赵守佳，徐炉兵，李素巧，李广涛
（1.山东天盛纤维素股份有限公司，山东菏泽 274051；
2.青青源公司兴义生产基地，贵州兴义 562400）
轻质抹灰石膏由于施工简便，与基层粘结力强、无空鼓、无开裂[1]，减少施工后期的返工和维修作业，节约材料，低碳绿色等特点得到了良好的应用效果，受到房地产开发商的欢迎。加上隔声防火、调节居住环境的湿度，提高建筑的舒适度，深受住户和使用者的青睐。
我国的抹灰石膏大多采用化学石膏。化学石膏的综合利用可以减少SO2、CO2的排放量，减少能源的消耗，具有明显的生态环保优势，为“双碳”目标的实现做贡献。
尽管众多学者从不同角度对影响轻质抹灰石膏砂浆性能的因素、制备方法及性能进行了研究[2-5]，但是新的建筑材料（蒸压加气混凝土砌块、ALC 板）和施工方式（铝模板现浇混凝土、装配式建筑）的涌现，抹灰石膏施工方式（机喷施工）和施工工人主体的改变，对轻质抹灰石膏提出了更多、更苛刻的要求，如薄层施工不掉粉、脱粉，涂布率由130 m2/cm 升至160 m2/cm，甚至190 m2/cm，抹灰石膏层表面光滑整洁等。
本文以建筑石膏为主要胶凝材料，重点研究了玻化微珠种类、建筑石膏种类，纤维素醚种类及黏度、缓凝剂用量和普硅水泥用量对轻质抹灰石膏砂浆施工性、涂布率和强度的影响，以期为制备涂布率达190 m2/cm 及以上，且施工顺畅的轻质抹灰石膏提供科学有效的技术依据。
1.1 原材料
建筑石膏：山东鲁润生产；
对比用建筑石膏：分别来自于江西亿彩、山东聊城，其物理性能见表1。
表1 试验用建筑石膏的物理性能
纤维素醚：天盛纤维素股份有限公司生产，分别为纯HEMC、纯HPMC 和EH 系列纤维素醚，均为白色至浅黄色粉末，堆积密度250~550 kg/m3，其中EH 系列纤维素醚是一种憎水化学改性、高取代度的HEMC，适合于石膏基和水泥基轻质砂浆的制备。纤维素醚的技术指标见表2。
表2 纤维素醚的技术指标
膨胀珍珠岩：粒径70~90 目，参考JC/T 1042—2007《膨胀玻化微珠》进行性能测试，结果见表3。
表3 膨胀珍珠岩的物理性能
缓凝剂：Sika 200P，浅黄色粉末，属于改性氨基酸类化合物，西卡（中国）有限公司；
触变剂：Bentonitex GS 纳米改性膨润土，由北京稀德玛新材料科技公司提供；
引气剂：AOS（α-烯烃磺酸钠），印度Winways 公司生产，广东佛山清远新材料公司提供。
1.2 试验配方
轻质抹灰石膏的试验配方如表4。
表4 轻质抹灰石膏的试验配方g
1.3 试验方法
（1）轻质抹灰石膏的标准扩散度用水量、凝结时间、保水率、抗折抗压强度和粘结强度按GB/T 28627—2023《抹灰石膏》的规定进行测试。
（2）湿密度：按标准扩展度用水量制备轻质抹灰石膏浆料，装入预先用拧干的湿毛巾擦拭过的100 mL 不锈钢柱状容器中，用抹灰刀轻捣几次，除去浆料中的气泡，并将容器上部多余的浆料刮去，用湿毛巾擦去多余的浆料，称重即可。
轻质抹灰石膏的涂布率按式（1）进行计算：
式中：C——轻质抹灰石膏的涂布率，m2/cm；
W——标准扩展度的用水量；
D——轻质抹灰石膏与水拌合好的浆料湿密度，g/L。
（3）抗裂性：按标准扩展度用水量制备轻质抹灰石膏浆料。在水平放置的石膏板上放楔形模框，将轻质抹灰石膏浆料填充到模框内，用抹刀将多余的浆料刮去，抹平试件表面，形成一个楔形状试件。将制备好的试件立刻放入初期干燥抗开裂仪中，用2 m/s 的风速对试件吹风16 h，观察试件2 mm 厚度以下部位有无裂纹。
（4）气泡稳定性：观察拌合好的轻质抹灰石膏浆料的表观细腻程度，测量湿密度。将浆料堆放在石膏板上，用抹刀刮抹1次，观察抹灰石膏层的表观。将拌合好的浆料放置40 min，再观察浆料的表观，测量湿密度，观察刮抹1 次抹灰石膏层的表观。
2.1 轻质抹灰石膏中纤维素醚种类的选择
固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（水泥）∶m（重钙粉）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（缓凝剂）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（纤维素醚）=880∶20∶20∶80∶0.4∶5.0∶0.10∶3.0，改变纤维素醚的种类，其余相同。纤维素醚种类对轻质抹灰石膏性能的影响见表5。
