趙守佳,徐爐兵,李素巧,李廣濤
(1.山東天盛纖維素股份有限公司,山東菏澤 274051;2.青青源公司興義生產(chǎn)基地,貴州興義 562400)
輕質(zhì)抹灰石膏由于施工簡(jiǎn)便,與基層粘結(jié)力強(qiáng)、無(wú)空鼓、無(wú)開裂[1],減少施工后期的返工和維修作業(yè),節(jié)約材料,低碳綠色等特點(diǎn)得到了良好的應(yīng)用效果,受到房地產(chǎn)開發(fā)商的歡迎。加上隔聲防火、調(diào)節(jié)居住環(huán)境的濕度,提高建筑的舒適度,深受住戶和使用者的青睞。
我國(guó)的抹灰石膏大多采用化學(xué)石膏。化學(xué)石膏的綜合利用可以減少SO2、CO2的排放量,減少能源的消耗,具有明顯的生態(tài)環(huán)保優(yōu)勢(shì),為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做貢獻(xiàn)。
盡管眾多學(xué)者從不同角度對(duì)影響輕質(zhì)抹灰石膏砂漿性能的因素、制備方法及性能進(jìn)行了研究[2-5],但是新的建筑材料(蒸壓加氣混凝土砌塊、ALC 板)和施工方式(鋁模板現(xiàn)澆混凝土、裝配式建筑)的涌現(xiàn),抹灰石膏施工方式(機(jī)噴施工)和施工工人主體的改變,對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏提出了更多、更苛刻的要求,如薄層施工不掉粉、脫粉,涂布率由130 m2/cm 升至160 m2/cm,甚至190 m2/cm,抹灰石膏層表面光滑整潔等。
本文以建筑石膏為主要膠凝材料,重點(diǎn)研究了?;⒅榉N類、建筑石膏種類,纖維素醚種類及黏度、緩凝劑用量和普硅水泥用量對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏砂漿施工性、涂布率和強(qiáng)度的影響,以期為制備涂布率達(dá)190 m2/cm 及以上,且施工順暢的輕質(zhì)抹灰石膏提供科學(xué)有效的技術(shù)依據(jù)。
建筑石膏:山東魯潤(rùn)生產(chǎn);對(duì)比用建筑石膏:分別來(lái)自于江西億彩、山東聊城,其物理性能見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)用建筑石膏的物理性能
纖維素醚:天盛纖維素股份有限公司生產(chǎn),分別為純HEMC、純HPMC 和EH 系列纖維素醚,均為白色至淺黃色粉末,堆積密度250~550 kg/m3,其中EH 系列纖維素醚是一種憎水化學(xué)改性、高取代度的HEMC,適合于石膏基和水泥基輕質(zhì)砂漿的制備。纖維素醚的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。
表2 纖維素醚的技術(shù)指標(biāo)
膨脹珍珠巖:粒徑70~90 目,參考JC/T 1042—2007《膨脹?;⒅椤愤M(jìn)行性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 膨脹珍珠巖的物理性能
緩凝劑:Sika 200P,淺黃色粉末,屬于改性氨基酸類化合物,西卡(中國(guó))有限公司;觸變劑:Bentonitex GS 納米改性膨潤(rùn)土,由北京稀德瑪新材料科技公司提供;引氣劑:AOS(α-烯烴磺酸鈉),印度Winways 公司生產(chǎn),廣東佛山清遠(yuǎn)新材料公司提供。
輕質(zhì)抹灰石膏的試驗(yàn)配方如表4。
表4 輕質(zhì)抹灰石膏的試驗(yàn)配方g
