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脫硫建筑石膏三相分析方法研究及應用
閱讀：274 發布時間：2018-8-9脫硫建筑石膏三相分析方法研究及應用
談曉青1 曹禹2 葉蓓紅1 徐亞玲3
（1.上海市建筑科學研究院集團有限公司，上海 200032；2.上海城建置業發展有限公司，上海 200032；3.上海城建物資有限公司，上海 200063）
摘 要： 從脫硫建筑石膏各相所具有的水化和脫水特性角度，利用<冠亞牌>SFY-20T鹵素水分測定儀，提出一種用于脫硫建筑石膏相組成分析的簡單而有效的方法。就殘余二水石膏及無水石膏含量對脫硫建筑石膏性能的影響進行試驗研究，對相組成在煅燒設備及煅燒工藝改進方面的應用進行探討，從而肯定了相分析的重要性及有效性。
關鍵詞： 脫硫建筑石膏；相組成；分析方法
0 前 言
熱力學將任一聚集態內部均勻的部分稱為相，相的標志是其宏觀物理性質與化學性質均勻一致。脫硫建筑石膏從相組成上來說是一種多相混合體系，通常是指以半水石膏為主，含有過燒無水石膏和未*分解的二水石膏等的多組分的混合物。由于其內部各相微觀結構不同，所以在宏觀物理和化學性能上也有明顯差異。實踐表明，脫硫建筑石膏的各種性能與其內部半水石膏、可溶性無水石膏和殘存二水石膏三相的比例有關，如凝結時間，在很大程度上受脫硫建筑石膏中殘存二水石膏含量的影響，因此相組成的研究對于合理利用脫硫建筑石膏、充分發揮其優異的工藝性能有著重要的意義。
1 脫硫建筑石膏相分析測試方法分析
脫硫石膏的主要成分二水石膏在常溫下是穩定相，但是隨著溫度的升高和外界條件的改變，可得到半水石膏、III 型無水石膏及 II 型無水石膏，而它們在不同條件下水化情況也有差別。脫硫建筑石膏的相分析方法即根據其中各相所具有的水化或脫水的特性而制定的。
1.1 相分析方法的基本原理
（1）脫硫建筑石膏中的 III 型無水石膏。無水石膏具有強烈的吸濕性，可在 95％ 酒精水溶液中水化成半水石膏，而半水石膏卻不能水化成二水石膏，因此可通過測定 III 型無水石膏在酒精水溶液中水化的增量來計算其含量。原因如下：根據二水石膏結構中原子間的結合，將其化學組成寫為 [Ca2·(H2O)3][(SO4)2·(H2O)]，其中 3 個 H2O 與 2 個 Ca2+間僅存在范德華力，作用力較弱，而 2 個 SO42- 與 1 個 H2O間除了存在范德華力以外還存在氫鍵，作用力較強；這個結晶水較前 3 個較難失去，而在 95％ 的乙醇溶液中，乙醇與水分子間除分子間作用力外也有氫鍵，但是其作用力介于兩者之間，因此乙醇溶液中，III 型無水石膏中的 SO42-易吸收 1/2 的水形成半水石膏，而半水石膏不易形成二水石膏。
（2）脫硫建筑石膏中的半水石膏。測定脫硫建筑石膏在純水中的水化增量，為半水石膏和 III 型無水石膏形成二水石膏的總量，減去用上述原理測得的 III 型無水石膏的含量，即可計算出半水石膏的含量。
（3）脫硫建筑石膏中殘留的二水石膏。用脫水的方法測定脫硫建筑石膏的脫水總量，減去半水石膏的脫水量，即可計算出二水石膏的含量。
1.2 脫硫建筑石膏相分析方法
根據相分析方法原理，制定了相分析方法，其中包含可溶性 III 型無水石膏及結合水、半水石膏、殘留的二水石膏三相含量的測定。相分析方法包括酒精溶液水化法—真空干燥、DSC（差示掃描量熱法）等。本文在以上分析方法的基礎上，應用鹵素水分測定儀對脫硫建筑石膏三相組成分析方法進行改進，方法如下。試驗前的準備：測定儀溫度調至 50℃，放入稱量盤進行加熱干燥。而后將稱量盤放入保干器中作干燥貯藏至使用時。樣品稱重之前防止吸附水分很重要，而且取樣和稱重的時間間隔須盡可能地短。
