進廠石膏溫度對其性能的影響

封培然，林支成，劉元正（四川華一眾創新材料有限公司，四川 成都 610399）

0 引言

石膏溫度是指石膏自身在環境中的冷熱程度。由于工業生產石膏的熱歷史不同，不同階段的石膏溫度不同，例如在建筑石膏煅燒階段，石膏的溫度取決于煅燒溫度的高低。石膏溫度的高低影響其物相組成，造成建筑石膏性能的差異。過去的研究大多數關注石膏的煅燒溫度[1-3]，然而對建筑石膏的應用單位而言，建筑石膏作為一種原材料，其物相組成隨著石膏的陳化而發生變化，因此煅燒溫度對使用單位而言意義并不明顯，但是進廠石膏溫度則可能對石膏產品的凝結時間、抗裂性、強度等性能產生影響。實際上由于石膏本身處于外界環境中，因此進廠石膏溫度除了受其自身溫度影響以外，還受到周圍環境的影響，兩個因素相互作用，綜合表征為進廠石膏溫度的高低。

建筑石膏作為石膏隔墻板、石膏抹灰砂漿、石膏基自流平砂漿等產品的重要原材料，關系著建筑墻體質量和建筑節能效果的高低。溫度作為石膏基膠凝材料水化性能的重要參數，關系著石膏產品質量的優劣。本文嘗試通過數理統計方法，研究不同進廠石膏溫度對其性能的影響，以及分析外界環境與石膏自身溫度兩種因素在石膏性能中的作用，以便為建筑石膏的使用提供指導，同時也為建筑石膏生產企業的存儲提供建議。

1 試驗儀器與方法

試驗的材料包括常見的天然石膏和工業副產石膏。試驗地點位于西南地區，環境溫度變化情況見圖1，從圖1中可以看出試驗地點平均最高氣溫和平均最低氣溫均隨著時間推移呈現明顯上升趨勢，表明環境溫度對周圍環境的輻射對流在逐步增強。進廠石膏溫度試驗方法為當運載建筑石膏的散裝車輛進入廠區后，使用T-105型接觸式熱電阻插入罐裝車內的石膏中，經過溫度傳感器檢測轉化為電信號后顯示于LCD屏幕上，讀取顯示溫度。儀器量程-40℃～330℃，-10℃～100℃范圍內，精確度為±1℃，分辨率為0.1℃。

圖1 試驗地點2021年月度氣溫變化趨勢

石膏初凝時間按照GB/T 17669.4—1999《建筑石膏凈漿物理性能的測定》方法檢測。建筑石膏抗裂性檢測方法為將添加標準稠度需水量的石膏凈漿涂抹于吸水率為42.3%的ALC方形砌塊表面，在自然條件下觀察石膏的開裂情況，并記錄表面開裂的嚴重程度。石膏強度按照GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力學性能的測定》方法檢測2h抗壓和抗折強度。

試驗日期為自2020年12月15日至2021年6月1日，每批次進廠石膏為1個樣本，樣本容量為2619個，其中#1石膏907個，#2石膏690個，#3石膏198個，#4石膏86個，#5石膏61個。試驗著重比較兩種廣泛應用的磷石膏與脫硫石膏，其中磷石膏3種，分別為#1磷石膏、#2磷石膏和#3磷石膏；脫硫石膏2種，分別為#4脫硫石膏和#5脫硫石膏，天然石膏也包括在樣本中，但未詳細列出。

2 進廠石膏溫度

2.1 磷石膏

圖2是#1磷石膏的溫度變化情況，從圖中可以看出，隨著時間延長#1石膏溫度變化趨勢為由高到低然后緩慢升高，溫度最低點出現在2月份，初步分析認為石膏溫度降低不是由于環境溫度下降引起，而是2月份處于銷售淡季，建筑石膏存放時間較長，隨著3月份銷量的提升，石膏溫度呈緩慢升高趨勢。由于#1石膏樣本量巨大，可以排除檢測引入的系統誤差。

圖2 #1磷石膏進廠溫度變化趨勢

進廠石膏溫度升高的原因可能來自兩個方面，一方面是石膏出廠時自身溫度較高，另一方面是環境溫度的影響。由于運輸熟石膏的工具是水泥散裝罐車，可以在較長時間內維持溫度的穩定，結合圖1的氣溫變化梯度可以看出外界環境升高的幅度遠超#1磷石膏升溫幅度，因此初步估計#1進廠石膏溫度升高的原因主要由前者造成。溫度升高對石膏水化反應起到催化作用，未來可能對產品質量產生不可預見的風險。

