纤维素醚与脱硫石膏基自流平砂浆相容性试验研究

纤维素醚与脱硫石膏基自流平砂浆相容性试验研究
吴金明1，唐凯靖2（1.北京金隅砂浆有限公司，102402；2.成都金摩尔新材料科技有限责任公司，611130）

0 前言
脱硫石膏是含硫燃料（煤、石油）燃烧后所产生的烟气，在脱硫净化处理过程中产生的工业固体废弃物，该废弃物经过适当处理后所得到的半水石膏（化学式为CaSO4·0.5H2O），各项性能可与天然建筑石膏相媲美。因此，采用脱硫石膏代替天然石膏生产自流平材料研究和应用越来越多。减水剂、保水剂和缓凝剂等有机高分子类外加剂是自流平中砂浆材料组成中必不可少的功能性组分，二者与胶凝材料的相互影响及作用机理是值得关注的问题之一。由于形成过程的特点，脱硫石膏细度小（粒径主要分布在40～60 μm 之间）， 粉体级配不合理，故脱硫石膏的流变性能差，其配置的砂浆浆体往往更容易发生离析、分层和泌水现象。纤维素醚作为砂浆中最常用的外加剂， 其与减水剂的配合使用，是实现脱硫石膏基自流平材料施工性能和后期力学及耐久性等综合性能的重要保障。
本文以流动度值为控制指标（扩展度145 mm±5 mm）， 重点考察纤维素醚的掺量和分子量（黏度值）对脱硫石膏基自流平材料的用水量，流动度经时损失，凝结时间以及早期力学性能等基本性能的影响规律；同时，测试纤维素醚对脱硫石膏水化放热量和放热速率的影响规律，分析其对脱硫石膏水化进程的影响，初步讨论此类外加剂与脱硫石膏胶凝体系的相容性。

1 原材料与试验方法
1.1 原材料
石膏粉：唐山某公司生产的脱硫石膏粉，主要矿物组成为半水石膏，其化学组成见表1，物理性能见表2。


外加剂包括：纤维素醚（羟丙基甲基纤维素，简称HPMC）；高效减水剂WR；消泡剂B-1；EVA 可再分散乳胶粉S-05，均为市售产品。
骨料：天然河砂，经过0.6 mm 筛网筛分后的自制细砂。
1.2 试验方法
固定脱硫石膏∶砂∶水=1∶0.5∶0.45，其他外加剂适量，以流动度为控制指标（扩展度145 mm±5 mm），通过调整用水量，分别掺入胶凝材料（脱硫石膏+水泥） 质量的0、0.5‰、1.0‰、2.0‰、3.0‰的纤维素醚（HPMC-2 万）； 进一步固定纤维素醚的掺量为1‰，选用HPMC -2 万、HPMC -4 万、HPMC -7.5 万、HPMC-10 万四种不同分子量的羟丙基甲基纤维醚（分别对应编号为H2、H4、H7.5、H10）， 研究纤维素醚掺量和分子量（黏度值）变化对石膏基自流平砂浆各项性能的影响，讨论二者对脱硫石膏自流平砂浆拌合物的流动性、凝结时间以及早期力学性能的影响规律。具体试验方法按照GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力学性能的测定》的要求进行。
水化热测试选用脱硫石膏空白样，以及纤维素醚掺量分别为0.5‰和3‰的试样进行，所用仪器为TA-AIR 型水化热测试仪。
2 结果与分析
2.1 纤维素醚掺量对砂浆基本性能的影响
图1~图3 为纤维素醚掺量对砂浆性能影响试验结果。由图1、图2、图3 可以看出，纤维素醚的掺入对砂浆的各项性能均产生了显著的影响。随着掺量的增加，砂浆的和易性，黏聚性明显改善，显著降低了流动度经时损失，施工性能更加优异，且硬化后的砂浆未见分层现象，表面平整度、光洁度和美观度都有大幅改善。同时，砂浆达到相同流动度的用水量明显增加，5‰时，用水量增加了102%，终凝时间延长了100 min，为空白样的2.5 倍。由图3 可知，砂浆的早期力学性能随纤维素醚掺量增加下降幅度明显，掺量为5‰时，24 h 抗折强度和抗压强度分别降至空白样的18.75%和11.29%， 绝干抗折和抗压强度分别为空白样的39.47%和23.45%。值得注意的是，随着保水剂掺量的增加，砂浆的体积密度也明显下降，由0 时的2 069 kg/m3，降至5‰时的1 747 kg/m3，降低了15.56%，说明砂浆的密实程度下降，孔隙率增加，这也是砂浆力学性能明显下降的原因之一。

