石膏法提取立体足迹促凝初探1

石膏法提取立体足迹促凝初探
陈振乾
（中国人民公安大学，北京
100038）
摘要：目的：研究硫酸钠等对石膏凝结速度的影响。

方法：在调制石膏浆时添加促凝剂，对
凝结时间进行比较。

结果：硫酸钠等对石膏凝结有较明显的促进作用。

结论：在使用石膏提取立体足迹时，可以选择适当浓度的硫酸钠作为促凝剂。

关键词：立体足迹；石膏制模；促凝剂；适当浓度中图分类号：D918.4
文献标识码：A
文章编号：1671-0541（2010）06-0059-04
2010-10-08
陈振乾（1964-），男，河南平舆人，中国人民公安大学刑事科学技术系教师，主要研究方向：
物证技术教学及相关研究。

本论文系中国人民公安大学校级项目《石膏方法提取立体足迹促凝相关问题研究》的成果，
同时受“北京市教育委员会共建项目建设计划资助”，项目编号：“SYS —100410436”。

2010年第6期（总第115期）
吉林公安高等专科学校学报
Journal of Jilin Public Security Academy
作者简介：收稿日期：立体足迹是农村刑事案件中最常见的痕迹之一，其提取的常规方法就是石膏制模法。

我国幅员辽阔，南北纬度差异很大，尤其是秋、冬的北方气温较低，石膏方法提取立体足迹时凝结时间较长，在一定程度上影响了现场勘查的效率。

凝结促进剂的使用可以大幅提高石膏的固化速度，加快立体足迹的提取速度，进而提高现场勘查的效率，为侦查破案赢得时间。

一、石膏方法提取立体足迹的原理（一）石膏的性质及其凝结的原理
天然矿产石膏又称生石膏，其主要成分为CaSO 4·2H 2O ，质软而脆（莫氏硬度为1.5~2），为微溶于水的白色晶体，密度2.31g~2.33g/cm 3，具有一定的抗压强度（20Kg~60Kg ／cm 2）。

生石膏加热到一定温度（107°C ～170°C ）时会发生脱水而变为熟石膏（半水石膏）：半水石膏(CaSO 4·1／2H 2O)遇水可重新水化生成二水石膏：
在石膏的凝结过程中，随着时间的推移和反应的进行，石膏浆中自由水分子数量减少，浆体变稠。

随着凝结的进行，半水石膏逐渐与水结合成二水石膏并放热，随着反应的进行，热量逐渐积累，温度逐渐升高，反应加快，二水石膏晶体大量生长、交错并形成网状结构，并渐渐变硬而成石膏制品，此过程称为石膏的硬化。

石膏凝结的起始阶段，随着半水石膏与水混合并充分接触，水化反应开始，二水石膏的细微颗粒逐渐形成，总表面积增大并吸附更多水分，石膏浆中自由水分子渐少，浆体稠度增加，导致可塑性渐小，表现为石膏的凝结，是为初凝。

从加水搅拌到初凝的对应时间为初凝时间。

初凝只是石膏硬化过程的一个阶段，随后二水石膏细微颗粒逐渐生长为结晶体，相互交错凝结，其产生的强度随时间推移而渐大，至石膏产生结构强度并完全失去可塑性时称为终凝，从
No.6，2010December ，No.115
基金项目：2（CaSO 4·2H 2O ）
2
1
2CaSO 4
·H 2O +3H 2O CaSO 4·2H 2O
21
23
（β型）CaSO 4·H 2O +
H 2
O 107℃~170℃
加水搅拌到终凝的时间为终凝时间。

（二）石膏硬化的影响因素
从化学反应的影响因素来看，由于石膏与水的结合是一个固——
—液反应，其影响因素主要有以下三个：
1.温度与分子热运动的能量正相关，因此是影响化学反应速度最重要的因素之一，按照范特荷反应速度和温度的近似关系：
ηt=k t+10/k t≈2～4
由此我们可以推测出反应温度对反应速度的大致影响：反应体系的温度每升高10℃，其化学反应速度可以提高到原来的2倍~4倍，取中间值3计算，如果冬夏温差为30℃，则其硬化的速度最高可相差27倍。

