石膏復(fù)合膠凝材料的研究進(jìn)展*

葉蓓紅，錢耀麗，江傳德

(1.上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，上海200032;2.同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海201804)

石膏作為一種氣硬性膠凝材料，被廣泛用于生產(chǎn)各種石膏制品，這些產(chǎn)品在使用過程中不僅質(zhì)輕而且具有良好的隔音隔熱、防火性能、抗震性能和裝飾性等優(yōu)點(diǎn)，并可以調(diào)節(jié)空氣濕度，提高居住舒適度。但是耐水性差、強(qiáng)度不高的缺點(diǎn)致使石膏制品在某些場合中的應(yīng)用受到了較大的限制［1］，這些產(chǎn)品只適用于地上或干燥環(huán)境，不宜用于潮濕環(huán)境，更不可用于水中［2］。

提高石膏制品的力學(xué)性能及耐水性是當(dāng)前研究與生產(chǎn)石膏制品領(lǐng)域關(guān)注的問題。單純提高石膏制品耐水性，可以在表面涂抹防水劑或者在其中添加防水材料，前者在制品表面破損的情況下，防潮效果將大大降低，后者成本太高，而且會(huì)降低石膏砌塊的機(jī)械性能［3］。若想提高石膏制品的強(qiáng)度，可以通過利用高強(qiáng)α石膏作為膠凝材料來制備石膏制品，但是這種做法提高石膏強(qiáng)度和耐水性都很有限，也不經(jīng)濟(jì)［4］。因此，國內(nèi)外許多研究者開展了大量的摻合料配制石膏復(fù)合膠凝材料的研究，力求從根本上解決石膏制品強(qiáng)度和耐水性較低的問題。

1 石膏復(fù)合膠凝材料研究進(jìn)展

石膏復(fù)合膠凝材料是由石膏和外加摻合料，在相應(yīng)的激發(fā)劑作用下，以一定比例混合而成，兼具氣硬性和水硬性的膠凝特點(diǎn)。選擇的摻合料主要有生石灰、水泥、礦渣、粉煤灰等。

1.1 石膏-石灰復(fù)合膠凝材料研究進(jìn)展

摻加生石灰是最早用于改性石膏的方法，主要是生石灰磨細(xì)后，比表面積小，摻入石膏后，相比需水量少，從而保證能達(dá)到高密度，獲得較高的強(qiáng)度;而且生石灰的存在使石膏的溶解度降低，因?yàn)槭以诳諝庵刑蓟D(zhuǎn)變成碳酸鈣，碳酸鈣溶解度遠(yuǎn)小于石膏，此時(shí)石膏細(xì)粒為不溶于水的碳酸鈣所包覆，石膏-石灰復(fù)合膠凝材料的耐水性大幅度提高，尤其表現(xiàn)在提高石膏的耐凍水溶蝕性能上。但是生石灰的摻量需控制在一定的范圍，對(duì)提高強(qiáng)度而言，以10%摻量為好;對(duì)抗凍水溶蝕而言以摻加25%的最好［1］。

1.2 石膏-水泥復(fù)合膠凝材料研究進(jìn)展

采用硅酸鹽水泥作為建筑石膏的摻合料，主要是水泥中的鋁酸三鈣與石膏發(fā)生反應(yīng)生成具有膠凝性且耐水性較好的三硫型水化硫鋁酸鈣，即鈣礬石［1］，3CaO·Al2O3+3(CaSO4·0.5H2O)+29.5H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O;而且水泥的本身含有硅酸三鈣與硅酸二鈣發(fā)生水化反應(yīng)生成具有凝膠性能的C-S-H(水化硅酸鈣凝膠)，C-S-H的生成有利于石膏制品力學(xué)性能的提高［5］。然而，若石膏水泥配合比不合適，水泥摻量過高，其反應(yīng)生成的水化鋁酸鈣數(shù)量增多，形成的鈣礬石數(shù)量也增多，鈣礬石的體積增大，會(huì)導(dǎo)致石膏結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)的破壞，增加制品裂紋，反而降低制品的強(qiáng)度、提高其吸水率、降低制品耐水性，嚴(yán)重的造成石膏試件的破壞［6］。由于水泥品種多樣性，不同水泥品種、摻量和水化環(huán)境，所形成的鈣礬石的結(jié)構(gòu)、數(shù)量不同，因此對(duì)混合體系的性能也不相同。其中，硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥對(duì)石膏適應(yīng)性較好［7］。

