馬正先，杭鑫坤 ，郭　浩，李　兵，逄魯峰，常青山

(1.山東建筑大學土木工程學院,濟南　250101；2.山東華迪建筑科技有限公司,濟南　250001)

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底層抹灰氟石膏性能研究

馬正先1，杭鑫坤1，郭浩1，李兵1，逄魯峰1，常青山2

(1.山東建筑大學土木工程學院,濟南250101；2.山東華迪建筑科技有限公司,濟南250001)

用物理、化學、物理與化學共同改性對氟石膏進行改性處理，研制成改性氟石膏，使其具有水化活性。以改性氟石膏為基本膠凝材料，分別采用不同的骨料配比、膠砂比進行試驗，初步確定配比后按比例摻加礦粉、粉煤灰、水泥，最后摻加保水劑，分別研究其對抹灰氟石膏的凝結時間、強度、保水率等的影響。研究結果表明，優(yōu)化配制的抹灰氟石膏各項性能指標符合《抹灰石膏》(GBT28627-2012)標準要求。

氟石膏； 底層抹灰石膏； 凝結時間； 保水劑

1　引　言

抹灰石膏是指二水硫酸鈣經(jīng)脫水或無水硫酸鈣經(jīng)鍛燒和/或激發(fā)，其生成物半水硫酸鈣(CaSO4·1/2H2O)和II型無水硫酸鈣(II型CaSO4)單獨或兩者混合后摻入外加劑，也可加入集料制成的抹灰材料[1]。石膏基的粉刷抹灰材料，在抹灰過程中墻面光滑而不起灰，具有強度較高、不收縮、無氣味、無裂紋、操作簡便、施工周期短等優(yōu)點，可以克服水泥砂漿抹面所帶來的空鼓、脫落、干裂等不利現(xiàn)象，同時具有很好的表面裝飾性。抹灰石膏的粘結強度高，對于各種不同的墻體基材都有很好的粘結力，不僅適用于頂棚抹灰，更適用于在陳舊瓷磚直接鋪設新瓷磚[2,3]。因此，抹灰石膏具有廣闊的應用前景。

氟石膏是生產(chǎn)氫氟酸(HF)過程中排放的工業(yè)副產(chǎn)品，新排放的氟石膏中 HF、H2SO4等含量超標，屬強腐蝕性有毒有害廢棄物[4-6]。氟石膏物相組成與天然硬石膏(CaSO4Ⅱ)相似，主要為無水硫酸鈣，水化進程緩慢，具有潛在的水化活性[7]。氟石膏屬于Ⅱ型無水石膏，活性較低，水化速度非常緩慢，若不進行激發(fā)處理，無法使用。由于氟石膏的特殊性，作為工業(yè)副產(chǎn)品的氟石膏必須進行改性處理，加快其水化速度，縮短凝結時間，使其強度得以發(fā)揮[8,9]。利用氟石膏制備膠結材料或專用砌筑材料是氟石膏的利用方向之一，現(xiàn)有文獻對此也有報道，但氟石膏的利用率基本在80%以下[10-12]。

為了提高氟石膏水化和凝結硬化的能力，目前常采用物理改性或化學改性的方法對氟石膏的活性進行激發(fā)[13-15]。本文在對氟石膏改性研究的基礎上，以物理與化學綜合改性的氟石膏為基本膠凝材料制備底層抹灰石膏，分別對抹灰氟石膏的骨料比例、膠砂比、礦物摻合料摻量、保水劑用量等進行試驗。根據(jù)試驗結果并結合實際生產(chǎn)確定了最優(yōu)配合比，以便使其具有提高氟石膏再利用程度和市場競爭力，并能達到節(jié)能環(huán)保之目的。

