石膏性質對型半水石膏性能的影響

石膏性質對型半水石膏性能的影響

當107c時，二水石膏在脫水后轉化為半水石膏。半水石膏有兩種類型。型和型。在加熱至水蒸發(fā)或加熱至酸和鹽的溶液中，二水石膏可以形成用作半水的石膏。將二水石膏放入干燥環(huán)境中，形成三水半水石膏。α型半水石膏晶體形貌為短柱狀,標準用水量少,水化熱較低,強度高,可廣泛應用于石膏陶瓷模具、精密鑄造、工藝美術品、玩具制造、建筑裝飾材料、齒科學等領域。我國有豐富的天然石膏礦資源,還有大量磷化工排放的廢棄石膏,為α型半水石膏的制備提供了豐富的原料。由于不同性質石膏在化學組成、微觀形貌以及溶解性能上存在差異,必將對α型高強石膏的成核、結晶長大以及水化硬化過程產生影響。因此,本研究在分析比較不同石膏原料的化學組成、微觀形貌、溶解性能差異的基礎上,探討了石膏性質對α型半水石膏性能及形貌的影響。1實驗部分1.1天然石膏ng磷石膏(PGA、PGB),分別取自貴州某磷肥廠。天然石膏(NG),市購,純白色,破碎,過60目篩(篩余≤1%),備用。化學石膏(CG),市購,分析純。1.2半水石膏試樣的制備在石膏中加入一定量水,制備成含水量30%的料漿,放入蒸壓釜中(堆料厚度10mm),于130℃下蒸壓6h。將蒸壓試樣置于干燥箱中,110℃下干燥至游離水分小于0.5%,粉磨,過100目篩,陳化8h,即得α型半水石膏試樣,備用。參照JC/T2038-2010《α型高強石膏》測定試樣的凝結時間、標準稠度用水量及力學性能;參照GB/T5484-2000《石膏化學分析方法》中三氧化硫重量法測定石膏的溶解度;采用Siemens公司D5000型X射線衍射儀對石膏物相組成進行分析;采用日本JMS-5600LV型掃描電子顯微鏡對樣品微觀形貌進行分析。2結果與討論2.1磷石膏原料的組成不同石膏原料的化學成分見表1。從表1可看出,2種磷石膏與天然石膏和化學石膏在化學成分上很相似,主要成分是CaO、SO3以及一定數量的結晶水,其中CaSO4?2H2O含量PGA為93.01%,PGB為90.92%,NG為98.44%,CG為99.25%,磷石膏中含有較高的SiO2、P、F以及有機物等雜質。PGA和PGB是2種不同產地的磷石膏,均采用二水物法濕法磷酸生產,但由于生產磷酸時所采用的礦源以及生產控制參數不同,導致其所含雜質數量不同。PGA中CaO和SO3的化學成分高于PGB,P、F等雜質含量則較PGB低。不同石膏原料的XRD圖譜,見圖1。從圖1可看出,NG和CG的礦物組成為CaSO4?2H2O晶體。PGA和PGB分別在衍射角2θ為26?！?8。以及2θ為42?！?5。處出現新的衍射峰,這表明磷石膏中不僅含有CaSO4?2H2O晶體,還存在其它礦物相CaHPO4?2H2O和SiO2?？梢?天然石膏、化學石膏以及不同企業(yè)排放的磷石膏在化學組成和礦物組成上存在一定的差異。2.2溶解速度溶解度不同石膏原料的微觀形貌分析,見圖2。從圖2可看出,PGA和PGB均為片狀物,且PGB表面絮狀物比PGA多,這是由于PGB雜質含量較PGA多所致。NG為片狀和棱狀物,顆粒粒徑較大。CG為雪花狀片狀物、針狀,顆粒粒徑較小。不同時間下石膏原料在純水中的溶解度,見圖3。由圖3可知,CG溶解度最大,且溶解速度快,5min溶解度達到自身飽和度(2.110g/L)的93%,其次是PGB,5min溶解度達到自身飽和度(2.0831g/L)的87.4%;PGA5min溶解度達到自身飽和度(2.071g/L)的80.9%;NG的溶解度最小,溶解速度慢,5min溶解度達到自身飽和度(1.9911g/L)的75.4%。