曲烈，趙素寧等［8］研究了磨細(xì)水泥及普通細(xì)度水泥對(duì)β型半水脫硫石膏-水泥復(fù)合材料力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)特征的影響。結(jié)果表明，隨著半水脫硫石膏用量減少和水泥用量增加，抗壓強(qiáng)度增加。水灰比為0.28，脫硫石膏摻量55%，水泥與磨細(xì)水泥優(yōu)化比例為1:4，采用密封 -室溫養(yǎng)護(hù)，其28d的抗壓強(qiáng)度可達(dá)48.84MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)到9.38MPa。

1.3 石膏-礦渣/粉煤灰復(fù)合膠凝材料研究進(jìn)展

石膏中摻加粉煤灰或高爐礦渣等水硬性摻合料，必須在堿性激發(fā)下發(fā)揮作用。建筑石膏中的半水石膏溶解形成二水石膏，并析出晶體形成結(jié)構(gòu)骨架，使?jié){體凝結(jié)硬化，提供早期強(qiáng)度;礦渣/粉煤灰在堿與二水石膏的共同作用下水化產(chǎn)生水化硅酸鈣與鈣礬石，分布在二水石膏晶體周圍，未水化的粉煤灰/礦渣顆粒則作為微集料填充于空隙中，完善網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨架［9］。這種結(jié)構(gòu)，使石膏復(fù)合膠凝材料具有較好的耐水性，耐水性差的二水石膏晶體被大量溶解度低的水硬性鈣礬石晶體包裹，阻止了水分對(duì)二水石膏晶體的侵蝕;而侵入的水分既使部分二水石膏發(fā)生溶解侵蝕，對(duì)硬化體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，又能促進(jìn)未水化粉煤灰進(jìn)一步水化，有利于硬化體的修復(fù)與發(fā)展［1］。

黃洪財(cái)?shù)龋?0］研究了粉煤灰、礦粉-粉煤灰、水泥-粉煤灰3種體系礦物摻合料對(duì)建筑石膏性能的影響，有水泥摻加的石膏復(fù)合膠凝材料體系28d強(qiáng)度在有礦物摻合料摻加的體系中最高;在礦粉-粉煤灰體系中，沒有堿性激發(fā)劑，其幾乎沒有發(fā)生水化反應(yīng)或水化反應(yīng)非常少。

趙前、李文杰［11］研究發(fā)現(xiàn)高鋁水泥的加入可以有效提高磷石膏-礦渣-鋼渣磷石膏基水硬性膠凝材料體系的早期強(qiáng)度，并縮短凝結(jié)時(shí)間，使水化產(chǎn)物鈣礬石生成量明顯增加，從而有效提高該材料的水化性能;當(dāng)摻入6%的高鋁水泥時(shí)，該膠凝材料的3d抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度達(dá)35MPa。

單衛(wèi)良等［12］將半水石膏與礦渣微粉復(fù)合，在堿性激發(fā)條件下制備出一種新型石膏(GS)復(fù)合膠凝材料。相比于基準(zhǔn)石膏，該石膏復(fù)合膠凝材料的強(qiáng)度和耐水性能均有很大提高，14d強(qiáng)度提高109%;海水浸蝕7d的軟化系數(shù)提高158%。

樊先平等［13］研究了水泥在石膏復(fù)合膠凝材料體系中的作用，水泥對(duì)石膏復(fù)合膠凝材料的性能有很大影響，摻量過少不能有效激發(fā)礦渣活性，摻量過多易引起安定性不良，水泥的最佳摻量范圍為7% ～10%。