(1)輕質(zhì)抹灰石膏的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)散度用水量、凝結(jié)時(shí)間、保水率、抗折抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度按GB/T 28627—2023《抹灰石膏》的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。
(2)濕密度:按標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展度用水量制備輕質(zhì)抹灰石膏漿料,裝入預(yù)先用擰干的濕毛巾擦拭過(guò)的100 mL 不銹鋼柱狀容器中,用抹灰刀輕搗幾次,除去漿料中的氣泡,并將容器上部多余的漿料刮去,用濕毛巾擦去多余的漿料,稱重即可。
輕質(zhì)抹灰石膏的涂布率按式(1)進(jìn)行計(jì)算:
式中:C——輕質(zhì)抹灰石膏的涂布率,m2/cm;
W——標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展度的用水量;
D——輕質(zhì)抹灰石膏與水拌合好的漿料濕密度,g/L。
(3)抗裂性:按標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展度用水量制備輕質(zhì)抹灰石膏漿料。在水平放置的石膏板上放楔形??颍瑢⑤p質(zhì)抹灰石膏漿料填充到??騼?nèi),用抹刀將多余的漿料刮去,抹平試件表面,形成一個(gè)楔形狀試件。將制備好的試件立刻放入初期干燥抗開裂儀中,用2 m/s 的風(fēng)速對(duì)試件吹風(fēng)16 h,觀察試件2 mm 厚度以下部位有無(wú)裂紋。
(4)氣泡穩(wěn)定性:觀察拌合好的輕質(zhì)抹灰石膏漿料的表觀細(xì)膩程度,測(cè)量濕密度。將漿料堆放在石膏板上,用抹刀刮抹1次,觀察抹灰石膏層的表觀。將拌合好的漿料放置40 min,再觀察漿料的表觀,測(cè)量濕密度,觀察刮抹1 次抹灰石膏層的表觀。
固定輕質(zhì)抹灰石膏配比(g)為:m(建筑石膏)∶m(水泥)∶m(重鈣粉)∶m(膨脹珍珠巖)∶m(緩凝劑)∶m(觸變劑)∶m(引氣劑)∶m(纖維素醚)=880∶20∶20∶80∶0.4∶5.0∶0.10∶3.0,改變纖維素醚的種類,其余相同。纖維素醚種類對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響見(jiàn)表5。
表5 纖維素醚種類對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響
纖維素醚是天然高分子聚合物,分子鏈中含有羥基、羥乙基等親水基團(tuán),甲基、葡萄糖單元等憎水基團(tuán)等,具有表面活性劑的性質(zhì)。當(dāng)纖維素醚溶于水中,分子就在氣液或氣固界面上聚集,從而大大降低體系的表面張力,也即減少了氣泡形成所需的能量,在抹灰石膏與水拌合過(guò)程中,便于氣泡的生成。不同類型的纖維素醚引氣能力不同。由表5 可見(jiàn),3 種纖維素醚的引氣能力順序?yàn)椋篍H 系列>純HEMC 系列>純HPMC 系列,相應(yīng)的輕質(zhì)抹灰石膏的濕密度逐漸變小。
輕質(zhì)抹灰石膏加水?dāng)嚢韬笾频媚ɑ沂酀{料,濕砂漿靜置40 min 后,使用純HPMC 系列纖維素醚會(huì)出現(xiàn)輕微“發(fā)糟”,靜置40 min 時(shí)施工性稍變差。使用純HEMC 系列纖維素醚制備的輕質(zhì)抹灰石膏的濕砂漿靜置40 min 后出現(xiàn)明顯“發(fā)糟”,靜置40 min 時(shí)施工性明顯變差。把抹灰石膏刮抹在基層上,抹灰石膏層中有許多氣孔,但是幾次刮抹后,仍可以得到表面光滑的抹灰石膏層。關(guān)于“發(fā)糟”原因,與輕質(zhì)抹灰石膏漿料的組成有關(guān),抹灰石膏漿料自身穩(wěn)泡能力不足,導(dǎo)致“微泡并小泡、小泡并大泡”,表觀上就是抹灰石膏漿料呈“馬蜂窩”狀。
