研究了羟丙基淀粉醚对磷建筑石膏物理及力学性能的影响，主要探究羟丙基淀粉醚在不同掺量、黏度对磷建筑石膏净浆流动度、绝干强度、耐水性能的影响，同时还探究了羟丙基淀粉醚作用于磷建筑石膏性能机理。研究表明：随着羟丙基淀粉醚掺量增加，磷建筑石膏净浆流动度下降，当高黏度淀粉醚在掺量达到 0.4%、低黏度淀粉醚掺量达到 0.5% 时，对磷建筑石膏绝干强度的提升最为明显，其中绝干抗折强度较空白组分别提高 58%、50%，绝干抗压强度分别提高了 52%、18%，同时其耐水性能得到很大改善。
磷石膏是湿法制磷肥的副产品，主要成分是 CaSO4 ·2H2O。每生产 1 t 磷酸会有 5 t 磷石膏产出， 一般产出的磷石膏作为工业废料堆存于堆场。国 内外对于磷石膏再利用的研究有很多，其中在建材领 域开发用于建筑砌筑及干混砂浆也是当前对磷石膏 再利用的一个重要方向。而在传统水泥砂浆中，淀粉 醚的改性作用不可忽视。用于砂浆中的淀粉醚是由 淀粉分子中的羟基与活性物质反应生成的淀粉取代基醚，由一些多糖类的天然聚合物经改性而成。已有研究表明淀粉醚能增大水泥浆体的黏度，但 对砂浆保水性的改善效果较差，且对砂浆凝结时间无 明显影响。淀粉醚在改善水泥基干混抹灰砂浆稠 度方面效果较为突出 。当在以石膏作为胶凝材料 的产品中，淀粉醚可以降低粉刷石膏的吸水率同时提 高软化系数 ，而对于磷建筑石膏基适用性研究相对 较少。所以本试验主要研究了不同黏度、掺量羟丙基 淀粉醚对磷建筑石膏工作性能的影响，包括对其凝结 时间、净浆流动度、绝干强度、耐水性能的影响，最后 探究淀粉醚改性磷建筑石膏的作用机理。为羟丙基 淀粉醚在磷建筑石膏基砂浆上的开发利用提供基础 数据及理论支持。
01
试验部分
1.1 原料
磷石膏由云南云天化股份有限公司生 产，灰白色粉末，其主要化学成分（w/%）为：SiO2， 14.52；Al2O3，1.66；Fe2O3，0.15；SO3，3.05；MnO，0.005；MgO，0.17；CaO，31.94；K2O，0.22；P2O5，0.94；SO3， 45.38；烧失量，21.2。原料磷石膏经过水洗除杂、石灰 中和等预处理手段处理后，放入鼓风式电热烘箱在 145 ℃条件下脱水 8 h 制得磷建筑石膏。试验所用羟丙基淀粉醚为河北晴俊建材生产，白色的粉末,具有良好的水溶性,其水溶液透明无色,耐酸碱稳定性好。羟丙基淀粉醚低效黏度为3600Pa.s，高效黏度为6000pa.s。
1.2试验方法
空白组取磷建筑石膏1200g,其中用水量参考GB/T17669.4-1999《建筑石膏净浆物理性能的测定》所测定的石膏净浆标稠用水量。将羟丙基淀粉醚加入水中并搅拌分散均匀,再将羟丙基淀粉醚水溶液加入磷建筑石膏并倒入搅拌锅充分搅拌均匀,然后浇筑40mm×40mm×160mm模具,在振动台上振动成形。按照GB/T17669.1999《建筑石膏净浆物理性能的测定》测定磷建筑石膏的凝结时间;按GB/T17669.3-1999建筑石膏力学性能的测定》对石膏试块的绝干抗折强度、绝干抗压强度、吸水率及软化系数进行测试。从破碎后的试件中取少量样品,真空喷金后在扫描电镜下观察微观形貌。
02
结果与讨论
2.1羟丙基淀粉醚对凝结时间的影响羟丙基淀粉
醚在不同掺量、不同黏度下对磷建筑石膏流动度的影响见表1。
由1可见,随着淀粉醚掺量的增加,磷建筑石膏凝结时间较标准组(初凝4.7min、终凝6.8min)波动不大。磷建筑石膏初凝时间始终维持在4~5min,终凝时间维持在6~8min,这表明淀粉醚对磷建筑石膏凝结时间无明显影响。
2.2羟丙基淀粉醚对浆体流动度的影响羟丙基淀
粉醚在不同掺量、不同黏度下对磷建筑石膏流动度的影响,见图1。从图1可看出,随着羟丙基淀粉醚掺量的提高,磷建筑石膏净浆流动度呈现不断下降的趋势,当羟丙基淀粉醚掺量为0.1%0.2%时,磷石膏浆体流动度下降最快,当高黏度和低黏度羟丙基淀粉醚掺量都达到0.6%时,磷建筑石膏浆体流动度分别达到最小的130mm、135mm。结果表明,即使在羟丙基淀粉醚掺量很小的情况下,对磷建筑石膏流动度的改善效果也较为明显。
2.3 羟丙基淀粉醚掺量对磷建筑石膏绝干强度的影响
2.3.1羟丙基淀粉醚掺量对磷建筑石膏绝干抗折强度的影响:羟丙基淀粉醚在不同掺量、不同黏度下对磷建筑石膏绝干抗折强度影响,见图2响,见表1。