曲烈等［14］研究脫硫石膏-粉煤灰復(fù)合膠凝材料的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，摻加粉煤灰后脫硫石膏的抗壓強(qiáng)度有所改善，最終水化產(chǎn)物主要為CaSO42H2O，粉煤灰的潛在活性并未得到有效激發(fā)，建議摻加有效的堿性激發(fā)劑將粉煤灰的活性激發(fā)出來，并合理改善養(yǎng)護(hù)條件，使粉煤灰的水化作用得以進(jìn)行，從而形成較高強(qiáng)度且具有一定耐水性能的凝膠體。

P.Yan，Y.You［15］以氟石膏和礦渣作為主要原料，水泥作為激發(fā)劑，制備石膏水泥，實(shí)驗(yàn)表明試樣在水中養(yǎng)護(hù)90d后，強(qiáng)度可以達(dá)到77.3MPa，同時(shí)具有很好的體積穩(wěn)定性。

李書琴等［16］研究發(fā)現(xiàn)水泥熟料量的變化對(duì)石膏-礦渣膠凝材料的強(qiáng)度影響不明顯，水泥熟料只對(duì)礦渣起激發(fā)作用，保證石膏-礦渣復(fù)合材料的強(qiáng)度;標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)對(duì)試樣的強(qiáng)度影響不大，但通過自然條件養(yǎng)護(hù)后所得制品的軟化系數(shù)較高。

1.4 石膏復(fù)合膠凝材料的應(yīng)用研究進(jìn)展

隨著石膏復(fù)合膠凝材料研究的不斷深入，目前已經(jīng)有很多建筑產(chǎn)品使用了石膏基復(fù)合膠凝材料，實(shí)際應(yīng)用過程中取得了很好的成效。

葉蓓紅等［17］以氟石膏、脫硫石膏、礦渣粉為主要組分開發(fā)了一種石膏復(fù)合膠凝材料，并以其配制石膏防潮砂漿;經(jīng)工程應(yīng)用，該砂漿上墻后無收縮裂縫;具有良好的耐水性，可直接用于潮濕環(huán)境下外墻內(nèi)側(cè)與內(nèi)隔墻的找平。而且其成本略低于水泥抹灰砂漿，具有經(jīng)濟(jì)適用性及較好的市場推廣應(yīng)用前景。

孫振平等［18］利用脫硫石膏、礦渣粉、少量水泥和激發(fā)劑制備的脫硫石膏基復(fù)合膠凝材料，配以?；⒅闉檩p質(zhì)集料開發(fā)了一種建筑保溫砂漿。結(jié)果表明，這種保溫砂漿各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求;同時(shí)，因原材料中采用了大量工業(yè)廢棄物，這種砂漿產(chǎn)品的環(huán)境效益和社會(huì)效益極佳，市場前景廣闊。

施惠生等［19］利用化工廢石膏-粉煤灰制備了一種新型道路建筑材料，具有較高的力學(xué)性能和優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕性能。

2 石膏復(fù)合膠凝材料存在問題

目前國內(nèi)研究者通過礦物摻合料或者復(fù)合外加劑對(duì)石膏的改性已取得了一些進(jìn)展，但石膏復(fù)合膠凝材料研究中還存在很多問題:

(1)目前對(duì)石膏復(fù)合膠凝材料的研究主要關(guān)注在石膏復(fù)合膠凝材料物理性或工作性的某一方面，研究不夠系統(tǒng)深入;

(2)對(duì)各種礦物摻合料在同等條件下對(duì)建筑石膏物理性能的影響、礦物摻合料特別是激發(fā)劑與外加劑在石膏中的相容性等研究較少;

(3)以建筑石膏為主要原材料的石膏基復(fù)合膠凝材料中，建筑石膏水化極快，參與復(fù)合的其他礦物摻合料在缺乏堿性激發(fā)劑和水的時(shí)候，會(huì)嚴(yán)重影響后期水化過程，從而會(huì)導(dǎo)致材料的整體強(qiáng)度偏低。研究表明一定的養(yǎng)護(hù)條件下，能改善石膏復(fù)合膠凝材料的強(qiáng)度及耐水性，但是這必將帶來成本和能源問題。

(4)石膏復(fù)合膠凝材料在很大程度上解決了石膏的耐水性問題，但是對(duì)于以石膏復(fù)合膠凝材料為基材的石膏建筑產(chǎn)品的耐水性問題研究還不夠深入，這些制品的耐水性是否也同樣得到解決，有待進(jìn)一步試驗(yàn)論證。