（1）附著水與 III 型無水石膏含量的測定。用水分測定儀稱取 5 g 試樣 G1，至 0.001 g，加入 5 mL 95％乙醇溶液，試樣濕潤均勻，放入水分測定儀并將溫度調至50℃，烘干至恒重，記錄此時的試樣重量 G2。
當 G1>G2 時：附著水含量 W＝(G1－G2)/G1×100％；III 型無水石膏含量 AⅢ＝0；
當 G1<G2 時：吸附著水含量 W＝0；則： III 型無水石膏含量 AⅢ＝15.11 (G2－G1)/ G1×100％。
（注：以上分析試樣中，附著水和 III 型無水石膏二者只能有一，因為無水石膏極易吸收水分，因此有附著水就不會有無水石膏）
（2）半水石膏含量的測定。用水分測定儀準確稱取脫硫建筑石膏試樣 5 g，至 0.001 g，記為m1，在足量蒸餾水中浸泡 5 h 以上，然后將水分測定儀溫度調至 50℃，烘干至恒重，記錄此時試樣質量 m2；后將水分測定儀調至 200 ℃，加熱至恒重，記錄此時試樣質量 m3。
c＝m2/ m1－1，e＝1－m3/m2，純度 S=e/0.2093×100％。
當 G1>G2 時：半水石膏含量 HH＝5.37(c＋W)/(1－W)×100％；
當 G1<G2 時：半水石膏含量 HH＝5.37(c－AⅢ×0. 265)×100％。
（3）二水石膏含量的測定。用水分測定儀準確稱取5 g 試樣，至 0.001 g，記為p1，將水分測定儀調至200 ℃，加熱至恒重，記錄此時試樣質量 p2。
d＝1－p2/ p1
當 G1>G2 時：二水石膏含量 DH＝4.78[(d－W)－HH×0.062]×100％；
當 G1<G2 時：二水石膏含量 DH＝4.78(d－HH×0.062)×100％。
從以上相分析方法可以看出：鹵素水分測定儀的使用，使得試驗過程中的干燥、脫水、稱量等過程全部通過一臺儀器完成，簡化了酒精溶液水化法—真空干燥試驗過程中需要使用干燥器、真空干燥箱及馬弗爐等多種設備的繁瑣的試驗過程，減少了人為誤差；童仕唐采用 DSC（差示掃描量熱法）進行石膏相組成分析，此方法需要選取參比樣，而且計算過程較為復雜。快速、可靠的鹵素水分測定儀結合改進的脫硫建筑石膏相組成分析方法，大大縮短了試驗時間，有利于廠家對產品品質的控制及改進。
2 相分析在脫硫建筑石膏性能研究中的應用
根據煅燒工藝及用途的不同，脫硫建筑石膏中各相所占比例各不相同，各相的比例會對脫硫建筑石膏的性能產生影響。
2.1 殘余二水石膏含量對脫硫建筑石膏性能的影響
脫硫建筑石膏中殘余的二水石膏在其水化過程中起到晶核的作用，若煅燒產物中存在較多的二水石膏，容易產生快凝等現象。試驗選擇 III 型無水石膏含量為 0 并且石膏純度在 95％ 以上的脫硫建筑石膏，所測得的殘余二水石膏含量與對應的脫硫建筑石膏性能列于表 1 中。從表 1 和圖1 可以看出，初凝和終凝時間隨著殘余二水石膏含量的增加均減少；當二水相含量由 2.21％ 增加至 8.92％ 時，初凝時間減少 13 min，終凝時間減少 15 min；當二水相含量過高時，脫硫建筑石膏的 2 h 抗壓強度及抗折強度較低。
表 1 殘余二水石膏對脫硫建筑石膏性能的影響
編號 | 標稠/％ | 初凝/min | 終凝/min | 抗折強度/MPa | 抗壓強度/MPa | 二水石膏/％ |
SQ-1 | 58 | 20 | 24 | 3.52 | 7.86 | 2.21 |
SQ-2 | 60 | 14 | 19 | 3.88 | 8.44 | 2.91 |
SQ-3 | 61 | 12 | 18 | 3.72 | 9.91 | 3.19 |
SQ-4 | 63 | 11 | 13 | 3.32 | 7.19 | 6.57 |
SQ-5 | 60 | 7 | 9 | 3.48 | 8.13 | 8.92 |
SQ-6 | 63 | 5 | 8 | 2.90 | 6.25 | 20.04 |
圖 1 二水石膏對凝結時間的影響
