系減水劑這4種石膏制品常用減水劑對脫硫石膏分散性、凝結(jié)時間以及強度的影響.結(jié)果表明，聚羧酸減水劑具有優(yōu)異的分散性能,對凝結(jié)時間及試塊強度的影響較小.通過提高聚羧酸減水劑的摻量,可以獲得高的減水率，從而降低了水膏比，提高了石膏制品的強度;對比摻加不同減水劑的石膏硬化體的晶型結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn),摻聚羧酸減水劑的石膏晶體結(jié)晶性好且分布均勻;提高減水率可以縮短石膏制品達到絕干的干燥時間，起到節(jié)能降耗的作用，具有顯著的經(jīng)濟效益.【期刊名稱】《新型建筑材料》【年(卷)，期】2013(040)010【總頁數(shù)】4頁(P25-28)【關(guān)鍵詞】脫硫石膏;聚羧酸減水劑;強度;水膏比;節(jié)能降耗【作者】林棟;鄒其;鄧最亮;傅樂蜂【作者單位】上海建筑外加劑工程技術(shù)研究中心，上海200237;上海三瑞高分子材料有限公司，上海200237;上海建筑外加劑工程技術(shù)研究中心，上海200237;上海三瑞高分子材料有限公司，上海200237;上海建筑外加劑工程技術(shù)研究中心，上海200237;上海三瑞高分子材料有限公司，上海200237;上海建筑外加劑工程技術(shù)研究中心，上海200237;上海三瑞高分子材料有限公司，上海200237;南京瑞固聚合物有限公司，江蘇南京210047【正文語種】中文【中圖分類】TU528.042.2石膏作為傳統(tǒng)無機膠凝材料之一，應用非常廣泛，石膏制品具有質(zhì)輕、隔聲、防火等優(yōu)良的特點，是全世界大力發(fā)展的綠色建筑材料［1］，而工業(yè)副產(chǎn)品——脫硫石膏也已經(jīng)廣泛應用于石膏板、石膏砌塊及內(nèi)墻涂料等領(lǐng)域。半水石膏的理論水膏比為18.61%，但實際使用中，用水量往往達到65%~80%，這樣不僅降低了石膏制品的強度，而且大大增加了制品在干燥過程中的能耗。針對這一問題，通常采用的方法就是向石膏中摻入一定量的減水劑，一方面能在保持流動度相同的情況下有效降低石膏拌合時的用水量，另一方面水膏比的降低又能減少干燥過程中的能耗。木質(zhì)素磺酸鈣是最早的減水劑種類，在石膏中有少量的應用；萘系減水劑是目前用途最廣泛的減水劑；磺化三聚氰胺系減水劑則主要用于對白度要求比較高的模具石膏之中；聚羧酸減水劑是新一代減水劑，目前在歐美國家廣泛應用于石膏板中，在國內(nèi)則少量使用［2］。目前，國內(nèi)眾多研究用于石膏的減水劑通常是直接使用混凝土減水劑，往往會出現(xiàn)聚羧酸減水劑對石膏分散性很差或者嚴重緩凝等不適應性問題，其結(jié)論表明，聚羧酸減水劑不適應于石膏膠凝體系［3-4］。筆者曾研制出對石膏具有良好分散性的聚羧酸減水劑，并對其分散機理進行了深入研究［5-7］，針對目前石膏減水劑體系發(fā)展的停滯不前，本文選用石膏體系中常用的幾種不同類型的減水劑進行了減水性能、緩凝性能對比，并根據(jù)石膏硬化體晶型結(jié)構(gòu)的變化分析了不同減水劑作用的優(yōu)劣。此外，還測試了不同減水率對石膏強度的影響，并分析了減水率提高在節(jié)能降耗方面的貢獻。