與HPMC、HEMC 系列纖維素醚相比,EH 系列纖維素醚制備的輕質(zhì)抹灰石膏砂漿濕密度最小。加水?dāng)嚢柰瓿傻妮p質(zhì)抹灰石膏的濕砂漿靜置40 min 后未出現(xiàn)“發(fā)糟”現(xiàn)象,仍施工順滑,得到的抹灰石膏層表面光潔,致密,僅有極少量氣泡。也就是說(shuō),添加EH 系列纖維素醚的輕質(zhì)抹灰石膏可操作時(shí)間明顯偏長(zhǎng),而濕砂漿可操作時(shí)間過(guò)短時(shí)會(huì)影響正常的涂抹施工。EH 系列纖維素醚分子中引入了長(zhǎng)鏈烷基,葡萄糖單元上的側(cè)鏈?zhǔn)枪丫鄣木垩趸蚁┟岩辉迹稍跉馀荼砻?界面形成一層彈性膜,這層彈性膜彈性和強(qiáng)度高,大大降低氣泡碰撞并泡的機(jī)會(huì),氣泡難于破裂或并泡;同時(shí)由于纖維素醚的增稠作用,氣泡間的液體排除緩慢,最終在抹灰石膏漿料中形成均勻分布的微小氣泡并保持穩(wěn)定(見(jiàn)圖1)。這是EH 系列纖維素醚在輕質(zhì)抹灰石膏中引氣多同時(shí)穩(wěn)泡好的原因。
圖1 EH 纖維素醚氣泡形成和穩(wěn)定的示意
輕質(zhì)抹灰石膏砂漿在施工應(yīng)用時(shí),遇大風(fēng)天氣容易出現(xiàn)開裂。抹灰石膏的抗裂性試驗(yàn)結(jié)果表明,3 種纖維素醚制備的輕質(zhì)抹灰石膏層經(jīng)風(fēng)吹后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。一方面,纖維素醚具有良好的保水性,能夠使建筑石膏充分水化,建筑石膏自身建立強(qiáng)度;另一方面,纖維素醚對(duì)建筑石膏之間以及填料間形成有效粘結(jié),提高了建筑石膏晶體與填料間的內(nèi)聚力,提高了抹灰石膏的強(qiáng)度。
EH 纖維素醚的引氣產(chǎn)生大量微小氣泡,在抹灰石膏漿料中起到“滾珠”作用,同時(shí)大量的氣泡存在增加了濕砂漿的體積和屈服應(yīng)力,因此新拌砂漿的施工性和抗下垂性提高。
根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果,選擇EH 系列纖維素醚制備輕質(zhì)抹灰石膏。
EH 系列纖維素醚在輕質(zhì)抹灰石膏中起到保水、增稠、引氣和穩(wěn)定氣泡的作用,同時(shí)包裹顆粒物料,增加體系的內(nèi)聚力,這些作用與纖維素醚的黏度有關(guān)。固定輕質(zhì)抹灰石膏配比(g)為:m(建筑石膏)∶m(水泥)∶m(重鈣粉)∶m(膨脹珍珠巖)∶m(緩凝劑)∶m(觸變劑)∶m(引氣劑)∶m(EH 纖維素醚)=880∶20∶20∶80∶0.2∶5.0∶0.10∶3.0,僅改變纖維素醚的黏度,其余相同。纖維素醚黏度對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響見(jiàn)表6。
表6 纖維素醚黏度對(duì)輕質(zhì)抹灰砂漿性能的影響
由表6 可知,隨著纖維素醚黏度的增加,輕質(zhì)抹灰石膏標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展度用水量逐漸增加,同時(shí)高黏度的纖維素醚的引氣能力更強(qiáng),相應(yīng)的抹灰石膏的濕密度降低,抹灰石膏的涂布率逐漸升高。由于纖維素醚的引氣能力,導(dǎo)致抹灰石膏漿料中小氣泡增多,水分?jǐn)U散的面積增加,抹灰石膏的保水率隨著纖維素醚黏度的增加而降低。當(dāng)纖維素醚的黏度為121 000 mPa·s時(shí),抹灰石膏的加水量最大,但是濕密度升高,導(dǎo)致涂布率降低,抹灰石膏的強(qiáng)度不能符合GB/T 28627—2023 的要求。由于抹灰石膏層上有氣泡,所以不使用黏度為121 000 mPa·s的EH 纖維素醚進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。綜合考慮,EH 纖維素醚黏度以44 000~60 000 mPa·s 為宜,后續(xù)試驗(yàn)均使用黏度為50 000 mPa·s 的EH 纖維素醚。