圖3是#3磷石膏溫度變化趨勢，從圖中可以看出#3磷石膏進廠溫度變化范圍相對較小，基本比較穩定，可能的原因是#3磷石膏樣本量較小，自2021年1月份以來，#3磷石膏樣本量僅為198次，約為#1磷石膏樣本量的約1/5，盡管如此，#3磷石膏的溫度變化幅度依然具有代表性，其溫度波動范圍相對#1磷石膏僅為其2/3，變化范圍基本處于50℃～70℃之間，展示了#3磷石膏進廠溫度的相對穩定。

圖3 #3磷石膏進廠溫度變化趨勢

#2磷石膏的進廠溫度變化趨勢如圖4所示，從圖中可以看出，隨著時間延長，#2磷石膏進廠溫度具有明顯的上升趨勢，與華為磷石膏相比溫度上升趨勢更為明顯，這一點與#3磷石膏相比差別更大。#2磷石膏依然樣本量巨大，足以表明變化趨勢的正確性，直至5月份該上升趨勢并沒有停止。盡管從平均溫度上看#1磷石膏溫度為55.39℃，#2磷石膏為53.1℃，但是兩者中#2磷石膏的溫度升高的風險可能比#1要大，初步建議需要對#2磷石膏進行合理的控溫措施。

圖4 #2磷石膏進廠溫度變化趨勢

2.2 脫硫石膏

目前檢驗的兩種脫硫石膏均存在進廠溫度檢測樣本量不足的缺陷，僅有的一次#4脫硫石膏溫度檢測為50℃，#5脫硫石膏檢測溫度7次，檢測結果平均值為56.59℃，因此無法準確判斷脫硫石膏未來溫度變化趨勢，建議對脫硫石膏進行長期溫度跟蹤。

3 結果與討論

3.1 初凝時間

凝結時間是表征建筑石膏水化速度快慢的重要指標之一，建筑石膏主要成分是CaSO4·1/2H2O，但是工業生產的建筑石膏通常并存有半水石膏（HH）與無水石膏（ⅢA），由于ⅢA的化學活性極高，因此ⅢA的存在使初凝時間縮短，但終凝時間變長，初終凝之間的時間拉長，同樣在煅燒溫度偏低時，石膏脫水不完全，產物中存在較多的二水石膏（DH）而起到晶種作用，也容易產生快凝現象，因此初凝時間是衡量建筑石膏中DH含量和ⅢA含量高低的重要標志。

#1磷石膏進廠溫度與初凝時間的關系如圖5所示，從圖中可以看出兩者之間沒有很好的線性關系，溫度相同的條件下，石膏初凝時間可以從4min上升至8min，也就是說相同的進廠石膏溫度，對應不同的石膏初凝時間，同樣相同的石膏初凝時間可以具有不同的進廠石膏溫度。分析這種關系的原因可能是石膏溫度不是影響初凝時間的決定性因素，初凝時間對溫度不敏感，但從構成范圍上看，進廠溫度在40～65℃范圍內，石膏初凝時間分布在4～7 min這個狹窄區域內，原因是進廠石膏溫度受到質量控制目標值的單側制約，不可能在更寬的范圍內建立二者的對應關系，由此可以推測磷石膏在該溫度范圍內主要以HH形式存在。另外對磷石膏來說由于其雜質含量高，對初凝時間貢獻明顯，溫度在石膏的水化過程中僅起到催化作用，對溶解性的材料來說，較高的溫度有利于物質的溶解，而不利于其達到飽和析晶，這也可能是溫度對初凝時間不敏感的原因之一。

圖5 #1石膏進廠溫度與初凝時間的關系

圖6是#3磷石膏進廠溫度與初凝時間的關系圖，從圖中可以看出溫度與初凝時間之間依然沒有好的線性關系，但其進廠石膏溫度明顯比#1磷石膏上升約5℃，初凝時間比#1磷石膏延長約1 min，由于#3磷石膏樣本量較少，分布范圍更加狹窄，上述結論在多大范圍內適用還需要研究?？紤]到溫度升高對石膏使用的風險，進廠#3石膏溫度的控制目標值被設定為低于70℃，因此圖6中無法看到超出設定范圍外的樣本，在此范圍之外的溫度與初凝時間的關系依然很難進行恰當的估計。