2　試　驗

圖1　氟石膏的X射線衍射圖Fig.1　XRD pattern of fluorgypsum

2.1試驗原料

2.1.1膠凝材料與摻合料

氟石膏：取自山東某氟化工廠，灰白色顆粒，經(jīng)負壓篩分儀篩分得其0.2 mm的篩余量為 ≤15%。并對該氟石膏進行了化學成分、物相組成和基本性能的測試與分析，其化學成分、X射線衍射分析以及基本性能測試結果分別見表1、圖1和表2。

水泥：山東山水水泥集團有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5水泥。

礦粉：魯新S95礦粉。

粉煤灰：山東鄒平電廠，一級灰。

表1　氟石膏的化學成分

表2　氟石膏的基本性能

2.1.2骨料

20～40目石英砂、40～70目烘干砂、70～120目烘干砂均為市售。

2.1.3外加劑

硫酸鈉：萊陽經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)精細化工廠，分析純(AR)。

明礬：天津市恒興化學試劑制造有限公司，含量不少于99.5%，分析純(AR)。

十二烷基硫酸鈉(K12)：蘇州逸祥化工科技有限公司。

羥丙基甲基纖維素(HPMC (10 W))：山東方達康工業(yè)纖維素有限公司。

β型半水石膏：市售。

熟石灰：市售。

拌合水為自來水。

2.2試驗與測試方法

各項性能測試參照《抹灰石膏》(GBT28627-2012)標準進行，主要測定氟石膏膠結材的凝結時間、標準稠度用水量、抗折強度及抗壓強度等基本性能；標準稠度用水量的測定均參照GB/T 1346-2011標準進行測試；凝結時間參照《建筑石膏凝結時間測定方法》(GB/T 17669.4-1999)進行測試；力學性能參照《建筑石膏力學性能的測定》(GB/T 17669.3-1999)進行測試；保水率參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70-2009)進行測試。試塊采用自然養(yǎng)護，試驗條件為室溫。

3　結果與討論

根據(jù)作者前期研究結果發(fā)現(xiàn)，摻加4.2%的熟石灰可以中和HF、H2SO4等強腐蝕性有毒有害成分并使氟石膏處于堿性環(huán)境中，摻加β型半水石膏2%，硫酸鈉0.8%和明礬0.8%混合研磨一定時間，即利用物理與化學共同改性可以有效激發(fā)氟石膏活性。因此，本試驗以此種用量為基礎研制成改性氟石膏，作為基本膠材進行試驗。

3.1骨料配比對底層抹灰氟石膏性能的影響

底層抹灰氟石膏的基本配比：膠凝材料體系初步用改性氟石膏90%，礦粉10%。膠砂比初步固定為1∶2；十二烷基硫酸鈉占膠凝材料總量的0.3%；羥丙基甲基纖維素(10 W)占膠凝材料總量的0.2%。按照不同比例摻加石英砂和烘干砂進行試驗對比，從而確定骨料的配比(見表3)。

表3　骨料級配比例

試驗發(fā)現(xiàn)，①組試樣比較粗糙，在抹灰過程中表面顆粒明顯，抹灰整體效果較差；②組試樣效果很好，整體效果光滑，在抹灰過程中使用方便、不粘刀；③組試樣效果較好，整體表面比較平整，但是抹灰過程會粘刀；④組試樣明顯發(fā)粘，在使用過程中粘刀，并且抹灰過程因太黏表面無法整平、無法正常使用；⑤組試樣很粘，無法使用。粘稠程度⑤>④>③>②>①，細砂含量過多，會造成漿體過粘，按照抹灰效果最終確定骨料級配為20～40目石英砂∶40～70目烘干砂∶70～120目烘干砂 = 1∶2∶1。

3.2膠砂比對底層抹灰氟石膏性能的影響

試驗采用3組不同的膠砂比，分別為1∶3.0、1∶2.5、1∶2.0，研究不同膠砂比對底層抹灰氟石膏性能的影響，其中膠凝材料體系為：改性氟石膏90%，礦粉10%，骨料配比為：20～40目石英砂∶40～70目烘干砂∶70～120目烘干砂 = 1∶2∶1；K12占膠凝材料總量的0.3%；HPMC(10 W)占膠凝材料總量的0.2%。用水量為標準稠度用水量。