纤维素醚为非离子型聚合物，纤维素醚链上的羟基和醚键上的氧原子均可与水分子结合形成氢键，使游离水变成结合水，从而起到保水作用，宏观上表现为浆体黏聚性的增加[5]。浆体黏度的增加，不仅会增大用水量，溶解后的纤维素醚吸附在石膏颗粒表面，阻碍水化反应的进行，延长凝结时间；在搅拌过程中，还将引入大量的气泡，这些气泡会在砂浆硬化后形成孔洞，最终会使砂浆强度降低。综合考虑砂浆拌合物单方用水量、施工性能、凝结时间和力学性能以及后期耐久性等，脱硫石膏基自流平砂浆中纤维素醚的掺量不宜超过1‰。

2.2 纤维素醚分子量对砂浆性能的影响
通常情况下，纤维素醚的黏度越高、细度越细，其保水性越好，黏结强度增加，但同时，纤维素醚的黏度或分子量过高，对砂浆的流动度、施工性能以及力学性能都会产生负面影响。故进一步测试了不同分子量的纤维素醚对石膏基自流平砂浆材料的基本性能的影响规律，测试结果如图4、图5 和图6 所示。


由图4 和图5 可以看出，当固定纤维素醚的掺量为1‰时，以砂浆流动度为控制指标，随纤维素醚分子量的增大，砂浆的需水量有一定上升，而对凝结时间和流动度未产生明显影响。同时，砂浆在不同状态下的抗折和抗压强度有呈下降趋势，但下降幅度远远小于纤维素醚掺量变化对力学性能的影响。综上所述，纤维素醚分子量的增加对砂浆拌合物的性能影响不明显，从施工便捷性考虑，脱硫石膏基自流平材料中宜选用低黏度的小分子量纤维素醚。

2.3 纤维素醚对脱硫石膏水化热的影响
图7 为纤维素醚掺量对脱硫石膏水化影响的测试结果。由图7 可以看出，随着纤维素醚掺量的增大，脱硫石膏的水化放热峰峰值逐渐降低，峰位置出现的时间少许延后， 同时水化放热量下降，但不明显。这说明纤维素醚可在一定程度上延缓脱硫石膏的水化速率和水化程度， 故掺量不宜过大，宜控制在1‰以内。由此可知，纤维素醚遇水后形成的胶体膜吸附在脱硫石膏颗粒表面， 降低了石膏2 h前的水化速率，同时，其特有的保水和增稠作用延缓了浆体水分的蒸发与散失，有利于脱硫石膏后期的进一步水化。综合而言，控制适宜掺量时，纤维素醚对脱硫石膏自身的水化速率和水化程度影响有限。同时，纤维素醚掺量和分子量的增加将显著增加浆体的黏度，并表现出优异的保水性能，为了保证脱硫石膏自流平砂浆的流动性， 用水量增加明显，这是砂浆凝结时间延长，力学性能下降的主要原因。

3 结论
（1）以流动度为控制指标时，随着纤维素醚掺量的增加， 脱硫石膏基自流平砂浆的凝结时间显著延长，力学性能明显下降；相较掺量而言，纤维素醚分子量的增大对砂浆上述性能的影响较小。综合考虑，纤维素醚宜选用小分子量（黏度值低于20 000 Pa·s），掺量宜控制在胶凝材料用量的1‰以内。
（2）脱硫石膏水化热的测试结果表明，在本试验范围内，纤维素醚对脱硫石膏的水化速率和水化进程的影响有限。用水量的增加和体积密度的下降是脱硫石膏基砂浆力学性能下降的主要原因。