抹灰石膏層的開裂與抹灰石膏的強(qiáng)度密切相關(guān),強(qiáng)度高,開裂的風(fēng)險(xiǎn)就少。建筑石膏與水凝結(jié)速度快,當(dāng)制成抹灰石膏時(shí),必須加入合適的緩凝劑,以延長(zhǎng)抹灰石膏的凝結(jié)時(shí)間,為抹灰石膏的施工提供足夠的可操作時(shí)間。合適的緩凝劑應(yīng)當(dāng)具有以下條件:(1)抹灰石膏凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)與緩凝劑的用量呈線性關(guān)系,而不是指數(shù)關(guān)系,以免由于建筑石膏凝結(jié)時(shí)間的差異導(dǎo)致在同樣摻量緩凝劑條件下,凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)呈指數(shù)增長(zhǎng)。(2)抹灰石膏初凝和終凝時(shí)間的間隔短。抹灰石膏的初凝時(shí)間控制抹灰石膏漿料的可操作時(shí)間,而抹灰石膏的終凝時(shí)間是可以進(jìn)行下道工序施工開始的時(shí)間。因此,初凝和終凝時(shí)間間隔的變小有利于施工效率的提高,縮短施工時(shí)間。(3)緩凝劑對(duì)抹灰石膏的強(qiáng)度影響小。凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)是以抹灰石膏強(qiáng)度的降低為代價(jià),如果緩凝劑的加入能夠延長(zhǎng)抹灰石膏的凝結(jié)時(shí)間,但是降低抹灰石膏強(qiáng)度的幅度小,將會(huì)降低抹灰石膏層開裂的風(fēng)險(xiǎn)。
抹灰石膏的常用緩凝劑為無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)酸和蛋白質(zhì)類,以蛋白質(zhì)類效果為最好。固定輕質(zhì)抹灰石膏配比(g)為:m(建筑石膏)∶m(水泥)∶m(重鈣粉)∶m(膨脹珍珠巖)∶m(觸變劑)∶m(引氣劑)∶m(纖維素醚)=880∶20∶20∶80∶5.0∶0.10∶3.0,僅改變緩凝劑的用量,其余相同。氨基酸類緩凝劑用量對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響見(jiàn)表7。
表7 緩凝劑用量對(duì)輕質(zhì)抹灰砂漿性能的影響
由表7 可知,緩凝劑用量對(duì)抹灰石膏用水量、保水率和涂布率影響較小,但是,隨著緩凝劑用量的減小,抹灰石膏的初凝和終凝時(shí)間縮短,而強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)緩凝劑用量為0.020%時(shí),抹灰石膏的物理性能符合GB/T 28627—2023 的技術(shù)要求。因此,緩凝劑的用量選擇為0.015%~0.020%。