1實驗原材料及方法1.1實驗原材料石膏減水劑：聚羧酸系減水劑PCE，淺紅棕色液體，固含量為40%，上海三瑞高分子材料有限公司生產(chǎn)；木質(zhì)素磺酸鈣M，淺黃色粉體，市售；萘系減水劑NSF，棕色液體，固含量為35%，市售；磺化三聚氰胺系減水劑SM，白色粉體，市售。脫硫石膏粉：粒徑分布1.15-92.09頃，中徑32.11pm,比表面積1718cm2/g。1.2實驗方法1.2.1石膏漿料的流動性——減水率依據(jù)6日/丁17669.4—1999《建筑石膏凈漿物理性能的測定》標準測試減水劑的分散性能。該方法可以測試添加不同減水劑時，達到同一標準稠度（流動度）的用水量。取石膏粉質(zhì)量G，未摻加減水劑時用水量為G0，使用減水劑后用水量為G1,減水劑的減水率=（G0-G1）/G0。文中提及的摻量均是指外加劑固體含量相對石膏粉的質(zhì)量比。1.2.2石膏凝結(jié)時間測試方法依照流動度測試方法，制備石膏漿體。采用厚2.3mm、高18mm的刀片測試初凝時間，初凝時間為刀鋒劃過石膏漿體，所形成凹槽不再閉合的時間；利用硬度計垂直按壓漿體表面，所測表面硬度為40HA時，則為終凝時間。1.2.3石膏抗壓強度測試方法按照6日丁17669.3—1999《建筑石膏力學性能的測定》方法進行測試。絕干強度的養(yǎng)護條件：試件成型后在（23±2）C、相對濕度（50±10）%的環(huán)境條件下養(yǎng)護1d后，再置于（40±0.1）C的恒溫箱中烘至恒重。2實驗結(jié)果及討論2.1不同減水劑對脫硫石膏分散性能的影響不同減水劑由于種類及結(jié)構(gòu)等的不同，其分散作用機理也不盡相同，進而宏觀上表現(xiàn)為流動度大小有差異。實驗測試不同減水劑在減水率達到6%、流動度一致時，各減水劑所需摻量的情況，結(jié)果如圖1所示。圖1不同減水劑對脫硫石膏分散性的影響由圖1可以看出，達到同一減水率時，幾種不同類型減水劑摻量差異較大，其中磺化三聚氰胺SM所需的摻量最高，表明其對該種石膏的分散性最差；萘系NSF所需的摻量為0.22%，略低于木質(zhì)素磺酸鈣M，說明NSF的分散性要略好于M；而聚羧酸減水劑PCE所需的摻量僅為0.05%。由此可知，在本實驗所用脫硫石膏粉中，達到同一減水率時，PCE的摻量遠低于其它幾種減水劑，表明PCE具有較高的減水率和優(yōu)異的分散性能。2.2不同減水劑對脫硫石膏凝結(jié)時間的影響凝結(jié)時間對石膏制品強度的影響至關(guān)重要。實驗測試了在減水率為6%時，摻加不同減水劑的石膏漿體凝結(jié)時間的變化，得到的結(jié)果如表1所示。表1不同減水劑對脫硫石膏凝結(jié)時間的影響減水劑種類水膏比初凝時間/s終凝時間/s空白0.745303965SM0.7313967NSF0.7300917M0.73651085PCE0.7315996由表1可以看出，摻NSF的脫硫石膏與空白試樣的初凝時間相當，摻SM和PCE兩者的初凝時間相當，比摻NSF的石膏漿體延長約10s，基本可認為與空白試樣差不多，而摻M的初凝時間最長，比空白石膏延長了約1min；終凝時間方面，摻NSF的最短，比空白石膏提前了約50s，摻SM的與空白石膏相當，摻PCE的則相對于空白石膏略有延長，摻M的終凝時間最長。通過以上實驗結(jié)果的分析可知，萘系減水劑的摻入不會對石膏的初凝時間產(chǎn)生影響，但能有效縮短石膏的終凝時間；三聚氰胺的加入對石膏凝結(jié)時間的影響較小，基本不會影響凝結(jié)時間；聚羧酸減水劑僅會略微延長石膏漿體的終凝時間，表現(xiàn)出較弱的緩凝作用；而木質(zhì)素磺酸鈣則對石膏的初凝和終凝時間都有明顯的延長，表現(xiàn)出較強的緩凝作用。