表5 纤维素醚种类对轻质抹灰石膏性能的影响
纤维素醚是天然高分子聚合物，分子链中含有羟基、羟乙基等亲水基团，甲基、葡萄糖单元等憎水基团等，具有表面活性剂的性质。当纤维素醚溶于水中，分子就在气液或气固界面上聚集，从而大大降低体系的表面张力，也即减少了气泡形成所需的能量，在抹灰石膏与水拌合过程中，便于气泡的生成。不同类型的纤维素醚引气能力不同。由表5 可见，3 种纤维素醚的引气能力顺序为：EH 系列＞纯HEMC 系列＞纯HPMC 系列，相应的轻质抹灰石膏的湿密度逐渐变小。
轻质抹灰石膏加水搅拌后制得抹灰石膏浆料，湿砂浆静置40 min 后，使用纯HPMC 系列纤维素醚会出现轻微“发糟”，静置40 min 时施工性稍变差。使用纯HEMC 系列纤维素醚制备的轻质抹灰石膏的湿砂浆静置40 min 后出现明显“发糟”，静置40 min 时施工性明显变差。把抹灰石膏刮抹在基层上，抹灰石膏层中有许多气孔，但是几次刮抹后，仍可以得到表面光滑的抹灰石膏层。关于“发糟”原因，与轻质抹灰石膏浆料的组成有关，抹灰石膏浆料自身稳泡能力不足，导致“微泡并小泡、小泡并大泡”，表观上就是抹灰石膏浆料呈“马蜂窝”状。
与HPMC、HEMC 系列纤维素醚相比，EH 系列纤维素醚制备的轻质抹灰石膏砂浆湿密度最小。加水搅拌完成的轻质抹灰石膏的湿砂浆静置40 min 后未出现“发糟”现象，仍施工顺滑，得到的抹灰石膏层表面光洁，致密，仅有极少量气泡。也就是说，添加EH 系列纤维素醚的轻质抹灰石膏可操作时间明显偏长，而湿砂浆可操作时间过短时会影响正常的涂抹施工。EH 系列纤维素醚分子中引入了长链烷基，葡萄糖单元上的侧链是寡聚的聚氧化乙烯醚一元醇，可在气泡表面/界面形成一层弹性膜，这层弹性膜弹性和强度高，大大降低气泡碰撞并泡的机会，气泡难于破裂或并泡；
同时由于纤维素醚的增稠作用，气泡间的液体排除缓慢，最终在抹灰石膏浆料中形成均匀分布的微小气泡并保持稳定（见图1）。这是EH 系列纤维素醚在轻质抹灰石膏中引气多同时稳泡好的原因。
图1 EH 纤维素醚气泡形成和稳定的示意
轻质抹灰石膏砂浆在施工应用时，遇大风天气容易出现开裂。抹灰石膏的抗裂性试验结果表明，3 种纤维素醚制备的轻质抹灰石膏层经风吹后没有发现裂纹。一方面，纤维素醚具有良好的保水性，能够使建筑石膏充分水化，建筑石膏自身建立强度；
另一方面，纤维素醚对建筑石膏之间以及填料间形成有效粘结，提高了建筑石膏晶体与填料间的内聚力，提高了抹灰石膏的强度。
EH 纤维素醚的引气产生大量微小气泡，在抹灰石膏浆料中起到“滚珠”作用，同时大量的气泡存在增加了湿砂浆的体积和屈服应力，因此新拌砂浆的施工性和抗下垂性提高。
根据以上试验结果，选择EH 系列纤维素醚制备轻质抹灰石膏。
2.2 EH 系列纤维素醚黏度对轻质抹灰石膏性能的影响
EH 系列纤维素醚在轻质抹灰石膏中起到保水、增稠、引气和稳定气泡的作用，同时包裹颗粒物料，增加体系的内聚力，这些作用与纤维素醚的黏度有关。固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（水泥）∶m（重钙粉）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（缓凝剂）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（EH 纤维素醚）=880∶20∶20∶80∶0.2∶5.0∶0.10∶3.0，仅改变纤维素醚的黏度，其余相同。纤维素醚黏度对轻质抹灰石膏性能的影响见表6。
表6 纤维素醚黏度对轻质抹灰砂浆性能的影响