3.2.1膠砂比對底層抹灰氟石膏強度的影響

膠砂比對抹灰石膏的強度有較大影響，本試驗采用1∶3、1∶2.5、1∶2.0三種膠砂比進行對比，不同膠砂比的抹灰石膏強度(抗折強度和抗壓強度)試驗結果如圖2所示。

由圖2可以看出：

(1)隨著膠砂比從1∶3.0 增大至1∶2.0，抹灰石膏的抗折強度和抗壓強度都隨之增大，其增長趨勢比較明顯。說明膠材增多，骨料減少的情況下可以有效地提高強度。

(2)由于GBT28627-2012中規(guī)定底層抹灰石膏抗折強度不小于2.0 MPa，抗壓強度不小于4.0 MPa。膠砂比為1∶3時，抗折強度為1.89 MPa，抗壓強度為2.83 MPa，無法達到標準要求強度，所以不能采用1∶3的膠砂比。

(3)在試驗過后分別進行抹灰觀察，在抹灰過程中，膠砂比為1∶3和1∶2.5的試樣容易方便施工，膠砂比為1∶2的試樣，抹灰時粘刀，并且整平時較困難。

綜合上述結果分析，僅從膠砂比對抹灰石膏強度的影響來看宜選擇1∶2.5的膠砂比。

3.2.2膠砂比對底層抹灰氟石膏凝結時間的影響

(1)凝結時間的測定

利用具有標準擴散度用水量的石膏漿，取一部分倒入環(huán)形試模，進行凝結時間的測定，測定方法按GB/T 17669.4-1999進行，測定的時間間隔為5 min[16]。

為了考察膠砂比對凝結時間的影響，選取膠砂比分別為1∶3、1∶2.5、1∶2時，對抹灰石膏的初凝時間、終凝時間進行試驗，其結果如圖3所示。

圖2　不同膠砂比的強度值Fig.2　Strength of different mortar paste ratio

圖3　不同膠砂比時的初凝時間、終凝時間Fig.3　Initial setting time and final setting time ofdifferent mortar paste ratio

由圖3可以看出：

(1)隨著膠砂比從1∶3.0 增大至1∶2.0，底層抹灰氟石膏的初凝時間和終凝時間也都隨之增長，這說明骨料越多，底層抹灰氟石膏的凝結時間越短。

(2)由于改性氟石膏加入激發(fā)劑后，相對于普通石膏其水化進程仍相對緩慢。因此膠砂比雖然對凝結時間有影響，但此三種膠砂比的底層抹灰氟石膏的初凝時間、終凝時間都符合GBT28627-2012 《抹灰石膏》 中抹灰石膏的初凝時間不小于1 h 的，終凝時間不大于8 h的要求。

根據(jù)不同膠砂比對強度和凝結時間的影響規(guī)律，最終將膠砂比固定為1∶2.5。

3.3摻加其他膠凝材料試驗

試驗按照不同比例摻加礦粉、粉煤灰、水泥三種膠凝材料，并對摻加膠凝材料后的強度、初凝時間、終凝時間進行分析。

3.3.1礦粉摻量對底層抹灰氟石膏的影響

為了考察不同摻量的礦粉對抹灰氟石膏強度產(chǎn)生的影響，試驗中選擇了礦粉摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%，并對其進行強度試驗，其試驗結果如圖4所示。

為了考察摻加礦粉對抹灰石膏凝結時間的影響，測試了礦粉摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%時抹灰石膏的初凝時間和終凝時間，其試驗結果如表4所示。