2.3不同減水劑對脫硫石膏強度的影響在相同減水率及同等流動度情況下，分別測試了摻不同減水劑的石膏試塊的2h強度及絕干強度，結(jié)果見表2。表2不同減水劑對石膏強度的影響減水劑種類空白SMNSFMPCE抗壓強度/MPa抗折強度/MPa2h2h絕干絕干5.810.62.64.56.517.42.85.96.417.42.84.86.112.42.64.66.717.92.96.4由表2可以看出：（1）摻不同減水劑的石膏在2h時的抗折強度基本相當，與空白石膏相比，2h抗折強度提高不明顯。絕干抗折強度明顯高于2h抗折強度，且摻不同減水劑的絕干抗折強度出現(xiàn)了比較明顯的差別；與空白石膏相比，摻減水劑的絕干抗折強度增加比較明顯，其中又以摻PCE的提高幅度最大，絕干抗折強度提高40%以上。（2）摻減水劑的石膏2h抗壓強度較空白石膏略有提高，最高提高約1MPa。絕干抗壓強度明顯高于2h抗壓強度，其中摻PCE的提高最為明顯，與空白石膏相比，抗壓強度提高約70%，摻SM和NSF的抗壓強度基本相當，摻M的抗壓強度最低，略高于空白石膏2MPa左右，這可能是由于其自身具有比較大的引氣作用，在石膏凝結(jié)硬化的過程中形成了許多有害的氣泡，導致其硬化體強度的降低。2.4不同減水劑對石膏硬化體微觀結(jié)構(gòu)的影響分別對空白及摻NSF、SM、M、PCE的脫硫石膏硬化體斷面進行掃描電鏡SEM分析，結(jié)果見圖2。圖2摻不同減水劑石膏硬化體的SEM照片從圖2可以看出，空白石膏樣品的晶體長軸尺寸小而短軸尺寸大，即長徑比較小，晶體粗化明顯，呈團簇狀，且其結(jié)構(gòu)差別較大，晶體大小不一，相互之間連接不夠緊密，較為疏松。摻入減水劑后，晶體主要變?yōu)獒槧罨蜷L柱狀，大小趨于一致，晶體之間的結(jié)晶接觸點增多，尤其是摻入PCE的石膏，晶體排列整齊，成束存在，相互之間連接得最為緊密。通常認為，針狀二水石膏和能產(chǎn)生有效交叉搭接的晶體對提高石膏強度，尤其是提高抗折強度非常重要［8］。從這一點也可以說明，摻PCE的石膏強度，尤其是抗折強度最高。2.5水膏比對石膏強度的影響水膏比是影響孔結(jié)構(gòu)和強度的主要參數(shù)，減水劑的摻入，一方面能降低水膏比，降低孔隙率，另一方面能夠改善石膏硬化體的微觀結(jié)構(gòu)及晶體形貌，進而提高石膏硬化體的強度；不同減水劑由于作用機理不同，對改善石膏強度的效果及程度也不盡相同。在以上實驗的基礎(chǔ)上，從分散性及強度等綜合性能考慮，選出聚羧酸減水劑PCE，進一步研究了減水率的提高即水膏比降低對石膏強度的影響，結(jié)果見表3。表3水膏比對石膏強度的影響水膏比0.630.670.700.745抗壓強度/MPa抗折強度/MPa2h2h絕干絕干7.117.83.16.66.917.83.16.46.717.72.96.35.910.72.74.5由表3可知，隨著水膏比的降低，石膏制品的抗壓、抗折強度均有一定幅度的提高。當水膏比從0.70降低至0.67時（減水率由6%增大到10%），石膏制品抗折、抗壓強度均有不同程度的提高；進一步降低水膏比，即水膏比由0.70降至0.63時（減水率由6%增大至15.4%），石膏制品的絕干抗壓強度變化不大，絕干抗折強度略有提高。