由表6 可知，随着纤维素醚黏度的增加，轻质抹灰石膏标准扩展度用水量逐渐增加，同时高黏度的纤维素醚的引气能力更强，相应的抹灰石膏的湿密度降低，抹灰石膏的涂布率逐渐升高。由于纤维素醚的引气能力，导致抹灰石膏浆料中小气泡增多，水分扩散的面积增加，抹灰石膏的保水率随着纤维素醚黏度的增加而降低。当纤维素醚的黏度为121 000 mPa·s时，抹灰石膏的加水量最大，但是湿密度升高，导致涂布率降低，抹灰石膏的强度不能符合GB/T 28627—2023 的要求。由于抹灰石膏层上有气泡，所以不使用黏度为121 000 mPa·s的EH 纤维素醚进行后续试验。综合考虑，EH 纤维素醚黏度以44 000~60 000 mPa·s 为宜，后续试验均使用黏度为50 000 mPa·s 的EH 纤维素醚。
2.3 缓凝剂用量对抹灰石膏性能的影响
抹灰石膏层的开裂与抹灰石膏的强度密切相关，强度高，开裂的风险就少。建筑石膏与水凝结速度快，当制成抹灰石膏时，必须加入合适的缓凝剂，以延长抹灰石膏的凝结时间，为抹灰石膏的施工提供足够的可操作时间。合适的缓凝剂应当具有以下条件：（1）抹灰石膏凝结时间的延长与缓凝剂的用量呈线性关系，而不是指数关系，以免由于建筑石膏凝结时间的差异导致在同样掺量缓凝剂条件下，凝结时间的延长呈指数增长。（2）抹灰石膏初凝和终凝时间的间隔短。抹灰石膏的初凝时间控制抹灰石膏浆料的可操作时间，而抹灰石膏的终凝时间是可以进行下道工序施工开始的时间。因此，初凝和终凝时间间隔的变小有利于施工效率的提高，缩短施工时间。（3）缓凝剂对抹灰石膏的强度影响小。凝结时间延长是以抹灰石膏强度的降低为代价，如果缓凝剂的加入能够延长抹灰石膏的凝结时间，但是降低抹灰石膏强度的幅度小，将会降低抹灰石膏层开裂的风险。
抹灰石膏的常用缓凝剂为无机盐、有机酸和蛋白质类，以蛋白质类效果为最好。固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（水泥）∶m（重钙粉）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（纤维素醚）=880∶20∶20∶80∶5.0∶0.10∶3.0，仅改变缓凝剂的用量，其余相同。氨基酸类缓凝剂用量对轻质抹灰石膏性能的影响见表7。
表7 缓凝剂用量对轻质抹灰砂浆性能的影响
由表7 可知，缓凝剂用量对抹灰石膏用水量、保水率和涂布率影响较小，但是，随着缓凝剂用量的减小，抹灰石膏的初凝和终凝时间缩短，而强度逐渐提高。当缓凝剂用量为0.020%时，抹灰石膏的物理性能符合GB/T 28627—2023 的技术要求。因此，缓凝剂的用量选择为0.015%~0.020%。
2.4 水泥用量对抹灰石膏性能的影响
抹灰石膏在实际应用时，现场施工条件有时苛刻，如风速大、环境温度高、基层吸水率大、基层吸水速度快，使得抹灰石膏层容易开裂。为降低抹灰石膏层开裂的几率，常在抹灰石膏配方中加入灰钙粉或水泥。固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（纤维素醚）=880∶80∶5.0∶0.12∶3.0。调节水泥的用量，同时改变重钙粉的用量，通过调节缓凝剂的用量，使轻质抹灰石膏的凝结时间相近，其余相同。水泥用量对抹灰石膏性能的影响见表8。
表8 水泥用量对轻质抹灰石膏性能的影响
由表8 可知，和不加水泥的抹灰石膏相比，抹灰石膏的标准扩展度用水量稍有降低，这是因为水泥破坏了建筑石膏的结晶性。
在轻质抹灰石膏中加入水泥，抹灰石膏不仅在塑化阶段强度提高，而且最终的强度也会提高。一是由于水泥中含有钙离子，是建筑石膏的促凝剂；
二是水泥中的铝酸三钙和建筑石膏反应形成钙矾石，使二水石膏晶体间的范德华力转化为化学键，不同石膏晶体间的牢固程度极大增加；
三是硅酸三钙和硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶，填充在二水石膏晶体的空隙中，提高了抹灰石膏体系的密实度。
调节缓凝剂的用量，使不同水泥用量的抹灰石膏初凝时间相同，测试不同抹灰石膏体系的放热峰。发现，添加水泥的轻质抹灰石膏放热峰比不加水泥时出现早，减少了轻质抹灰石膏层开裂的可能。从另一个角度证明，添加水泥时，抹灰石膏在塑性阶段的强度会上升得快。
水泥用量小，水泥的水化成分分布在二水石膏中，没有相连形成网状结构，因此水泥的添加并不影响抹灰石膏的收缩率，总的来讲，添加少量水泥的抹灰石膏是膨胀的。
