不同缓凝剂对β-半水石膏水化-结晶过程的调控机制及性能影响研究

为解决磷石膏(Phosphogypsum, PG)资源化利用中β-半水石膏(β-HH)凝结时间过短的问题，中国盐业安徽红四方团队系统研究了小麦水解蛋白(GEM)、羧甲基纤维素钠(CMC-Na)、硼砂和焦磷酸钠(STPP)四种缓凝剂对β-HH水化特性、晶体形貌及力学性能的影响。研究发现CMC-Na通过显著降低溶剂可及表面积(SASA)与Ca2+ 强相互作用，最有效延长凝结时间，但所有缓凝剂均导致石膏强度下降。该研究为工业固废高值化利用提供了理论支撑。

　　

在"双碳"战略背景下，工业固废资源化利用成为材料科学领域的研究热点。磷石膏(PG)作为磷酸工业副产物，全球堆存量已超70亿吨，其大量堆积不仅侵占土地，更会引发重金属污染和酸性废水渗漏等环境问题。尽管PG经180℃煅烧可转化为建筑用β-半水石膏(β-HH)，但其5-10分钟的短暂凝结时间严重制约施工应用。传统单一缓凝剂存在效率低、强度损失大等问题，亟需开发多功效缓凝体系。

中国盐业安徽红四方有限公司的研究团队在《Materials Today Communications》发表研究，通过多尺度表征技术揭示了四种缓凝剂对β-HH水化-结晶过程的调控机制。研究采用等温量热法(TAM Air)监测水化放热，结合X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)分析晶体演变，并运用分子动力学模拟(LAMMPS)计算缓凝剂-Ca²⁺
相互作用。实验选用未处理的PG为原料，通过激光粒度分析(Bettersize2000LD)确认β-HH粒径分布(1-150μm占比85%)，X射线荧光光谱(XRF)显示其主要成分为CaSO₄
·0.5H₂
O。

标准稠度用水量
研究发现STPP可降低石膏标准稠度用水量，而CMC-Na和GEM呈现先增后减趋势。这种差异源于缓凝剂分子结构：STPP的PO₄
^3-
基团通过静电排斥改善颗粒分散性，而CMC-Na的长链结构初期增加体系粘度。

凝结时间调控
CMC-Na表现出最强缓凝效果，添加0.1%时初凝时间延长至48分钟，远超硼砂(22分钟)和GEM(18分钟)。分子动力学模拟显示CMC-Na的羧甲基与Ca²⁺
结合使SASA值降低37.5%，有效阻碍离子迁移。

力学性能变化
所有缓凝剂均导致抗压强度下降，CMC-Na组7天强度损失达42%。XPS分析表明缓凝剂吸附在DH晶体(二水石膏)表面，阻碍了晶体间机械啮合作用。

晶体形貌演变
SEM观测显示，对照组形成典型针状DH晶体，而缓凝剂促使晶体短粗化。CMC-Na组晶体长径比降低62%，这种各向异性生长抑制源于分子在特定晶面的选择性吸附。

吸水率变化
缓凝剂含量增加导致吸水率上升，CMC-Na组最高达28.7%。FTIR证实缓凝剂羟基与石膏结合水形成氢键，破坏了DH晶体的致密结构。

该研究通过多学科交叉方法系统阐释了缓凝剂"吸附-抑制-重构"的作用机制：首先，缓凝剂通过官能团(C=O, -PO₄
)与Ca²⁺
配位延缓溶解-沉淀平衡；其次，分子空间位阻改变离子过饱和度，诱导晶体异向生长；最终形成缺陷较多的多孔结构。研究创新性地建立SASA值与缓凝效率的定量关系，为智能缓凝剂设计提供新思路。团队建议工业应用中采用CMC-Na(0.05-0.075%)与STPP(0.2%)复配，可在保证施工性能的同时控制强度损失。这项研究不仅推动PG在3D打印建材等领域的应用，其揭示的离子-分子相互作用规律对水泥、陶瓷等胶凝材料开发也具有借鉴意义。