由此可知，當通過提高減水率將水膏比降低至一定程度后，對石膏制品的強度增長意義不大。2.6聚羧酸減水劑在脫硫石膏制品生產(chǎn)中的經(jīng)濟效益分析半水石膏的實際用水量遠遠高于理論水膏比，在實際生產(chǎn)過程中，為了盡快獲得較高強度和提高生產(chǎn)效率，往往會通過干燥的方式除去石膏制品中多余的水分，而干燥過程在整個生產(chǎn)過程中是能源消耗最多的一個環(huán)節(jié)。應用減水劑不僅能改善石膏漿體的流動性，而且還能有效降低水膏比，從而降低能耗和提高生產(chǎn)效率，生產(chǎn)實踐表明，水膏比每降低0.01，可降低1%~2%的干燥能耗［9］。實驗簡單模擬了石膏制品的烘干過程，即通過調(diào)整聚羧酸減水劑的用量依次制備了4種石膏漿體，其減水率分別為0、6%、10%和15%，將制得的漿體成型后脫模，并置于(40±0.1)oc的烘箱中，每隔1h測1次石膏的質(zhì)量，由此得到它們的失水率隨烘干時間的變化曲線，結(jié)果見圖3。圖3不同減水率下失水率隨烘干時間的變化由圖3可以看出，隨著烘干時間的延長，初期都表現(xiàn)為失水率隨時間的延長而逐漸增大，當失水率到達一定程度后就基本不變，即石膏的質(zhì)量不再隨時間的延長而降低。減水率分別為0、6%、10%、15%的4個石膏制品達到恒重的時間分別為8h、6h、5h、4h,此時，失水率分別為32.9%、30.0%、28.6%、27.0%。因此，在石膏制品生產(chǎn)過程中，若減水率越高，用水量越少，則石膏制品烘干到恒重所需要去除的水分越少，且需要的時間也越短，這必定會大幅降低石膏制品在烘干過程中的能耗。3結(jié)論(1)不同類型的減水劑在脫硫石膏中表現(xiàn)出的分散能力也各不相同，其中以聚羧酸減水劑PCE的摻量最低，分散性最好，減水率最高。(2)在這幾種減水劑中，萘系NSF的加入對石膏的初凝時間基本沒有影響，但能有效縮短石膏的終凝時間；磺化三聚氰胺SM對石膏初凝、終凝時間基本沒有影響，聚羧酸減水劑PCE略微有所緩凝，木質(zhì)素磺酸鈣M緩凝最為顯著。在石膏中摻入減水劑后能有效降低其用水量，改善石膏的微觀結(jié)構(gòu)，促進晶體的生長，能提高石膏制品的抗壓、抗折強度，其中以PCE的摻入對強度的增加最為明顯。進一步提高減水率，石膏制品的強度增加有限，直至趨于恒定。(4)提高聚羧酸減水劑PCE的用量，能有效降低脫硫石膏粉的用水量，進而能大幅度提高生產(chǎn)效率并降低生產(chǎn)能耗，具有顯著的經(jīng)濟效益?！鞠嚓P(guān)文獻】王祁青.石膏基建材與應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.翟金東，彭家慧，吳莉，等.建筑石膏夕卜加劑研究進展[J].材料科學與工程學報，2004，22(3)：476-478.孫婧，劉宏波，孫莉，等.紙面石膏板生產(chǎn)中減水劑適應性問題的研究[J].新型建筑材料，2012(2):5-8.趙建華.三聚氰胺高效減水劑在石膏砌塊生產(chǎn)中的應用[J].新型墻材，2006(7):30-31.鄧最亮，林珩，傅樂峰，等.可降低脫硫石膏板生產(chǎn)能耗的新型石膏分散減水劑[J].石膏建材，2008(3)：24-27.傅樂峰，鄧最亮，張毅，等.聚羧酸超塑化劑穩(wěn)定分散石膏漿體的研究[J].建筑材料學報，2010,13(5)