根據(jù)圖4和表4的數(shù)據(jù)可知：

(1)礦粉摻量越多，抹灰氟石膏的抗折強度和抗壓強度都隨之增大，但后期增加的效果有所減弱。

(2)隨著礦粉摻量增加，初凝時間和終凝時間都增大。

(3)礦粉的摻量對保水率沒有明顯影響，水份損失較小。

表4　礦粉摻量對初凝、終凝、保水率的影響

圖4　礦粉摻量對抹灰氟石膏強度影響Fig.4　Influence of slag content on the strength of fluorgypsum plaster for base coating paint

圖5　粉煤灰摻量對抹灰氟石膏強度影響Fig.5　Influence of fly ash content on the strength of fluorgypsum plaster for base coating paint

根據(jù)上述試驗結果分析可知，摻加5%～10%的礦粉作為抹灰氟石膏的礦物摻合料為宜。

3.3.2粉煤灰摻量對底層抹灰氟石膏的影響

為了考察不同摻量的粉煤灰對抹灰氟石膏強度的影響，試驗選取粉煤灰摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%，測試不同粉煤灰摻量下抹灰石膏的強度，其結果如圖5所示。

為了考察摻加粉煤灰對抹灰石膏凝結時間的影響，測試了粉煤灰摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%時抹灰石膏的初凝時間和終凝時間，其結果如表5所示。

表5　粉煤灰摻量對初凝、終凝、保水率的影響

根據(jù)圖5和表5的數(shù)據(jù)可知：

(1)粉煤灰摻量越多，抹灰氟石膏的抗折強度和抗壓強度都隨之增減小，摻量為5%和10%時減小幅度明顯，但后期減小的幅度有所減弱。

(2)隨著粉煤灰摻量增加，初凝時間和終凝時間都增大;

(3)粉煤灰的摻量對保水率沒有明顯影響，水份損失很小;

根據(jù)粉煤灰摻量試驗，由于摻加粉煤灰會對強度造成削弱，決定不摻加粉煤灰。

3.3.3水泥摻量對底層抹灰氟石膏的影響

為了考察不同摻量的水泥對抹灰氟石膏強度產(chǎn)生的影響，試驗中選取水泥摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%進行抹灰氟石膏強度測試，其測試結果如圖6所示。

為了考察摻加水泥對抹灰石膏凝結時間的影響，測試了水泥摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%時抹灰石膏的初凝時間和終凝時間，其試驗結果如表6所示。

表6　水泥摻量對初凝、終凝、保水率的影響

圖6　水泥摻量對抹灰氟石膏強度影響Fig.6　Influence of cement content on the strength of fluorgypsum plaster for base coating paint

根據(jù)圖6和表6的數(shù)據(jù)可知：

(1)水泥摻量越多，抹灰氟石膏的抗折強度和抗壓強度都隨之增大，摻量為5%增幅明顯。往后隨著水泥摻量的增加，仍有增幅，但增加的幅度有所下降。在摻加水泥后，主要水化產(chǎn)物有硅酸鈣凝膠、二水石膏晶體以及鈣釩石。二水石膏晶體和鈣釩石構成基本骨架；

(2)隨著水泥摻量增加，初凝時間和終凝時間都縮短；

(3)水泥摻量對保水率沒有明顯影響，水份損失很小。

根據(jù)以上試驗對比得知，摻加礦粉、水泥會使抹灰氟石膏的強度增大，但摻加粉煤灰反而使強度降低，對抗折、抗壓強度的增強效果為：水泥 > 礦粉 > 粉煤灰。摻加膠凝材料，對保水率影響不明顯。綜合考慮強度的增長、凝結時間和成本等因素，最終確定摻加5%的水泥。

3.4保水劑對試驗的影響

對于不同材質的墻體，對抹灰石膏的吸水速度和吸水率有著不同的影響。在施工過程中，需要使未凝結的石膏漿體在墻體上保留一到兩個小時，這就對石膏的保水率有了一定的要求。若保水率低，會造成石膏中的水轉移到墻體上，使石膏漿體水化缺水，造成無法完全水化。若無法完全水化，會造成石膏起殼、起粉和開裂。為了確保抹灰石膏施工后能有足夠的水化時間和防止因失水過快而開裂或粉化，就必須加入保水劑。保水劑的摻量對砂漿的質量有一定的影響[17]。

