石膏种类对水泥性能的影响

石膏掺入种类对水泥性能的影响

摘要：用不同种类的石膏对水泥凝结时间调凝时，硅酸盐水泥的性能存在较大的差别，其力学强度由大到小的顺序为：二水石膏、氟石膏、磷石膏、硬石膏、半水石膏，半水石膏对早期强度影响较大，而磷石膏缓凝效果过强。对于硅酸盐水泥，适宜的调凝剂为二水石膏、氟石膏和硬石膏。本文通过分析对比，研究了产生这些差异的机理，进而进一步了解了石膏种类对水泥性能的影响。

关键词：石膏、掺量、水化过程、水化产物

1引言

硅酸盐水泥中掺加适量的石膏不仅可调节凝结时间，同时还能提高早期强度。通常水泥生产过程中所用的石膏为一水石膏，但近来有一些研究表明，其它种类的石膏同样可作为缓凝剂。不同种类的石膏对水泥凝结时间和强度的影响也各不相同，本文选取了五种石膏:常用的二水石膏、资源丰富的天然硬石膏、半水石膏和两种工业废料---磷石膏和氟石膏，并对其加入硅酸盐水泥熟料后粉磨而成的水泥的各项性能进行了研究。

2石膏的分类

本文主要介绍了五种石膏以不同的掺量与硅酸盐熟料共同粉磨而成的各种水泥的物理性能，并且从石膏的性能和水化产物的微观形貌进行了解释对比。

2.1二水石膏

天然二水石膏又称生石膏、软石膏或简称石膏，分子式为CaS0

4.2H

2

0。学组成

的理论质量为：CaO-32．57％，S0

3～46．50％，H

2

0～20．93％，常伴有粘土细砂

等杂质。二水石膏属单斜晶系，Ca2+联结[SO

4

]2-四面体，构成双层的结构层，H20子

则分布于双层结构层之间。石膏的双晶形常成燕尾状。由于二水石膏的晶面发育好，其解理完全，所以在显微镜下常看到菱形薄板状、柱板状或针状体。不论何种晶形

的二水石膏，其折射率是一定的，Ng=1．529，N

P

=1．520。

2.2生石膏

天然硬石膏主要由无水硫酸钙(CaS0

4

)组成，化学组成的理论质量为：

CaO-41．19％，S0

3

～58．81％，属正交晶系，晶体参数为：a=0．697nm，b=0．698nm，c=0．623nm。硬石膏的矿层一般位于二水石膏层下面，硬石膏通常在水的作用下变成二水石膏，因此在天然硬石膏中通常含有5％-10％的二水石膏。

2.3半水石膏

半水石膏有α型和β型两个变种。其中建筑石膏，主要为β型半水石膏，因此在这主要介绍β型半水石膏。二水石膏在干燥环境下进行脱水，可以形成β型半水石膏。关于β型半水石膏的形成机理，目前有两种说法：一种是所谓一次生成机理，即二水石膏加热后直接形成半水石膏；另一种是所谓二次生成机理，也就是说二水石膏先直接脱水形成硬石膏，再立即吸附脱出的水分子转变为β型半水石膏。β型半水石膏是片状的、不规则的、由细小的单个晶粒组成的次生颗粒，密度为2．62-2．649／cm3，折射率Ng-1．550，Np=1．556。β型半水石膏相属单斜晶系，是二水石膏在常压下缺乏水的情况下炒制而成，其中水以干蒸汽的状态蒸发，无重结晶过程，因而生成晶型不佳，呈松散聚集的片状、细鳞片状晶体。

2.4磷石膏

磷石膏呈白灰色粉状，刚排出的磷石膏含水较多，约17％左右，密度为2．239/cm3，堆积密度为820kg/m3。经过晾晒风干后水分可达到7％，经x射线衍

射分析，表明其主要矿物组成为CaS0

4-2H

2

0、少量长石、磷灰石、a石英等。其有

害成分为可溶性磷酸盐及少量有机杂质，PH值在6.0～6.2之间，其化学成分稳定。磷石膏的颜色偏深。纯净的石膏是白色的，但通常的含水磷石膏呈分散的细小颗粒，呈深灰色，像豆腐渣，略有异味。干燥后的磷石膏里灰色粉，作为粉刷石膏和装饰石膏会影响外观。磷石膏多呈灰白色，有的呈黄色或灰黄色。由扫描电镜图可看出，磷石膏的结晶形态为棱形或柱形的板状结构。与天然石膏不同的是磷石膏中

CaS0

4-2H

2

0晶体表面有“瘤状物”，经分析，其可能是磷石膏中的P

2

5

、F-与其他一

些杂质在CaS0

4.2H

2

0晶体表面的附着物。

2.5氟石膏

氟石膏是化工厂生产氢氟酸时产生的废渣，呈白色粉末状，其主要成分是CaS0

4

和CaS0

4-2H

2

0及少量的CaF

2

。新排出的氟石膏是一种微晶、疏松、部分成块状，易

于捏碎的物料。一般氟石膏H+含量为3．8×10-3mol/g，吸附水为2％～3％，其矿物物相组成主要为II型无水石膏。其晶体比天然石膏细小，一般为几微米至几十微米，发育不完整。长时间露天堆放后可自然水化，晶粒结构由原来的粒状结构变成针状、片状或板状结构，颗粒逐渐变细，产生强度。

表1 各种石膏的化学组成

3石膏种类对水泥性能的影响

3.1石膏种类对水泥标准稠度用水量的影晌

掺加半水石膏的水泥样品标准稠度用水量较大，其主要原因是半水石膏遇水后溶解、扩散、析晶产生结晶细小的二水石膏，这些二水石膏又与熟料中的矿物反应生成钙矾石时需要较多的水，因此导致需水量增加。由于二水石膏在水中的溶解度比半水石膏小，当半水石膏在水中溶解后便有二水石膏从过饱和溶液中析出晶体。于是便破坏了原有半水石膏的平衡状态，致使半水石膏进一步溶解，继而促使二水石膏进一步析晶，如此不断循环，直至半水石膏完全水化生成二水石膏晶体为止。半水石膏的溶解速度和溶解度极大，因而缓凝效果较好，但如果掺量太多，会在未水化熟料表面很快覆盖上一层致密的三硫型水化硫酸钙薄膜，明显的阻碍了水化的继续进行。

3.2石膏种类对水泥凝结时间的影响

由试验结果可知，掺加半水石膏的水泥样品标准稠度用水量大，其主要原因是半水石膏遇水后溶解、扩散、析晶产生二水石膏。每一个CaSO

分子需要结合3/2

4

个水分子，导致需水量增加。由于二水石膏在水中的溶解度比半水石膏小，当半水石膏在水中溶解后，便有二水石膏晶体从过饱和溶液中析出，于是便破坏了原有半水石膏的平衡状态，致使半水石膏进一步溶解，继而促使二水石膏进一步析晶，如此不断循环，直至半水石膏完全水化生成二水石膏晶体为止。半水石膏的溶解速度和溶解度极大，因而缓凝效果较好，但如果掺量不当，会在未水化熟料表面很快覆盖上一层致密的三硫型水化硫铝酸钙薄膜，明显地阻碍了水泥水化的继续进行。

从矿物组成看，鲍格等人认为铝酸三钙的含量是控制水泥凝结时间的决定性因素。如果单将熟料磨细，铝酸三钙很快水化，生成足够数量的水化铝酸钙，形成松