但脫硫建筑石膏凝結時間受諸多因素的影響，所以有時脫硫建筑石膏內二水石膏含量對凝結時間的影響很難準確獲得。當通過添加緩凝劑后，絕大部分二水石膏含量較低的脫硫建筑石膏的凝結時間可顯著延長；當脫硫建筑石膏內二水相含量較高時，同等的摻量對延長石膏的凝結時間效果并不理想。不同二水石膏含量情況下，加 SC 石膏緩凝劑及未加緩凝劑的脫硫建筑石膏凝結時間見表 2 及圖 2。當殘余二水石膏含量 < 4.0％ 時，在石膏內摻入 0.2％～0.3％SC 石膏緩凝劑后，石膏的凝結時間至少延長至原來的 3 倍以上，初凝時間能達到 1 h 以上；當殘余二水石膏含量 >4.0％時，即使有的空白樣的凝結時間也能達到 6 min以上，但摻入 0.2％～0.3％SC 后，凝結時間與原來差別不大，且終凝時間普遍偏短，此時，即使是摻入成倍乃至更多量的緩凝劑也不能達到理想的凝結時間，見表 3。
表 2 SC 緩凝劑對脫硫建筑石膏凝結時間的影響
序號 | 二水石膏/％ | 標稠/％ | 空白樣 | 加0.2~0.3％SC | ||
初凝/min | 終凝/min | 初凝/min | 終凝/min | |||
1 | 0.60 | 53 | 6 | 7 | 61 | 71 |
2 | 1.33 | 55 | 13 | 16 | 70 | 78 |
3 | 1.82 | 46 | 9 | 11 | 63 | 70 |
4 | 2.21 | 41 | 12 | 15 | 80 | 86 |
5 | 2.81 | 50 | 7 | 8 | 51 | 60 |
6 | 3.34 | 45 | 15 | 20 | 63 | 68 |
7 | 4.32 | 40 | 4 | 5 | 11 | 13 |
8 | 8.92 | 50 | 7 | 9 | 21 | 25 |
9 | 16.78 | 49 | 5 | 8 | 13 | 19 |
10 | 16.95 | 50 | 7 | 10 | 10 | 14 |
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圖 2 摻 SC 緩凝劑后凝結時間與殘余二水石膏之間關系
表 3 緩凝劑摻量對凝結時間的影響
編號 | 二水石膏/％ | 緩凝劑/％ | 標準擴散度/％ | 凝結時間/min | ||
SC | WC | 初凝 | 終凝 | |||
1 | 7.8 | - | - | 65 | 2 | 4 |
2 | 7.8 | 0.2 | 0.5 | 65 | 3 | 5 |
3 | 7.8 | 0.8 | 0.5 | 65 | 10 | 16 |
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2.2 過燒的 III 型無水石膏對脫硫建筑石膏性能的影響
經過煅燒的脫硫建筑石膏，由于含有一定量的性質不穩定的無水石膏和少量的二水石膏，使得物相組成不穩、分散度大、吸附活性高，導致粉體標準稠度用水量增加、強度降低、凝結時間不穩定，此時脫硫建筑石膏需要陳化，以改善其物理性能。陳化對脫硫建筑石膏凝結時間的改善效果見表 4。
表 4 陳化對脫硫建筑石膏凝結時間的影響
無水相/％ | 半水相/％ | 二水相/％ | 加0.2％SC+0.5％WC | 注釋 | |
初凝/min | 終凝/min | ||||
7.73 | 78.66 | 3.40 | 45 | 51 | 未經陳化 |
0 | 88.21 | 3.54 | 69 | 78 | 陳化1晚 |
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但是當脫硫建筑石膏粉中 III 型無水石膏含量較高，且二水石膏含量也較高時，陳化雖然能減少無水石膏的含量，但是并不能對其性能起到明顯的改善，尤其是凝結時間，因為二水石膏含量高，其減弱緩凝劑的緩凝效果，使加入緩凝劑的石膏凝結時間不會發生明顯的變化。