抹灰石膏在實(shí)際應(yīng)用時(shí),現(xiàn)場(chǎng)施工條件有時(shí)苛刻,如風(fēng)速大、環(huán)境溫度高、基層吸水率大、基層吸水速度快,使得抹灰石膏層容易開裂。為降低抹灰石膏層開裂的幾率,常在抹灰石膏配方中加入灰鈣粉或水泥。固定輕質(zhì)抹灰石膏配比(g)為:m(建筑石膏)∶m(膨脹珍珠巖)∶m(觸變劑)∶m(引氣劑)∶m(纖維素醚)=880∶80∶5.0∶0.12∶3.0。調(diào)節(jié)水泥的用量,同時(shí)改變重鈣粉的用量,通過(guò)調(diào)節(jié)緩凝劑的用量,使輕質(zhì)抹灰石膏的凝結(jié)時(shí)間相近,其余相同。水泥用量對(duì)抹灰石膏性能的影響見(jiàn)表8。
表8 水泥用量對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響
由表8 可知,和不加水泥的抹灰石膏相比,抹灰石膏的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展度用水量稍有降低,這是因?yàn)樗嗥茐牧私ㄖ嗟慕Y(jié)晶性。
在輕質(zhì)抹灰石膏中加入水泥,抹灰石膏不僅在塑化階段強(qiáng)度提高,而且最終的強(qiáng)度也會(huì)提高。一是由于水泥中含有鈣離子,是建筑石膏的促凝劑;二是水泥中的鋁酸三鈣和建筑石膏反應(yīng)形成鈣礬石,使二水石膏晶體間的范德華力轉(zhuǎn)化為化學(xué)鍵,不同石膏晶體間的牢固程度極大增加;三是硅酸三鈣和硅酸二鈣水化生成水化硅酸鈣凝膠,填充在二水石膏晶體的空隙中,提高了抹灰石膏體系的密實(shí)度。
調(diào)節(jié)緩凝劑的用量,使不同水泥用量的抹灰石膏初凝時(shí)間相同,測(cè)試不同抹灰石膏體系的放熱峰。發(fā)現(xiàn),添加水泥的輕質(zhì)抹灰石膏放熱峰比不加水泥時(shí)出現(xiàn)早,減少了輕質(zhì)抹灰石膏層開裂的可能。從另一個(gè)角度證明,添加水泥時(shí),抹灰石膏在塑性階段的強(qiáng)度會(huì)上升得快。
水泥用量小,水泥的水化成分分布在二水石膏中,沒(méi)有相連形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),因此水泥的添加并不影響抹灰石膏的收縮率,總的來(lái)講,添加少量水泥的抹灰石膏是膨脹的。
從試驗(yàn)結(jié)果看,添加水泥會(huì)改善輕質(zhì)抹灰石膏的性能,用量以2%~4%為宜。
對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響
輕質(zhì)抹灰石膏的主要原材料是建筑石膏和膨脹珍珠巖,要生產(chǎn)出施工性好、涂布率好、抹灰石膏層表面平整的輕質(zhì)抹灰石膏,建筑石膏和膨脹珍珠巖及其他助劑需要相容性好。
2.5.1 建筑石膏來(lái)源對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響
固定輕質(zhì)抹灰石膏配比(g)為:m(建筑石膏)∶m(水泥)∶m(重鈣粉)∶m(膨脹珍珠巖)∶m(緩凝劑)∶m(觸變劑)∶m(引氣劑)∶m(纖維素醚)=880∶20∶20∶80∶0.20∶5.0∶0.10∶3.0。僅改變建筑石膏的產(chǎn)地,其余相同。建筑石膏來(lái)源對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響見(jiàn)表9。
表9 不同來(lái)源建筑石膏對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響
山東的建筑石膏是以脫硫石膏為原材料,而江西的建筑石膏是以磷石膏為原材料,由表9 可知,使用磷建筑石膏制備高涂布率的輕質(zhì)抹灰石膏不可行,不僅涂布率低,而且抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度不符合GB/T 28627—2023 的要求。因此,生產(chǎn)高涂布率輕質(zhì)抹灰石膏應(yīng)使用脫硫建筑石膏。