這是由于天然石膏粒徑最大,其次是磷石膏,而化學石膏粒徑最小,因此具有較高的表面能,能在水中快速溶解。由圖3還可看出,2種磷石膏早期溶解速度大于天然石膏,但是到后期60min以后,磷石膏的溶解速度比天然石膏慢。這是由于磷石膏中的雜質(如P、F)與溶解出的Ca2+生成不溶物,加快了硫酸鈣的溶解,導致磷石膏早期溶解速度加快。但是,隨著這些難溶物在磷石膏表面的增多,阻礙了磷石膏的繼續(xù)溶解,使磷石膏溶解速度減慢,到達飽和度的時間較天然石膏長?？梢?不同石膏在微觀形貌及溶解性能上也存在差異。2.3磷石膏的用量α型半水石膏物理性能見表2。從表2可看出,以NG為原料制備的α型半水石膏凝結時間最短,標準用水量最小,且2h抗折強度和干抗壓強度達到最大,滿足JC/T2038-2010中等級α30的性能指標要求。以CG為原料制備的α型半水石膏標準用水量最大,強度最差,2h抗折強度僅為1.7MPa,干抗壓強度僅為8.6MPa。以2種磷石膏為原料制備的α型半水石膏在性能上存在差異,其中PGA凝結時間較PGB短,標準用水較小,2h抗折和干抗壓強度較大。這是由于磷石膏中存在P、F和有機物等有害雜質,在α型半水石膏水化初期,一方面可溶磷與α型半水石膏溶解出的Ca2+形成磷酸鈣沉淀,覆蓋在α型半水石膏表面,阻礙了半水石膏的溶出與水化;另一方面共晶磷隨半水石膏晶體溶解而從晶格中釋放出來,在溶液中Ca2+的作用下迅速轉化為Ca3(PO4)2沉淀,覆蓋在半水石膏晶體表面,阻礙其溶出與水化。因此,以磷石膏為原料所制備的α型半水石膏凝結時間較天然石膏長,強度低。由于PGA所含P、F和有機物雜質含量較PGB少,故其制備的α型半水石膏凝結時間較短,強度較高。2.4晶型半水石膏的制備不同石膏原料所制α型半水石膏的SEM照片,見圖4。從圖4a可見,以PGA為原料所制得α型半水石膏,晶體形貌呈六方棒狀和短柱狀,直徑為6～10μm,長徑比為4∶1～8∶1,且晶體表面光滑。由圖4b可見,以PGB為原料所制得α型半水石膏,棒狀晶體團聚在一起,形成較大的板狀,且在晶體表面還附著小晶粒,顆粒直徑分布范圍較大。由圖4c可見,以NG為原料所制得α型半水石膏,晶體形貌為粗大六方棒狀和短柱狀,直徑為30～40μm,長徑比為4∶1～8∶1,晶體表面光滑。由圖4d可見,以CG為原料所制得α型半水石膏,晶體呈短柱狀,直徑為1～4μm,長徑比為5∶1～15∶1,且有許多細小顆粒物。NG的溶解度最小,其次是PGA、PGB,CG溶解度最大。由晶格缺陷理論學可知,單位時間內產生的晶核數量在一定程度上決定著最終晶體的大小。如果晶核數量很多,晶體成長需要的新相數量可能不足,晶體將是細小的。當晶核數量較少時,新的生成物主要用于晶體成長,所以得到的產品是粗晶。在蒸壓過程中,二水石膏制備α型半水石膏為溶解再析晶的過程,二水石膏溶解度越大,在二水石膏晶粒上出現新相的晶核也就越多,最終所形成的晶體粒徑就越小。所以CG制備的α型半水石膏粒徑最小,而NG制備的α型半水石膏粒徑粗大。通常α型半水石膏結晶越粗大,越整齊,結晶越好,強度也就越高。NG制備的α型半水石膏晶體半徑約為PGA的4倍、CG的10倍,因而其強度較高。反之,晶粒粒徑越小,比表面積就越大,則標準用水量也越高。半水石膏水化時理論需水量為18.61%,多余水分蒸發(fā)后,在硬化體內留下的孔隙多,其強度就會降低。由于CG制備的α型半水石膏標準用水量高于其它原料的石膏,因此,以化學石膏為原料制備的α型半水石膏強度較低。3以天然石膏為原料制備的型半水石膏1.磷石膏、天然石膏、化學石膏在化學組成、礦物組成、微觀形貌以及溶解度上存在一定差異。石膏原料雜質含量越少,溶解度