一种超强石膏材料-瓷艺石及其制备方法

摘要

一种超强石膏材料-瓷艺石及其制备方法，所述瓷艺石由以下质量百分配比的原料制成：石膏粉，白水泥3-5％，水60-70％；白水泥、水的百分数以石膏粉重量为基准：AJ-01添加剂0.5-1.2％，AZ-02添加剂0.1-0.5％，AQ-03添加剂1-2％，AF-04添加剂0.5-1.2％，消泡剂0.02-0.2％；AJ-01添加剂、AZ-02添加剂、AQ-03添加剂、AF-04添加剂、消泡剂的百分数以水重量为基准。本发明还包括所述超强石膏材料-瓷艺石的制备方法。本发明通过在石膏制品制作过程中加入多种添加剂，使石膏的材性得到大幅提升，从而制造出超高强度石膏材料，本发明可以生产各类石膏制品。

说明书

技术领域

本发明涉及一种石膏材料及其制备方法，具体涉及一种超强石膏材料-瓷艺石及其制备方法。

背景技术

目前，市场上常用的建筑石膏即半水石膏普遍存在的主要问题是水膏比大，水化结晶后其内部组织中晶格松散，孔隙多，吸水率大，在潮湿的环境中强度保持率低，易变形等。这些缺陷严重制约着石膏制品产业的发展。

为此，许多石膏领域的专家、学者在石膏添加剂方面作了大量的研究和探索，也取得了许多方面的成果，使石膏制品的品质得到了一定的提高，但在石膏硬化体形成的机理、分子结构、结晶过程、晶格分布、形状、大小以及它们之间的相互联系，相互影响等方面缺乏系统性的研究，所以始终未能形成实质性的突破。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种超强石膏材料-瓷艺石及其制备方法。

针对现有石膏制品所存在的缺陷，从石膏的水化结晶机制和晶格形成的结构特性出发，经过深入的研究和反复的科学试验，研制出一种能有效提高石膏制品的硬度、抗压强度、抗折强度以及防水性能等综合技术指标的新型石膏材料。它是通过在普通半水石膏中按一定的工艺方法，掺加一定比例的外加剂而达到提高石膏综合强度的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超强石膏材料-瓷艺石，由以下质量百分配比的原料制成：

石膏粉，白水泥3-5％，水60-70％，其中，所述白水泥、水的百分数以石膏粉重量为基准：

AJ-01添加剂0.5-1.2％，AZ-02添加剂0.1-0.5％，AQ-03添加剂1-2％，AF-04添加剂0.5-1.2％，消泡剂0.02-0.20％，其中，AJ-01添加剂、AZ-02添加剂、AQ-03添加剂、AF-04添加剂、消泡剂的百分数以水重量为基准；

所述AJ-01添加剂为磺化三聚氰胺甲醛树脂；

所述AZ-02添加剂为大分子类界面改良剂(如十二烷基苯磺酸钠)；

所述AQ-03添加剂为胶凝剂(聚乙烯醇)；

所述AF-04添加剂为有机硅树脂聚合物。

进一步，所述AJ-01添加剂、AZ-02添加剂、AQ-03添加剂、AF-04添加剂、消泡剂的总掺量≤水重量4.35％。

所述超强石膏材料-瓷艺石的制备方法，包括以下步骤：

(1)在石膏粉中加入相当于石膏粉重量3-5％的白水泥，混合均匀；

(2)量取相当于石膏粉重量60-70％的水，然后称取相当于水重量0.5-1.2％的AJ-01添加剂和1-2％的AQ-03添加剂，倒入装有水的容器中，搅拌使其溶解，形成搅拌溶液；

(3)在搅拌溶液中加入相当于水重量0.1-0.5％的AZ-02添加剂、0.5-1.2％的AF-04添加剂、0.02-0.20％的消泡剂，以及石膏粉和白水泥的混合物，搅拌均匀，得石膏浆料后，制成石膏制品。

进一步，所述AJ-01添加剂、AZ-02添加剂、AQ-03添加剂、AF-04添加剂、消泡剂的总掺量≤水重量4.35％。

本发明所用AJ-01添加剂是一种有减水功效的阴离子表面活性剂，其作用机理是：降低石膏的水化速度，增加晶体数量，细化晶体。

普通建筑石膏的水化速度很快，4-6分钟水化率达到35％左右，14-18分钟水化率达到90％以上。这样饱和的石膏浆体结晶时析出的水就较少，提供给未结晶部分的石膏水化的水相对就少，严重地影响到后面的结晶质量和晶体形状的形成及发展。研究实践表明，AJ-01添加剂能有效控制石膏浆体的水化速度，促进硬化体结晶时水的析出，使晶体之间的塔接密实，晶格结点增多，晶体之间空隙减少，孔径分布变窄，从而使石膏硬化体的强度增加。