3 結(jié)語

隨著生態(tài)建筑和綠色建材的概念日益為人們所接受，以石膏為主體的綠色生態(tài)建材將越來越受到建筑行業(yè)的青睞。無論是從生態(tài)建筑、環(huán)境保護(hù)還是從資源開發(fā)和工業(yè)副產(chǎn)石膏的資源化利用來看，石膏建材包括石膏基復(fù)合膠凝材料都是值得大力發(fā)展的綠色建筑材料。在我國由于石膏強(qiáng)度低、耐水性差這兩大缺陷的存在，導(dǎo)致石膏建材在我國建筑市場占有的份額還是很低。所以，以石膏為基材的石膏復(fù)合膠凝材料的研究在我國還有更大的空間;并且在石膏復(fù)合膠凝材料研究的基礎(chǔ)上，大力開展石膏復(fù)合膠凝材料為主要成分的石膏建材新產(chǎn)品將有廣闊的前景。

［1］ 陳燕，岳文海，董若蘭.石膏建筑材料［M］.北京，中國建材出版社，2003:222.

［2］ 符芳.建筑材料［M］.南京，東南大學(xué)出版社，2002:55.

［3］ 張俊生，路北戰(zhàn)，張志國，等.耐水型石膏砌塊的制備工藝研究［J］.新型墻材，2011，11:22-24.

［4］ 劉方，孫小耀.高強(qiáng)防水石膏研究進(jìn)展［J］.福建建材，2011，4:11-13.

［5］ 白楊，李東旭.活性摻合料對(duì)脫硫基粉刷石膏制品性能的影響［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，27(3):447-450.

［6］ 張剛剛.水泥不同摻量對(duì)石膏膠凝材料性能影響的研究［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，11(6):69-71.

［7］ 張雷.脫硫石膏鋼渣膠凝材料及其新型砌塊的制備［D］.濟(jì)南大學(xué)，2012.

［8］ 曲烈，趙素寧，李劍等.高強(qiáng)度脫硫石膏復(fù)合材料制備與力學(xué)性能［J］.粉煤灰綜合利用，2012(3):3-8.

［9］ 應(yīng)俊，石宗利，高章韻.新型石膏基復(fù)合膠凝材料的性能和結(jié)構(gòu)［J］.新型建筑材料，2010(7):7-10.

［10］ 黃洪財(cái)，馬保國，邢偉宏.礦物摻合料對(duì)建筑石膏的改性及機(jī)理研究［J］.非金屬礦，2008，31(2):27-30.

［11］ 趙前，李文杰.高鋁水泥對(duì)磷石膏基水硬性膠凝材料性能的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(10):19-23.

［12］ 單衛(wèi)良，曹黎穎，葉蓓紅等.新型石膏復(fù)合膠凝材料的研究［J］.新型建筑材料，2005(12):50-51.

［13］ 樊先平，王智，賈興文等.水泥在石膏復(fù)合膠凝材料體系中的作用［J］.非金屬礦，2013，36(1):46-49.

［14］ 曲烈，趙素寧，高士奇.脫硫石膏-粉煤灰復(fù)合膠凝材料的力學(xué)性能研究［J］.粉煤灰，2013(2):1-3.

［15］ P Yan，Y You.Studies on the binder of fly ash-fluorgpysumcement［J］.Cement and Concrete Research，1998，28(1):135-140.

［16］ 李書琴，艾永平等.半水石膏-礦渣膠凝材料力學(xué)性能及軟化系數(shù)研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2011，30(3):732-735.

［17］ 葉蓓紅，錢耀麗，談曉青.利用石膏復(fù)合膠凝材料制備石膏防潮砂漿［J］.粉煤灰，2014，2:25-28.

［18］ 孫振平，鄭金飚，蔣正武等.以脫硫石膏為復(fù)合膠凝材料基料配制無機(jī)保溫砂漿［J］.新型建筑材料，2011(6):1-4.

［19］ 施惠生，趙玉靜.利用化工廢石膏制備新型道路建筑材料的研究［J］.新型建筑材料，2001(5):26-28.