2.5.2 膨脹珍珠巖來(lái)源對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響
珍珠巖經(jīng)過(guò)高溫膨脹后均稱為膨脹珍珠巖,表面封閉、內(nèi)部中空的球形,顆粒大小窄的稱為玻化微珠,市場(chǎng)上供應(yīng)的多是開孔的膨脹珍珠巖。開孔和閉孔的膨脹珍珠巖在輕質(zhì)抹灰石膏的生產(chǎn)中各有優(yōu)勢(shì),開孔的產(chǎn)品表面不規(guī)整,粒徑分布寬,更有利于保證抗下垂性;而閉孔產(chǎn)品施工輕滑,不易粘刀,但由于粒徑分布窄,表面規(guī)整,抹灰石膏的抗下垂性差。
固定輕質(zhì)抹灰石膏配比(g)為:m(建筑石膏)∶m(水泥)∶m(重鈣粉)∶m(膨脹珍珠巖)∶m(緩凝劑)∶m(觸變劑)∶m(引氣劑)∶m(纖維素醚)=880∶20∶20∶80∶0.20∶5.0∶0.08∶3.0。僅改變膨脹珍珠巖來(lái)源,其余相同。膨脹珍珠巖來(lái)源對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響見(jiàn)表10。
表10 不同來(lái)源膨脹珍珠巖對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏性能的影響
由表10 可知,3 種膨脹珍珠巖制備的輕質(zhì)抹灰石膏的物理性能符合GB/T 28627—2023 的要求,施工順滑,但是隨著膨脹珍珠巖的堆積密度的增大,輕質(zhì)抹灰石膏的涂布率逐漸減小。因此,當(dāng)生產(chǎn)涂布率為190 m2/cm 時(shí),應(yīng)當(dāng)使用堆積密度低于80 kg/m3的膨脹珍珠巖。
要生產(chǎn)出高涂布率、性價(jià)比高、工作性能好的輕質(zhì)抹灰石膏,不僅要控制建筑石膏、膨脹珍珠巖和其他助劑的質(zhì)量,還要從合理的配比、施工工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)系統(tǒng)研究,對(duì)輕質(zhì)抹灰石膏砂漿配比進(jìn)行優(yōu)化,確定各組分適宜摻量:建筑石膏88%~90%,普硅水泥2%~4%,膨脹珍珠巖8.0%,采用EH 纖維素醚,控制其黏度為50 000 mPa·s 左右,摻量約為0.30%。按照確定的配比,制得的輕質(zhì)抹灰石膏砂漿涂布率在190 m2/cm 以上,物理性能符合GB/T 28627—2023中輕質(zhì)底層抹灰石膏砂漿指標(biāo)要求。對(duì)制備的輕質(zhì)抹灰石膏砂漿進(jìn)行試應(yīng)用,施工過(guò)程發(fā)現(xiàn),該輕質(zhì)抹灰石膏砂漿具有優(yōu)良的施工性能,且硬化后的石膏砂漿層表面光潔,可節(jié)約后續(xù)施工中的界面劑和建筑膩?zhàn)拥南牧俊?/p>
(1)生產(chǎn)高涂布率的輕質(zhì)抹灰石膏應(yīng)當(dāng)選擇脫硫建筑石膏和低堆積密度的膨脹珍珠巖。
(2)EH 纖維素醚能具有保水、增稠、引氣功能和良好的氣泡穩(wěn)定性,為生產(chǎn)高涂布率的輕質(zhì)抹灰石膏提供了可能。從施工和物理性能綜合考慮,EH 纖維素醚的黏度宜為50 000 mPa·s,在輕質(zhì)抹灰石膏中的用量為0.30%左右。
(3)氨基酸類緩凝劑能明顯延長(zhǎng)輕質(zhì)抹灰石膏砂漿的凝結(jié)時(shí)間,給輕質(zhì)抹灰石膏提供足夠的可操作時(shí)間,在保證輕質(zhì)抹灰石膏物理性能的條件下,用量宜為0.015%~0.020%。
(4)普硅水泥能給輕質(zhì)抹灰石膏提供好的塑性強(qiáng)度和最終強(qiáng)度,減少抹灰石膏層開裂的風(fēng)險(xiǎn),用量宜為2%~4%。