潘劍云，張欣，史琰，楊英武

（浙江農(nóng)林大學(xué) 風(fēng)景園林與建筑學(xué)院，浙江 杭州 311300）

0 引言

作為輕質(zhì)保溫混凝土，水泥基復(fù)合材料中的水泥漿體在水化和凝結(jié)硬化的過程中伴隨著不可避免的收縮，存在收縮開裂的問題。有學(xué)者通過聚苯顆粒（EPS）來改善水泥基輕質(zhì)混凝土的抗收縮性能，配制出EPS輕質(zhì)混凝土，取得了良好的效果，但總體來說收縮不可避免，裂縫問題依然難以很好的解決[1-2]。脫硫石膏基輕質(zhì)墻體材料相比于水泥基膠結(jié)材料有更好的抗裂和保溫性能[3]，相比于聚苯板有更高的強(qiáng)度和防火性能，并且可手工涂抹也可機(jī)噴，施工適應(yīng)性好。本研究采用一種微膨脹膠凝材料——脫硫石膏，通過大量的試驗(yàn)，對(duì)比分析各種外加劑對(duì)石膏砂漿性能的影響，綜合緩凝劑、穩(wěn)定劑和觸變劑等對(duì)脫硫建筑石膏的改性，得到合理的配合比，最終研制出一種性能優(yōu)異的EPS輕質(zhì)混凝土，以解決水泥基輕質(zhì)混凝土的開裂問題。

脫硫石膏是電廠或者鋼鐵廠煙氣脫硫后的工業(yè)副產(chǎn)物，隨著我國火力發(fā)電及鋼鐵產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，脫硫石膏的產(chǎn)量呈逐年遞增的趨勢(shì)[4]，對(duì)其進(jìn)行資源綜合利用也逐漸得到相關(guān)行業(yè)和部門的重視[5]。因此，本研究的另外一個(gè)目標(biāo)就是利用脫硫石膏生產(chǎn)的建筑石膏，開發(fā)配制出能更好適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)噴涂施工作業(yè)的石膏砂漿，不僅能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且加大了脫硫石膏的消耗量，具有良好的環(huán)境效益。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 脫硫建筑石膏

安徽雙特新型建材有限公司提供，以蕪湖、宣城電廠的脫硫石膏為原料，經(jīng)煅燒處理制成的脫硫建筑石膏。依據(jù)GB/T 9776—2008《建筑石膏》及相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得，均符合3.0級(jí)建筑石膏標(biāo)準(zhǔn)要求。主要性能見表1。

表1 脫硫建筑石膏的主要性能

1.1.2 聚苯顆粒（EPS）

市售普通聚苯乙烯泡沫顆粒，符合GB/T 10801.1—2018《絕熱用模塑聚苯乙烯泡沫塑料》要求，粒徑3～5 mm，堆積密度6.4 kg/m3，表觀密度19.3 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.038 W/（m·K）。

1.1.3 外加劑

（1）石膏緩凝劑：上海齊碩實(shí)業(yè)有限公司提供，屬于蛋白質(zhì)類離子吸附型高效緩凝劑。

（2）羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）：山東泰安瑞泰纖維素有限公司生產(chǎn)，黏度40～60 Pa·s，作為砂漿中的穩(wěn)定劑、分散劑和增稠劑使用。

（3）改性淀粉醚：荷蘭艾維貝（中國）有限公司生產(chǎn)，化學(xué)改性淀粉，增稠保水性好，改善砂漿的施工操作性。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試樣的制備

參照GB/T 28627—2012《抹灰石膏》試樣制備流程，結(jié)合材料實(shí)際特征，按預(yù)先設(shè)定的各組份配合比將干粉原材料進(jìn)行混合，干拌2min，使外加劑粉料與建筑石膏充分均勻混合，緩慢加水?dāng)嚢?min后加入聚苯顆粒，再攪拌2 min后，將拌合物填入40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)試模中插搗成型，24h后拆模，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，如圖1所示。純漿料性能對(duì)比項(xiàng)試件除不添加聚苯顆粒外，其余制作步驟類同。

圖1 石膏基輕質(zhì)墻體材料試塊

1.2.2 試件的測(cè)試

從施工現(xiàn)場(chǎng)的可操作性和使用過程中的實(shí)用性考慮，本研究主要測(cè)試了不同配合比拌合料的凝結(jié)時(shí)間、保水性、不同齡期的抗折和抗壓強(qiáng)度、保溫性能，并定性觀測(cè)了拌合物的潤滑性和抗流掛性。

凝結(jié)時(shí)間參照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏 凈漿物理性能的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試；保水性參照GB/T 28627—2012進(jìn)行測(cè)試；抗折與抗壓強(qiáng)度參照GB/T17669.3—1999《建筑石膏 力學(xué)性能的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