从试验结果看，添加水泥会改善轻质抹灰石膏的性能，用量以2%~4%为宜。
2.5 不同来源的建筑石膏和膨胀珍珠岩
对轻质抹灰石膏性能的影响
轻质抹灰石膏的主要原材料是建筑石膏和膨胀珍珠岩，要生产出施工性好、涂布率好、抹灰石膏层表面平整的轻质抹灰石膏，建筑石膏和膨胀珍珠岩及其他助剂需要相容性好。
2.5.1 建筑石膏来源对轻质抹灰石膏性能的影响
固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（水泥）∶m（重钙粉）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（缓凝剂）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（纤维素醚）=880∶20∶20∶80∶0.20∶5.0∶0.10∶3.0。仅改变建筑石膏的产地，其余相同。建筑石膏来源对轻质抹灰石膏性能的影响见表9。
表9 不同来源建筑石膏对轻质抹灰石膏性能的影响
山东的建筑石膏是以脱硫石膏为原材料，而江西的建筑石膏是以磷石膏为原材料，由表9 可知，使用磷建筑石膏制备高涂布率的轻质抹灰石膏不可行，不仅涂布率低，而且抗压强度和粘结强度不符合GB/T 28627—2023 的要求。因此，生产高涂布率轻质抹灰石膏应使用脱硫建筑石膏。
2.5.2 膨胀珍珠岩来源对轻质抹灰石膏性能的影响
珍珠岩经过高温膨胀后均称为膨胀珍珠岩，表面封闭、内部中空的球形，颗粒大小窄的称为玻化微珠，市场上供应的多是开孔的膨胀珍珠岩。开孔和闭孔的膨胀珍珠岩在轻质抹灰石膏的生产中各有优势，开孔的产品表面不规整，粒径分布宽，更有利于保证抗下垂性；
而闭孔产品施工轻滑，不易粘刀，但由于粒径分布窄，表面规整，抹灰石膏的抗下垂性差。
固定轻质抹灰石膏配比（g）为：m（建筑石膏）∶m（水泥）∶m（重钙粉）∶m（膨胀珍珠岩）∶m（缓凝剂）∶m（触变剂）∶m（引气剂）∶m（纤维素醚）=880∶20∶20∶80∶0.20∶5.0∶0.08∶3.0。仅改变膨胀珍珠岩来源，其余相同。膨胀珍珠岩来源对轻质抹灰石膏性能的影响见表10。
表10 不同来源膨胀珍珠岩对轻质抹灰石膏性能的影响
由表10 可知，3 种膨胀珍珠岩制备的轻质抹灰石膏的物理性能符合GB/T 28627—2023 的要求，施工顺滑，但是随着膨胀珍珠岩的堆积密度的增大，轻质抹灰石膏的涂布率逐渐减小。因此，当生产涂布率为190 m2/cm 时，应当使用堆积密度低于80 kg/m3的膨胀珍珠岩。
要生产出高涂布率、性价比高、工作性能好的轻质抹灰石膏，不仅要控制建筑石膏、膨胀珍珠岩和其他助剂的质量，还要从合理的配比、施工工艺等方面进行优化。通过系统研究，对轻质抹灰石膏砂浆配比进行优化，确定各组分适宜掺量：建筑石膏88%~90%，普硅水泥2%~4%，膨胀珍珠岩8.0%，采用EH 纤维素醚，控制其黏度为50 000 mPa·s 左右，掺量约为0.30%。按照确定的配比，制得的轻质抹灰石膏砂浆涂布率在190 m2/cm 以上，物理性能符合GB/T 28627—2023中轻质底层抹灰石膏砂浆指标要求。对制备的轻质抹灰石膏砂浆进行试应用，施工过程发现，该轻质抹灰石膏砂浆具有优良的施工性能，且硬化后的石膏砂浆层表面光洁，可节约后续施工中的界面剂和建筑腻子的消耗量。
（1）生产高涂布率的轻质抹灰石膏应当选择脱硫建筑石膏和低堆积密度的膨胀珍珠岩。
（2）EH 纤维素醚能具有保水、增稠、引气功能和良好的气泡稳定性，为生产高涂布率的轻质抹灰石膏提供了可能。从施工和物理性能综合考虑，EH 纤维素醚的黏度宜为50 000 mPa·s，在轻质抹灰石膏中的用量为0.30%左右。
（3）氨基酸类缓凝剂能明显延长轻质抹灰石膏砂浆的凝结时间，给轻质抹灰石膏提供足够的可操作时间，在保证轻质抹灰石膏物理性能的条件下，用量宜为0.015%~0.020%。
（4）普硅水泥能给轻质抹灰石膏提供好的塑性强度和最终强度，减少抹灰石膏层开裂的风险，用量宜为2%~4%。
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