根據石膏的不同用途，所需脫硫建筑石膏的各相比例是不一樣的。如果是生產石膏建材制品，如各種石膏板、砌塊等，希望得到的脫硫建筑石膏中二水石膏含量較高，此時建筑石膏的凝結時間較短，可提高生產模具的周轉率或生產線上制品的產量；如果是生產粉體石膏建材，如粉刷石膏、石膏黏結劑、石膏接縫材料等，希望脫硫石膏煅燒產品中絕大部分為半水石膏、極少量的過燒無水石膏Ⅲ和欠燒二水石膏，此時生產的脫硫建筑石膏凝結硬化較慢，有利于減少外加劑的摻量，降低生產成本。因此，生產過程中需根據自身的需要選擇合適的煅燒設備，合理控制煅燒工藝。
2.3 相分析在煅燒設備及煅燒工藝選擇中的應用
脫硫建筑石膏生產采用干法煅燒石膏工藝。按加熱方式，可分為間接加熱和直接加熱；按出料方式，可分為間接出料和連續出料；按煅燒脫水速度，可分為慢速和快速煅燒。20 世紀 60 年代上主要采用慢燒型間歇炒鍋和外燒式回轉窯，70~80 年代發展了連續炒鍋和錐形炒鍋，回轉窯也從外燒式發展成內燒式煅燒。隨著石膏工業技術的進步，為滿足石膏建材制品生產線的運行速度，增加產量，目前發展了氣流式快速煅燒工藝及其相關的氣流式煅燒磨設備。由 2.2 節的分析，如果是生產石膏建材制品，宜采用快速煅燒設備，縮短生產周期；如果是生產粉體石膏建材，宜選用慢速煅燒設備。
以用于粉體石膏砂漿的脫硫建筑石膏的煅燒為例，采用低溫間接換熱煅燒，石膏不易過燒，煅燒出的建筑石膏中不再含有可溶性 III 型無水石膏，大部分為半水石膏。但有時受料流的穩定性、二水石膏的純度等因素的影響，制備出的建筑石膏中二水石膏含量會偏高，會出現初凝時間偏短；通過進一步調節煅燒溫度可使脫硫建筑石膏的二水相減少，半水相含量提高，使石膏相組成相對穩定，提高脫硫建筑石膏的性能，見表 5 和表 6 。
表 5 煅燒溫度對脫硫建筑石膏相組成的影響
編號 | 煅燒溫度/℃ | 吸附水/％ | 無水石膏/％ | 半水石膏/％ | 二水石膏/％ |
SB-1 | 147 | 0.44 | 0 | 86.43 | 3.35 |
SB-2 | 135 | 0.27 | 0 | 83.56 | 6.57 |
SB-3 | 130 | 0.35 | 0 | 80.80 | 8.92 |
SB-4 | 120 | 0.11 | 0 | 75.61 | 16.92 |
表 6 煅燒溫度對脫硫建筑石膏凝結時間及 2 h 強度的影響
編號 | 煅燒溫度/℃ | 初凝/min | 終凝/％ | 摻0.2％SC+0.5％WC | 抗折強度/MPa | 抗壓強度/MPa | |
初凝/min | 終凝/％ | ||||||
SB-1 | 147 | 24 | 30 | 63 | 71 | 3.6 | 6.6 |
SB-1 | 135 | 11 | 13 | 22 | 27 | 3.3 | 7.2 |
SB-1 | 130 | 7 | 9 | 21 | 25 | 3.5 | 8.1 |
SB-1 | 120 | 7 | 10 | 10 | 14 | 3.2 | 8.2 |
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由于煅燒溫度的升高導致二水相含量減少，使煅燒出的脫硫建筑石膏的凝結時間變長， 其 2 h 強度比快凝的脫硫建筑石膏強度低，但是這并不意味著其性能劣于二水石膏含量高、凝結時間短的脫硫建筑石膏。從表 7 可以看出，凝結時間長的脫硫建筑石膏絕干強度高于快凝的石膏，其更適合用于粉體石膏砂漿。因此，選擇合適的煅燒溫度可使脫硫建筑石膏的二水相減少，凝結時間增長，絕干強度增加。
表 7 煅燒溫度對脫硫建筑石膏絕干強度的影響