試驗中選擇HPMC作為保水劑，考察了不同HPMC摻量對抹灰石膏保水率的影響。表7給出了不同HPMC摻量對保水率影響的試驗結果。

表7　HPMC摻量對保水率的影響

由表7可以看出，隨著HPMC摻量的增加，保水率明顯增大。同時若不加保水劑，漿體狀態(tài)很差，失水速度明顯加快。綜合考慮實際成本和漿體狀態(tài)，最終確定HPMC用量為占膠凝材料的0.2%。

3.5底層抹灰氟石膏最終配比

根據(jù)上述試驗結果，最終確定抹灰氟石膏的配比為：95%改性氟石膏，5%水泥；膠砂比為1∶2.5；骨料級配為：20～40目石英砂∶40～70目烘干砂∶70～120目烘干砂 = 1∶2∶1；K12占膠凝材料總量的0.3%；HPMC(10 W)占膠凝材料總量的0.2%。

按優(yōu)化配比配制的抹灰氟石膏，初凝時間不小于1 h，終凝時間不大于8 h，保水率大于75%，抗折強度大于2MPa，抗壓強度大于4 MPa，各項性能都符合《抹灰石膏》(GBT28627-2012)標準要求，并且施工性良好。

4　結　論

(1)隨著膠砂比的增大，底層抹灰氟石膏的抗折強度和抗壓強度都隨之增大，其增長趨勢比較明顯。膠材增多，骨料減少的情況下可以有效地提高底層抹灰氟石膏的強度;

(2)隨著膠砂比的增大，底層抹灰氟石膏的初凝時間和終凝時間也都隨之延長。骨料越多，底層抹灰氟石膏的凝結時間越短;

(3)摻加礦粉、水泥會使抹灰氟石膏的強度增大，但摻加粉煤灰反而使強度降低，對抗折強度和抗壓強度的增強效果為：水泥 > 礦粉 > 粉煤灰。摻加膠凝材料，對保水率影響不明顯;

(4)保水劑的摻量對漿體的質量有一定影響，摻加保水劑后，保水效果明顯提升;

(5)最優(yōu)試驗配比為：95%改性氟石膏，5%水泥；膠砂比為1∶2.5；骨料級配為：20～40目石英砂∶40～70目烘干砂∶70～120目烘干砂 = 1∶2∶1；K12占膠凝材料總量的0.3%；HPMC(10 W)占膠凝材料總量的0.2%。按此配比配制的抹灰氟石膏各項性能都符合《抹灰石膏》(GBT28627-2012)標準要求，并且施工性良好。

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Properties of Fluorgypsum Plaster for Base Coating Paint

MAZheng-xian1,HANGXin-kun1,GUOHao1,LIBing1,PANGLu-feng1,CHANGQing-shan2

(1.School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;2.Shandong Huadi Architecturesci-Tech Co.Ltd ,Jinan 250001,China)

This paper demonstrated a kind of modified fluorgypsum which have hydration activity by modifying it chemical, physical, and physical chemistry properties. The modified fluorgypsum has been used as the basic binding material to research the influence about the setting time, strength, and water-retention rate of the fluorgypsum plaster respectively by doping mineral powder, coal ash, cement and finally adding water-retaining agent in proportion after confirm there matching in advance. Research results indicate that all the performance index conformed to the standard of "Gypsum plaster" (GBT28627-2012) requirements.

fluorgypsum;gypsum plaster for base coating;setting time;water retaining agent

山東省科技惠民計劃項目(2014kjhmxq0211)；山東省高等學?？萍加媱濏椖?J14LG01)

馬正先(1962-)，男，博士，教授.主要從事礦物材料、納米材料、粉體工程等方面的研究工作.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1834-07