通常認(rèn)為，砂漿中漿體與骨料之間屬于機(jī)械混合，對(duì)材料的物理性能和力學(xué)性能影響較大，而外加劑對(duì)石膏漿體的改性屬于微觀范疇，影響材料的整體性能。因此，本研究先從漿體的改性來分析各添加劑對(duì)建筑脫硫石膏性能的影響，得出外加劑配比，在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)整漿體與骨料的體積比，綜合考慮表觀密度和強(qiáng)度指標(biāo)，最終得出最優(yōu)配比。

2.1 緩凝劑對(duì)石膏砂漿性能的影響

脫硫建筑石膏在不添加外加劑的情況下，凝結(jié)時(shí)間很短，無法滿足施工操作時(shí)間的需求。因此，必須通過摻加緩凝劑來延長可操作時(shí)間。石膏緩凝劑種類很多，使用的情況也各不相同，就目前來說，最常用的緩凝劑主要有磷酸鹽類、檸檬酸和蛋白質(zhì)類[6]。近年來針對(duì)石膏緩凝劑的研究表明[7-10]：蛋白質(zhì)類緩凝劑對(duì)石膏基材料具有更強(qiáng)的表面吸附及鈣離子螯合性能，具有摻量少，緩凝效果好，強(qiáng)度損失小等優(yōu)點(diǎn)。因此，本研究主要選用蛋白質(zhì)類緩凝劑，輔助以纖維素醚的緩凝作用，來提高產(chǎn)品的緩凝效率。

緩凝劑摻量（按占石膏質(zhì)量計(jì)，下同）對(duì)純石膏漿體性能的影響如表2所示。

由表2可知，蛋白類緩凝劑對(duì)石膏漿體的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度都存在不同程度的影響，其摻量的影響存在較為明顯的分界，即摻量在0.20%以下時(shí)，影響基本為線性變化，摻量超過0.20%時(shí)則影響有突變；通過分析凝結(jié)時(shí)間與強(qiáng)度的變化走勢(shì)及突變點(diǎn)形態(tài)，推斷出凝結(jié)時(shí)間與強(qiáng)度之間存在線性相關(guān)性。依據(jù)蛋白類緩凝劑的作用機(jī)理，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)緩凝劑濃度達(dá)到一定量時(shí)，與鈣離子結(jié)合后覆蓋晶核的作用大大增強(qiáng)，阻止了晶核之間的交聯(lián)，出現(xiàn)強(qiáng)度急劇下降?？梢灶A(yù)見，當(dāng)緩凝劑繼續(xù)增加到一定量后，會(huì)出現(xiàn)石膏漿體不凝結(jié)和無強(qiáng)度的現(xiàn)象。

表2 緩凝劑摻量對(duì)石膏砂漿性能的影響

2.2 纖維素醚對(duì)石膏漿體性能的影響

普通石膏砂漿的保水性較差，保水率通常在65%～70%[11]，泌水性大，影響施工操作性和砂漿的強(qiáng)度。纖維素醚是天然纖維素醚化的產(chǎn)物，根據(jù)其取代基團(tuán)的差異，可以作為分散劑、保水劑和增稠劑等，能夠顯著改善石膏砂漿的保水性、和易性等[11-12]。羥丙基甲基纖維素醚（HPMC）對(duì)石膏砂漿性能的影響如表3所示。

表3 纖維素醚對(duì)石膏砂漿性能的影響

由表3可知，纖維素醚對(duì)石膏漿體的保水率影響較大，在摻量小于0.20%時(shí)保水率隨摻量增加線性增大，摻量大于0.20%時(shí)對(duì)保水率的提升作用有限；纖維素醚對(duì)石膏漿體有緩凝作用，但緩凝效果相較于緩凝劑可忽略不計(jì)；纖維素醚對(duì)石膏漿體的強(qiáng)度有降低作用，特別是抗壓強(qiáng)度損失較大，并且存在2個(gè)突變點(diǎn)，即摻量為0.10%和0.20%時(shí)。分析纖維素醚的作用機(jī)理，是因其基團(tuán)的鎖水作用，使晶核之間的水量增加而延緩交聯(lián)的發(fā)生，但并不能阻止晶核的生長，因此對(duì)凝結(jié)時(shí)間有影響但不明顯。由于晶核之間的水量增加，晶核間距增大，使晶須之間的抗剪切粘結(jié)力大大降低，同時(shí)過多的水在后期蒸發(fā)后留下空隙，也降低了石膏硬化后的強(qiáng)度。綜合保水率和強(qiáng)度要求，本研究確定纖維素醚的用量為0.20%。

2.3 淀粉醚對(duì)石膏漿體性能的影響

淀粉醚在砂漿中主要起到增稠劑的作用[13]，并且和纖維素醚配合使用能明顯提高砂漿的抗流掛和抗下垂的性能[14]。研究表明，當(dāng)?shù)矸勖雅c纖維素醚的摻量比在1∶4左右時(shí)，其抗下垂能力及潤滑性最優(yōu)，涂抹爽滑，施工性優(yōu)異[15]。因此，從施工應(yīng)用的角度，簡(jiǎn)化對(duì)淀粉醚的研究，摻入淀粉醚（纖維素醚質(zhì)量的20%）定性觀測(cè)淀粉醚對(duì)噴筑型輕質(zhì)混凝土抗流掛性的影響，如圖2所示（左側(cè)為添加淀粉醚效果，右側(cè)為未添加淀粉醚效果）。綜合考試，本研究所使用的淀粉醚用量為0.05%。