从图2可看出,随着羟丙基淀粉醚的不断增加,磷建筑石膏绝干抗折强度较空白组均有提高,总体呈先上升后下降的趋势。当高黏度淀粉醚掺量为0.4%时,磷建筑石膏绝干抗折强度达到最大值6.17MPa,较空白组提高58%,当低黏度淀粉醚掺量达到0.5%时,磷建筑石膏绝干抗折强度达到5.84MPa,较空白组提高50%,当淀粉醚掺量在0.2%以下时,淀粉醚掺量的增加对绝干抗折强度的提升较为缓慢,高黏度淀粉醚对磷建筑石膏绝干抗折强度的提升最为迅速的掺量为0.2%0.4%,相比较低黏度淀粉醚掺量在0.5%时对磷建筑石膏抗折强度仍有提升。
2.3.2羟丙基淀粉醚掺量对磷建筑石膏绝干抗压强度的影响
羟丙基淀粉醚在不同掺量、不同黏度下对磷建筑石膏绝干抗压强度影响,见图3。
从图3可看出,随着高黏度淀粉醚掺量的不断增加,磷建筑石膏绝干抗压强度较空白组均有提高,总体呈先上升后下降趋势,当高黏度淀粉醚掺量为0.4%时,磷建筑石膏绝干抗压强度达到最大值13.49MPa,较空白组提高52%,当低黏度淀粉醚掺量达到0.5%时,磷建筑石膏绝干抗压强度达到10.27MPa,较空白组提高18%。
试验结果表明,在适当掺量范围内,羟丙基淀粉醚的掺入对磷建筑石膏绝干抗折、抗压强度均有提高,且在同样掺量下,高效淀粉醚对磷建筑石膏绝干抗折强度的提升效果要优于普通淀粉醚效果。
2.4淀粉醚对磷建筑石膏吸水率及软化系数的影响
羟丙基淀粉醚在不同掺量不同黏度下对磷建筑石膏耐水性能的影响,见图4。
从图4a可看出,随着高黏度羟丙基淀粉醚掺量不断增加,磷建筑石膏吸水率总体呈现先下降后上升的趋势,当掺量达到0.4%时磷石膏吸水率为最低值10.7%。相比较掺入低黏度的羟丙基淀粉醚,当掺量在0.3%0.5%范围时,磷石膏吸水率下降幅度较大,当掺量为0.5%时吸水率达到最小值10.2%从图4b可看出,随高黏度淀粉醚掺量的持续增加,磷建筑石膏软化系数呈不断上升趋势,当低黏度淀粉醚在掺量超过0.3%时对磷建筑石膏软化系数的改善要稍优于高黏度,当高、低黏度淀粉醚都达到0.6%时,此时磷建筑石膏系数为0.75、0.78,改善效果最为明显。
试验结果表明,羟丙基淀粉醚可以很好地改善磷建筑石膏吸水率及软化系数,对磷建筑石膏耐水性能的提升效果很明显。
2.5微观结构
磷建筑石膏空白组硬化体SEM图,见图5;掺入0.4%高黏度淀粉醚SEM图,见图6。
从图5、图6可看出,未掺入淀粉醚的磷建筑石膏硬化体晶体结构多呈板状及柱状,晶体之间搭接还不够充分,且存在一定数量的微孔,这导致磷建筑石膏硬化体强度不高,掺入淀粉醚之后可看到,磷建筑石膏硬化体晶体结构变得复杂,晶体尺寸多呈不规则多边形状且尺寸较为不均,小的晶体颗粒依附在较大的晶体颗粒上,这是因为淀粉醚水溶液粘连了石膏颗粒,对微孔具有一定的填充作用,导致磷建筑石膏硬化体强度提高。
2.6机理分析羟丙基淀粉醚
本身是非离子型淀粉醚在获取了亲水基团羟丙基后溶于水会均匀分散在石膏净浆体系中,其在水中的膨胀度增加,并且其亲水分子链与疏水分子链相互缠绕,形成网状结构,吸附更多的石膏颗粒,形成具有结构黏度的浆体,即宏观表现为石膏浆体流动度变小,砂浆稠度增加。在掺入淀粉醚后,羟丙基淀粉醚具有良好的成膜性,它们遇到水溶解,和水形成胶状溶液,控制和束缚着水分子的扩散速度,同时形成聚合物薄膜,当半水石膏颗粒开始水化,聚合物溶液失水后形成一层高分子薄膜附着在石膏颗粒上,使石膏颗粒之间黏结更为紧密,随着半水石膏颗粒水化过程不断进行,水化产物开始不断增多,同时高分子聚合物膜黏结更多的石膏颗粒,石膏颗粒间内聚力提高,改善石膏内部结构,宏观表现磷建筑石膏力学强度提升,吸水率下降,耐水性能提高。
03
结论
1.羟丙基淀粉醚对磷建筑石膏凝结时间影响较小,对净浆流动度影响效果明显,流动度随着掺量增多呈不断下降趋势,且高黏度淀粉醚改性效果在相同掺量下要优于低黏度。
2.随着羟丙基淀粉醚掺量增加,磷建筑石膏绝干强度较空白组均有提升,总体呈先上升后下降的趋势。当高黏度淀粉醚在掺量达到0.4%低黏度淀粉醚掺量达到0.5%时,对磷建筑石膏绝干强度提升最为明显,其中绝干抗折强度较空白组分别提高58%50%,绝干抗压强度分别提高52%、18%。
3.高、低黏度淀粉醚在相同掺量下对磷建筑石膏吸水率和软化系数影响效果不同。当低黏度淀粉醚掺量为0.5%时,磷建筑石膏吸水率达到10.2%,改善效果最为明显,而软化系数则随着羟丙基淀粉醚掺量增加呈不断上升的趋势,这表明羟丙基淀粉醚可以提高磷建筑石膏耐水性。