圖6 #3磷石膏進廠溫度與初凝時間的關系

#2磷石膏進廠溫度與初凝時間的關系如圖7所示，從圖中可以看出整體上，#2磷石膏溫度分布范圍更廣，而初凝時間波動范圍與#1石膏、#3石膏沒有顯著差異。也就是說在更大的溫度范圍內都可以得到相同的石膏初凝時間。由上述三種磷石膏的初凝時間與進廠溫度關系看，兩者之間沒有必然聯系，初凝時間也與磷石膏種類無關，其主要決定因素可能為自身的物相組成。

圖7 #2磷石膏進廠溫度與初凝時間的關系

由于對脫硫石膏缺少足夠數量的進廠溫度檢測，僅能觀測到脫硫石膏的初凝時間變化，其結果如圖8所示，從圖中可以看出，#4脫硫石膏隨著時間延長而基本呈現先下降后上升再下降的趨勢，這與圖1給出的氣溫變化趨勢沒有任何關聯性，表明脫硫石膏的初凝時間不受外界氣溫的影響，盡管脫硫石膏的雜質數量低于磷石膏，但#4石膏初凝時間的變化范圍基本在6±2min，與#1石膏相比兩者基本近似，卻大于#3石膏和#2石膏。

圖8 #4脫硫石膏初凝時間變化趨勢

#5脫硫石膏相比#4石膏樣本量更少，但是從圖9的初凝時間變化趨勢看，#5石膏初凝時間波動范圍在4～14min之間，這不僅比磷石膏高出許多，更高于#4石膏，根據前述脫硫石膏進廠溫度的簡單測試可知，#5石膏溫度高于#4石膏，但初凝時間卻比#4脫硫石膏長，這再次證明進廠石膏溫度不是初凝時間的決定性因素。

圖9 #5石膏初凝時間變化趨勢

3.2 抗裂性

3.2.1 總體開裂情況

石膏基材料最重要的優勢就是體積微膨脹，這與硅酸鹽水泥等水硬性膠凝材料的體積收縮不同，石膏是抵抗硅酸鹽水泥體積收縮抗裂的有利方式，然而盡管石膏基材料最終的宏觀體積是膨脹的，但是在石膏水化硬化的過程中，石膏過快的水化速度將導致水分的快速遷移從而引發應力集中導致收縮開裂。

圖10就是五種石膏在樣本統計范圍內的開裂次數，從圖中可以看出，1月份#4石膏出現了最高次數的開裂，隨著時間延長#4石膏開裂次數在減少，相反#2磷石膏隨著時間延長開裂次數在逐步增加，由于#4石膏進廠溫度沒有足夠的樣本數據而無法合理推測，但從圖4的#2石膏變化趨勢看，#2石膏進廠溫度是逐步升高的，兩者之間存在關聯，也就是說進廠溫度越高，石膏開裂的風險越大，同樣觀察圖2的#1石膏溫度變化趨勢也存在近似的結論。由于#3石膏進廠溫度基本穩定沒有觀察到兩者之間的關聯性。

圖10 五種石膏的總開裂次數

3.2.2 不同類型石膏開裂情況

圖11是五種石膏的不同類型開裂情況，從圖中可以看出，明顯開裂是五種石膏的主要開裂形式，其中脫硫石膏的開裂情況超過磷石膏。從磷石膏看，#1石膏輕微開裂次數最多，在各月份中分別為2,0,5,2,3次，是開裂的主要形式，明顯開裂僅出現在5月份，表明#1石膏的開裂情況在隨著溫度升高而加重。#2石膏在4月份和5月份出現了輕微開裂且次數在增加，但未出現明顯開裂，隨著進廠石膏溫度的增加#2石膏開裂的風險也在加??；#3石膏僅在3月份出現2次輕微開裂，以后月份并未出現，這與#3磷石膏的進廠溫度基本穩定有關。

圖11 五種石膏不同程度的開裂情況

從脫硫石膏方面看，#4石膏明顯開裂次數最多，但呈現下降趨勢，#5石膏輕微開裂次數僅出現在4月份和5月份（相對穩定），但是其明顯開裂次數則隨著氣溫的升高而快速增加，表明#5石膏的開裂風險在隨溫度升高而增加。