表1AJ-01添加剂加入后改变水用量对石膏制品强度的影响

用水量(％) 80 70 60 50 40 30 抗折强度(MPa) 1.8 2.9 3.8 4.3 4.7 5.2 抗压强度(MPa) 2.5 3.7 4.3 5.2 5.8 6.3

由表1和图1可知，在AJ-01添加剂的作用下，随着用水量的逐步减少，石膏制品的抗折强度和抗压强度均有明显的提高。但是，如果一味减少用水量将使石膏浆料变稠而失去流动性，无法满足操作工艺的需要，AJ-01添加剂的特点是在保持浆体稠度不变和较好流动性的前提下，可适量的减少用水量。

本发明所用AZ-02添加剂具有改变晶体形状和大小的作用，其作用机理是：改变晶体生长环境，优化晶体发展形状。

半水石膏转变为二水结晶体的水化过程中，晶体的生长实质上是指晶面在单位时间内向外平行扩展和推移的距离，各个晶面的相对生长速度决定晶体的外部形态，同时也可以随着生长环境的改变而改变，研究实践表明，AZ-02添加剂能改变晶体生长环境以改变晶体生长速度和发展形态。

石膏浆体中加入AZ-02添加剂以后，能使半水硫酸钙的溶解、二水硫酸钙晶核的析出及生长过程在较大的过饱和环境中发生，使石膏硬化体在晶体生长发育过程按照所要求的晶体形状和晶格结构发展，形成致密的针状或柱状晶体，使石膏制品的内部结构达到最优化的状态。

本发明所用AQ-03添加剂对提高石膏材料的综合强度有利，其作用机理是：粘结晶格断键，产生表面护膜，增强硬化体塑性。

二水石膏硬化体中晶体各晶格之间是交错无层次的排列，在晶格与晶格或各细小的晶体之间由于它们自身的碰障、挤压，使之存在大量的断裂或破损现象，同时也存在大量的间隙，石膏制品在其干燥后，由于水分子的蒸发而使其内部存在大量的空洞，这些缺陷的存在对石膏制品的抗折强度和防水性能有严重的影响。

研究实践表明，在半水石膏水化过程中，利用AQ-03添加剂能使断裂或相邻的晶体有效的相互粘接起来，增强晶格之间的牢固度，以达到提高石膏制品抗折强度的目的。同时，AQ-03添加剂还能在晶体表面形成一层具有憎水性和塑性的薄膜包裹在晶体表面或堵塞那些细微的小孔，阻止水分子的渗入，有效的提高石膏制品的耐水性和塑性，减少其碎裂现象。

表2AQ-03添加剂对石膏材料性能的影响

从表2和图2可知，随着AQ-03添加剂量的增加，试样的显气孔率、吸湿率显著降低，抗折强度和吸湿后强度均有所提高。同时，AQ-03添加剂中有一种湿强材料，在石膏水化过程中能吸附在石膏内部结构的结晶接触点及细微的网格中发生聚合反应，生成的聚合物环绕在二水石膏的晶体周围，提高浆体的实密度，从而使其抗折强度、表面硬度及耐磨性有明显提高。同时，这种聚合物是具有一定韧性的硬质凝胶，改善二水石膏自身的脆性而增加石膏制品的表面硬度和耐磨性。

本发明所用AF-04添加剂在石膏材料内部形成一种网状分布的硅树脂膜，其作用机理是：在二水膏硬化体晶体表面形成具有渗透性的憎水性物质，阻碍水分子对石膏硬化体的浸蚀。

研究实践表明，AF-04添加剂和白色硅酸钙水泥(用量为石膏粉重量的4％)同时掺入到石膏浆体中搅拌均匀，它们发生化学反应，生成一种能渗透到石膏硬化体当中去的憎水型物质。当外部温湿度大，分水被吸附在石膏硬化体表面时，由于憎水物质和水分表面张力的共同作用，有效地阻挡毛细孔的吸附，使外面的水分子很难渗透到石膏硬化体内部，这样很大程度地保持石膏制品原有的强度不受损失。

本发明从半水石膏水化、结晶过程中的相组成、晶体相貌特征、流变性、晶核生长和晶格结构力学等几方面入手，通过掺加不同量的组合型添加剂，从多个角度对石膏基材进行改良，使半水石膏在整个水化过程中同时受到多种、高效、多功能复合添加剂的作用，以此来提高石膏制品的强度。

本发明通过在石膏制品制作过程中加入多种添加剂，使石膏的材性得到大幅提升，从而制造出超高强度石膏材料，本发明可以生产各类石膏制品。

附图说明

图1为加入AJ-01添加剂后用水量对石膏强度影响的曲线图；

图2为AQ-03添加剂对石膏材料性能影响的曲线图；

图3为添加剂掺量对石膏材料性能影响的柱状图；

图4为本发明瓷艺石与几种常用石膏材料性能对比的柱状图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例

所用材料名称及用量配方见表3。

表3原材料配方表(g)