編號 | 煅燒溫度/℃ | 二水石膏/％ | 初凝/min | 2h 抗折強度/MPa | 2h 抗壓強度/MPa | 絕干抗折強度/MPa | 絕干抗壓強度/MPa |
SB-5 | 153 | 2.91 | 20 | 3.12 | 6.61 | 7.53 | 23.57 |
SB-6 | 133 | 5.98 | 14 | 3.8 | 8.44 | 6.63 | 19.24 |
在合適煅燒溫度范圍內，煅燒時間的長短決定了脫硫建筑石膏粉中無水相與二水相的含量。煅燒時間過短會導致其中的二水相含量偏高，煅燒時間過長會導致其中的無水相含量偏高，這就需要一定的陳化時間。因此根據不同用途的脫硫建筑石膏的性能要求來進行其相組成設計，有利于煅燒設備及煅燒工藝的改進。
3 結 論
根據脫硫建筑石膏各相的水化或脫水特性，采用《冠亞牌》SFY-20T鹵素水分測定儀，提出一種簡便有效的脫硫建筑石膏相分析方法。通過對脫硫建筑石膏的相分析，得到以下 2 個結論。
（1）采用鹵素水分測定儀可以快速、可靠地對脫硫建筑石膏進行相組成分析，提高了試驗結果的準確性，有利于脫硫建筑石膏相組成與性能間的關聯性研究。不僅可以根據不同用途的脫硫建筑石膏的性能要求來進行其相組成設計，有利煅燒設備及煅燒工藝的改進，生產出合格的產品，而且可以指導不同相組成的脫硫建筑石膏用于不同的產品或行業。
（2）殘余二水石膏含量高、凝結時間短、其 2 h 抗壓強度及抗折強度較二水石膏含量低的脫硫建筑石膏高，但是并不意味著其性能更優，其絕干強度低于二水石膏低的脫硫建筑石膏。
（3）脫硫建筑石膏中，III 型無水石膏 < 4.0％ 且二水石膏相 < 4％，有利于制備抹灰石膏；III 型無水石膏 >4.0％，二水石膏相 < 4.0％，經過陳化，仍可用于制備抹灰石膏；當二水石膏相 > 4.0％，不利于制備抹灰石膏。
SFY-20T鹵素水分測定儀基本介紹
傳統的水分測定一般是采用烘箱干燥法，烘箱法水分測定的低效率，不能夠適應高節奏的企業生產需要，一個樣品的測試需要兩三個甚至三四個小時，而且還需通過天平稱重、人工計算，才能得出樣品的水分值（含水率）。深圳冠亞SFY脫硫石膏結晶水測定儀是深圳市冠亞水分儀公司研制的率水分測定儀器，采用率的烘干加熱器-高品質的環狀鹵素燈，對樣品進行快速、均勻的加熱，樣品的水份持續不斷的被烘干。整個測量過程，儀器全自動的實時顯示測量結果：樣品重量、含水量、測試時間、加熱溫度等等。
SFY-20T鹵素水分測定儀性能特點
無需安裝、調試，拆箱即可使用；
操作簡單，省卻繁瑣的使用步驟；
測定時間短、工作效率高；
加熱均勻、性能穩定、測試準確；
用途非常廣泛、幾乎適用各行業的水分測定
SFY-20T鹵素水分測定儀技術參數
1、稱重范圍：0-90g
可調試測試空間為3cm、5cm、10cm
2、水分測定范圍：0.01-100%
3、 凈重：3.7Kg
JK稱重系統傳感器
4、脫*石膏粉水分測定儀樣品質量：0.5-90g
5、加熱溫度范圍：起始-205℃
加熱方式：應變式混合氣體加熱器
微調自動補償溫度有15℃
6、水分可讀性：0.01%
7、顯示7種參數：
水分示值，樣品初值，樣品終值，測定時間，溫度初值，終值，恒重值
紅色數碼管獨立顯示模式
8、雙重通訊接口：RS 232（打印機）
RS 232（計算機）
9、外型尺寸：380×205×325(mm)
10、電源：220V±10%/110V±10%(可選)
11、頻率：50Hz±1Hz/60Hz±1Hz(可選)
河北脫*石膏結晶水測定儀/三相分析使用說明
1：按校準鍵，放砝碼，自動校準。（定期效準，不用每天開機效準）
2：取樣，按測試鍵開始工作。
3：儀器加熱中，儀器正在顯示丟失的水分值（%）。
4：測定結束，儀器顯示終水分（%）、測試時間（S）。
此時，在配有冠亞水分儀微型打印機的情況下，可按“打印”鍵，自動打印出水分含量%，測試時間（S）。
本文來源：中國石膏網”