但事实并非如此，由于半水石膏水化是一个放热反应，在凝结过程中石膏浆体的温度会升高，从而加快石膏凝结硬化的速度。

因此，石膏凝结的速度会产生变化，使得冬夏提取足迹时的真正时间相差不如推断的那样多，但仍然有较大的差别。

在不影响模型特征反映的情况下，可以考虑提高反应体系的温度以缩短凝结时间，提高勘查效率。

2.浓度均相反应的化学反应速度与相关成分的浓度正相关，固液反应的化学反应速度除与液相成分中参与物质的浓度正相关外，还与固液接触的界面面积正相关，在保证两相充分接触的情况下，与半水石膏的比表面积正相关。

因此，为了保证凝结速度和石膏模型的强度，半水石膏与水的混合比例存在一个较为恰当的比例，理论上应当为恰好完全反应的比例（16∶3，质量比），但实际上从灌注浆体的流动性等综合考虑，国内认为半水石膏与水的质量比以5∶3较为合适。

［1］
3.许多情况下，催化剂起着决定化学反应能否进行的作用。

催化剂通过改变化学反应的活化影响化学反应速度，使其变化极大。

研究发现，部分无机盐可以十分明显地促进石膏的水化凝结，这叫做“促凝”，这些具有“促凝”效果的无机盐类被称为半水石膏的“促凝剂”。

常见的促凝剂有12水硫酸铝钾(俗称明矾)、氯化钠、硫酸钠、氯化镁等。

二、实验设计
（一）设计思路
通过控制一定量半水石膏和水的比例，选择温度变化不大的环境，使用相同当量浓度的几种促凝剂，［2］分别进行石膏凝结实验，记录半水石膏的初凝、终凝时间，进行强度测试，并通过评估选出合适的促凝剂进行下一步测试。

在选择完较为合适的促凝剂后，对其不同浓度的促凝剂的促凝效果进行实验、记录、评价，得出较为合适的促凝浓度。

选取几种较为合适的浓度进行低温测试，以评估其使用价值。

（二）实验方法
1.促凝剂选择室温下，以离子电荷浓度为0.1mol/l作为测试标准，对明矾、硫酸钠、氯化钠、氯化镁进行促凝测试，并用空白实验进行对照，三组平均取值。

2.促凝剂适宜浓度的选择.利用（一）的选择结果，在室温下对其进行不同浓度促凝剂适宜浓度的测试。

选取0.0125mol/l、0.025mol/l、0.05mol/l、0.075mol/l、0.1mol/l、0.2mol/l、0.3mol/l进行测试，再选取临界变化点附近浓度依0.025mol/l作为一个阶梯，上下各选取3个浓度值进行进一步的测试，以便选取最优浓度值。

每种测试取3次实验的平均值进行分析。

3.低温促凝测试选取0℃作为测试温度，先对水、石膏粉冷却24小时，再进行低温促凝测试。

选取（二）中最佳的3种浓度进行测试，验证其促凝效果。

每种测试取3次实验的平均值进行分析。

（三）实验器材和实验材料
实验材料：“新星”牌Ⅱ型牙科石膏（长治市健齿齿科器材有限公司，采用YY0462—2003标准）、促凝剂（氯化镁、明矾、硫酸钠、氯化钠）、自来水。

实验器材：水桶、广口容器、模具、温度计、量筒、天平、钟表。

三、提取操作
（一）实验操作
按照下列步骤进行实验操作：称取促凝剂，溶解促凝剂，调石膏液；灌注石膏液；记录凝结时间；提取模型，晾干保存。

室温操作时，提前24小时将自来水置于桶中，与石膏粉共同置于一个有空调机的房间内，调节空调机，使其温度控制在21℃。

依据实验方案
图1石膏浆中加入不同浓度（mol/l ）硫酸钠的效果比较
表1离子电荷浓度为0.1mol/l 时的测试结果比较
硫酸钠浓度（mol/l ）
平均初凝时间（T1，分钟）
平均终凝时间（T2，分钟）
机械强度03245一般0.01252128无明显变化0.0251725无明显变化0.051520无明显变化0.0751417无明显变化0.11013无明显变化0.125912.5无明显变化0.158.510无明显变化0.17579无明显变化0.279无明显变化0.22579无明显变化0.25
79无明显变化0.27579无明显变化0.3
7
9
无明显变化
表2石膏浆中加入不同浓度（mol/l ）硫酸钠的效果比较
硫酸钠浓度（mol/l ）平均初凝时间（T1，分钟）
平均终凝时间（T2，分钟）
机械强度无
3651一般0.1252128无明显变化0.151723无明显变化0.175
15
21
无明显变化
表3
硫酸钠低温下的的促凝测试结果比较
图2硫酸钠低温下的的促凝测试结果比较。