材料名称 试样1 试样2 试样3 试样4 试样5 试样6 石膏粉 1000 1000 1000 1000 1000 1000 白水泥 0 40 40 40 40 40 水 650 650 650 650 650 650 AJ-01 0 3.25 4.38 5.5 6.65 7.8 AZ-02 0 0.65 1.3 1.95 2.6 3.25 AQ-03 0 6.5 8.13 9.75 11.4 13 AF-04 0 3.25 4.38 5.5 6.65 7.8 消泡剂 0 0.13 0.42 0.715 1 1.3 添加剂总量 0 13.78 18.61 23.42 28.3 33.15

所述AJ-01添加剂为磺化三聚氰胺甲醛树脂，AZ-02添加剂为十二烷基苯磺酸钠，AQ-03添加剂为聚乙烯醇，AF-04添加剂为有机硅树脂聚合物。

制备方法：

按表3配方称取石膏粉1000克、白水泥40克，混合均匀；

按表3配方量取水650克，再称取AJ-01添加剂和AQ-03添加剂，倒入装有水的容器中，搅拌使其溶解，形成搅拌溶液；

在搅拌溶液中加入AZ-02添加剂、AF-04添加剂、消泡剂，以及石膏粉和白水泥的混合物，搅拌均匀，得石膏浆料后，制成石膏制品，如用三联模浇注。

检测仪器：标稠量筒为内径50±0.1mm、高度100±0.1mm的不锈钢筒体、玻璃板、玻璃量筒、电子秤、搅拌容器、搅拌器、三联模40*40*160mm、烘箱、小水池、液压折弯测试仪、液压压力测试仪等，均符合GB/T17669.-1999标准。

1.标稠度的检测

称取建筑石膏粉若干份，分别用水和掺加了四种添加剂的溶液做标稠实验，测试出在相同石膏饼径下的不同用水量即为该溶液配比条件下的标稠。

具体操作步骤：称取5份石膏粉300g，12g的白水泥5份，不同量的清水5份(180-210g)及相应比的添加剂，按上述步聚制成5份石膏浆料，分别倒入稠度仪筒体内，刮去溢浆，保持浆面与筒体上端面平齐。50s时(从石膏粉入水时计起)，垂直快速提起筒体，测定料浆扩展成的试样饼两个垂直方向上的直径，求取算术平均值。

记录各不同溶液用量下试饼直径等于180±5mm时的用水量，该量与石膏粉质量的比值即为该溶液下石膏粉的标准稠度。

结果表明，随着添加剂掺量的增加试样的标稠变化不大。

2.凝结时间的检测

利用标稠测试中的试样饼，采用“划痕法”的方法测定初凝及终凝时间。

结果表明，随着添加剂掺量的增加，试样的凝结时间延长。

3.抗折強度及抗压強度的测试

按GB/T17669.3-1999中4.3制备试件。

按三联模容量及上述标稠重新称取石膏和量取溶液，按石膏检测标准拌和浆料后，将浆料倒入尺寸为40*40*160mm的三联模中，抖动几下，刮平溢浆，作好标记，试样终凝后脱模，放入烘箱，让其在50±5℃的环境中烘干，然后取出自然冷却至室温。

在液压折弯测试仪和液压压力测试仪上，分别测试每组三个试样的抗折强度和杭压强度，读取数据后，计算其算术平均值即为该试样的抗折或抗压强度。

4.吸水率的检测

利用上述试样，将其称取质量(G₁)后放入温度为25±5℃的小水池中，试件距水面30mm，且不紧贴底部，经2h后，取出试件，用饱和面干的湿布拭去试件表面水分，称取浸泡后试件质量(G₂)，按照公式(1)计算试件的吸水率W。

W＝(G₂-G₁)/(G₂)*100％.............(1)

测试结果见表4和图3。

表4添加剂总量不同对石膏性能的影响

从测试结果可以看出，随着添加剂的增加，试件的吸水率明显降低，但当添加剂的掺量超过4.35％(以水重量为基准)时，试件的终凝时延长过大，且强度开始下降。所以，添加剂的总掺量应控制在4.35％以内比较好。

综上所述，通过在石膏浆体中掺加这四种不同功能的添加剂，可大大提高石膏制品的抗折强度、抗压强度、抗冲击性、防水性、表面硬度及耐磨性，可与瓷质材料和石材相媲美，故取名为“瓷艺石”。

在此，进一步补充本发明瓷艺石与几种常用石膏材料性能的对比表柱状图，具体见表5和图4。

表5瓷艺石与几种常用石膏的性能对比表

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