3.3 強度

建筑石膏強度是其作為建筑材料的重要指標，也是衡量建筑石膏質量高低的砝碼。較高的抗壓強度有利降低石膏用量，保證石膏基產品具有較好粘結力和軟化系數，石膏的抗壓強度與其他性能之間也有緊密聯系。石膏強度與其標準稠度需水量、雜質含量、物相組成、細度、晶體形貌、時間等因素有關。圖12是#1磷石膏進廠溫度與抗壓強度之間的關系，從圖中可以看出兩者之間也沒有明顯的線性關系，但從分布上講，隨著進廠溫度升高，石膏抗壓強度的分布范圍更加寬泛，并且沒有出現超出溫度較低時的強度。換句話說隨著進廠溫度升高，石膏抗壓強度存在下降的幾率。

圖12 #1石膏進廠溫度與強度的關系

另一個磷石膏樣本的檢測結果如圖13所示，從圖中可以看出兩者之間的關系也不明顯，與#1石膏類似，其不同溫度下的強度中位數也存在明顯下降，也就是說至少在一定程度上表明進廠石膏溫度升高，石膏的抗壓強度是有機會降低的。雖然不能準確地說進廠石膏溫度升高，石膏強度一定會下降，但強度降低的風險越來越大。

圖13 #2石膏進廠溫度與抗壓強度關系

4 分析與討論

不同石膏的進廠溫度與初凝時間的關系并不明顯，但是這并不排除總體樣本與進廠溫度之間存在關聯的可能，為了進一步討論總體樣本的進廠石膏溫度與初凝時間之間的關系，將總體樣本的初凝時間作圖如下，其結果如圖14所示。從圖中可以看出盡管樣本量巨大，但絕大多數石膏初凝時間均在5min左右。

圖14 所有石膏樣本的初凝時間變化趨勢

分析建筑石膏初凝時間的變化趨勢，發現建筑石膏凝結時間雖然受到外界環境的影響，但是由于石膏初凝時間比較短，石膏初凝時間的檢測需要在標準稠度需水量條件下完成，而石膏標準稠度需水量往往在70%以上，尤其是磷石膏，由于磷石膏結晶粗大，均勻，多呈板狀、長寬比為23∶1[4]，較大的標準稠度需水量很快吸收了進廠石膏自身的溫度，而不至于引起檢測用水溫度升高。β-CaSO4·0.5H2O的溶解時間只有幾十秒，此時在室溫20℃條件下HH以CaSO4計其溶解度達到7g/l，而較大的溶解度相對DH而言已經過飽和，此時DH的溶解度僅為2.05 g/l，短時間內快速析出DH晶體,這個溶解析晶的過程主要受到HH含量的影響，即使石膏自身溫度引起攪拌用水溫度略微升高，也只能加速HH和ⅢA的溶解速度，但不能對初凝時間有明顯促進或者延緩。

根據上述分析可知，建筑石膏的初凝時間主要與石膏自身的物相組成有關，石膏自身溫度與石膏初凝時間之間沒有明顯的線性關系，原因可能與石膏的標準稠度需水量過高有關，同時不同種類的石膏均符合這個規律。

實際上，過去的研究指出純的HH相的初凝時間為2.83 min[5]，這比試驗檢測的初凝時間還要短，盡管磷石膏的煅燒過程降低了部分可溶性磷酸鹽等雜質的含量，但是其含有的不溶性雜質如石英、未分解的磷礦石、有機質、其他不溶性磷酸鹽等依然在磷石膏轉化為建筑石膏后，減慢石膏的溶解速度，尤其是有機物，最終影響建筑石膏凝結時間和強度[6]。石膏的煅燒過程并不能對這部分雜質產生影響，外界環境溫度也不能對其產生作用，因此影響石膏初凝時間的決定性因素依然是建筑石膏自身的物相組成，這可能是進廠溫度與初凝時間相關性差的根本原因。

5 結論

（1）進廠石膏溫度與初凝時間之間沒有明顯的相關性，可能的原因是石膏標準稠度需水量較高。

（2）進廠石膏溫度與抗裂性之間有較顯著的關聯性，進廠石膏溫度越高，石膏開裂的風險越大，尤其在磷石膏中表現明顯。

（3）脫硫石膏的抗裂方式以明顯開裂為主，磷石膏的抗裂方式以輕微開裂為主。

（4）進廠溫度保持穩定的石膏基本不存在開裂的風險。

（5）石膏抗壓強度與進廠溫度之間存在關聯性，隨著進廠石膏溫度的升高，石膏抗壓強度下降的風險在逐步增加。

（6）外界環境溫度與進廠石膏溫度之間沒有顯著的關聯性，進廠石膏溫度主要受其自身溫度的影響。