圖2 添加淀粉醚石膏漿體的效果對(duì)比

2.4 聚苯顆粒對(duì)輕質(zhì)混凝土性能的影響

聚苯顆粒作為石膏基輕質(zhì)混凝土中的輕骨料，是決定混凝土強(qiáng)度和保溫性能的最主要因素之一。聚苯顆粒（EPS）按其來料方式可分為破碎再生EPS顆粒和原發(fā)EPS顆粒。研究表明[16-17]：再生EPS顆粒砂漿的和易性和施工性較好，而原發(fā)EPS顆粒砂漿的強(qiáng)度和保溫性能較好，因此，為更好體現(xiàn)強(qiáng)度指標(biāo)和保溫性，本研究選擇使用原發(fā)EPS顆粒。

考慮到漿體的凝結(jié)時(shí)間與混凝土的凝結(jié)時(shí)間存在差異，本研究對(duì)不同緩凝劑摻量的石膏漿體和石膏基EPS輕質(zhì)混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，EPS與漿體體積比為1.0，結(jié)果如表4所示。

表4 EPS顆粒對(duì)輕質(zhì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

由表4可知，在脫硫石膏漿體中摻入一定量的EPS顆粒對(duì)混合體的凝結(jié)時(shí)間影響較大，并且隨著緩凝劑摻量的增加，對(duì)緩凝劑效率的削弱作用越明顯，當(dāng)緩凝劑摻量為0.30%時(shí)，兩者凝結(jié)時(shí)間差距達(dá)到了約100 min。分析EPS顆粒的促凝原因，可將EPS顆粒當(dāng)做是一種吸附內(nèi)核，促使二水石膏晶須向其快速聚攏，加快了晶核的交聯(lián)時(shí)間，宏觀表現(xiàn)為凝結(jié)時(shí)間的縮短。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，為使整體施工可操作時(shí)間適當(dāng)延長，凝結(jié)時(shí)間控制在1h左右，本研究確定緩凝劑的摻量為0.25%。

依據(jù)以上研究確定的外加劑摻量，確定漿料的最佳配比為：1000 g脫硫石膏粉、0.25%緩凝劑、0.2%纖維素醚和0.05%的淀粉醚。拌和物的用水量依據(jù)混合均勻且不泌水的原則，確定為石膏質(zhì)量的55%左右。

將不同用量的EPS顆粒摻入到上述漿體料中，研究其摻量對(duì)輕質(zhì)混凝土整體強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 EPS與漿體體積比對(duì)輕質(zhì)混凝土強(qiáng)度的影響

由表5可知，當(dāng)EPS與漿體的體積比小于1.4時(shí)，EPS摻量的增加對(duì)強(qiáng)度的影響較小，特別是對(duì)抗折強(qiáng)度的影響極??；比例超過1.4時(shí)，影響急劇增大。為使本研究所確定的輕質(zhì)混凝土達(dá)到JC/T2458—2018中LC2.0級(jí)強(qiáng)度要求，即抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.0 MPa以上，確定EPS與漿體體積比為1.4。

經(jīng)研究與優(yōu)化后的配比，EPS與漿體體積比為1.4，緩凝劑、纖維素醚、淀粉醚摻量分別為0.2%、0.2%、0.05%，加入適量水即可攪拌得到顆粒分布均勻、抗壓強(qiáng)度達(dá)到2 MPa以上的脫硫石膏基EPS輕質(zhì)混凝土，如圖3所示。根據(jù)其材性，可用于輕質(zhì)墻體填充和保溫砂漿等應(yīng)用領(lǐng)域。

圖3 EPS顆粒與漿體關(guān)系剖切示意

3 結(jié)論

（1）緩凝劑摻量對(duì)石膏漿體的緩凝作用基本表現(xiàn)為線性相關(guān)，只有當(dāng)摻量高于0.2%時(shí)存在影響突變；同時(shí)，隨著緩凝劑摻量的增加，凝結(jié)時(shí)間延長，砂漿的強(qiáng)度逐漸降低。

（2）纖維素醚主要影響石膏漿體的保水率，當(dāng)摻量高于0.2%時(shí)，保水率變化趨緩；同時(shí)，纖維素醚的超摻將引起漿體強(qiáng)度的大幅降低，綜合保水率和強(qiáng)度因素，摻量取0.2%較為合適。

（3）輕骨料EPS主要影響輕混凝土的強(qiáng)度，為達(dá)到LC2.0級(jí)混凝土強(qiáng)度要求，EPS與漿體體積比需控制在1.4以下；同時(shí)骨料EPS對(duì)漿料有促凝作用，將削弱緩凝劑的效率，配制混凝土?xí)r必須考慮。