石膏晶須對石膏砌塊性能的影響研究

韓龍，高建明，唐永波，楊鋒

（東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189）

0 前言

石膏砌塊具有安全、環(huán)保、耐火性能好、調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度等優(yōu)點，是一種理想的新型墻體材料。質(zhì)量輕、強度高的石膏砌塊具有良好的隔聲、隔熱性能，同時還具有便于施工、保證墻體質(zhì)量的優(yōu)點[1-4]。開發(fā)輕質(zhì)、高強的石膏砌塊一直是業(yè)界和從事建材研究的專家學者關注的重要課題。

研究選擇適宜的輕骨料及其摻量，是實現(xiàn)石膏砌塊輕質(zhì)化的重要手段。目前常用在石膏砌塊中的輕骨料主要有2種：膨脹珍珠巖和聚苯乙烯泡沫[5-12]。從目前研究結(jié)果來看，效果最好的屬膨脹珍珠巖，但是膨脹珍珠巖的摻入，在獲得低密度石膏砌塊的同時，大大降低了石膏砌塊的強度。石膏晶須是具有膠凝性能的針狀晶體，堆積密度小、體積蓬松，如將石膏晶須摻入到石膏砌塊中，既有效降低了石膏砌塊的密度，又因為石膏晶須本身也是膠凝材料，可以水化形成二水石膏，從而使得摻石膏晶須的石膏砌塊與傳統(tǒng)采用膨脹珍珠巖為輕骨料的石膏砌塊相比具有強度高的優(yōu)勢。此外，與膨脹珍珠巖相比，制備石膏晶須的原料來源廣泛、成本低。

目前尚未發(fā)現(xiàn)將石膏晶須應用于石膏砌塊中的相關報道。本文主要以石膏晶須作為輕質(zhì)膠凝材料，研究不同摻量的石膏晶須對石膏砌塊表觀密度、斷裂荷載、抗壓強度和軟化系數(shù)的影響，采用XL30環(huán)境掃描式電子顯微鏡觀察產(chǎn)物的形貌，采用D8-Discover型X射線衍射儀分析產(chǎn)物的成分。針對輕骨料大多存在顯著降低石膏砌塊強度的缺點，本文著重研究了石膏晶須是否能夠有效減少石膏砌塊強度損失、降低密度的作用。

1 試驗

1.1 試驗原料

建筑石膏：來源于四川攀枝花藍鼎環(huán)?？萍加邢薰?，主要成分為CaSO4·0.5H2O，圖1為建筑石膏的XRD衍射圖譜，表1和表2分別為建筑石膏的化學成分和物理力學性能。

圖1 建筑石膏的XRD衍射圖譜

表1 建筑石膏的化學成分 %

表2 建筑石膏的物理力學性能

石膏晶須：實驗室采用水熱法自制，呈纖維狀。直徑0.4～0.6 μm，長度 40～60 μm，長徑比 80～100，堆積密度 120～140 kg/m3，主要成分為CaSO4·0.5H2O，圖2和圖3分別為石膏晶須的XRD衍射圖譜和微觀形貌。

圖2 石膏晶須的XRD衍射圖譜

圖3 石膏晶須的微觀形貌

膨脹珍珠巖：來源于山東沂蒙珍珠巖廠，粒度分布均勻，顆粒粒徑2～5 mm，堆積密度80 kg/m3。

1.2 試樣制備

按照確定的配比（石膏晶須和膨脹珍珠巖的摻量均以建筑石膏的質(zhì)量百分比計）分別稱取所需的石膏晶須/膨脹珍珠巖、建筑石膏及水（標準稠度用水量），首先將水倒入人工拌合用攪拌鍋中，然后倒入石膏和石膏晶須/膨脹珍珠巖，充分攪拌，使石膏晶須/膨脹珍珠巖與石膏漿體充分粘合。將石膏漿體添加到40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)模中，抬起模具一邊離地面約1 cm輕輕震動，排除料漿中的氣泡，然后用刮刀將砌塊表面刮平，2 h后脫模，將砌塊放在實驗室條件下自然養(yǎng)護1 d，隨后將砌塊放入電熱鼓風恒溫干燥箱中，在（40±2）℃條件下干燥至恒重，然后測試其表觀密度、斷裂荷載、抗壓強度和軟化系數(shù)等物理力學性能。

1.3 測試與表征

石膏砌塊物理力學性能參照JC/T 698—2010《石膏砌塊》進行測試。微觀分析：試樣水化至規(guī)定齡期，用無水乙醇中止水化，真空干燥，分別采用XL30環(huán)境掃描式電子顯微鏡觀察砌塊斷面微觀形貌和D8-Discover型X射線衍射儀分析水化產(chǎn)物成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 石膏晶須對石膏砌塊性能的影響

2.1.1 石膏晶須對石膏砌塊表觀密度的影響（見圖4）

圖4 石膏晶須和膨脹珍珠巖對石膏砌塊表觀密度的影響

由圖4可知，未摻石膏晶須和膨脹珍珠巖的石膏砌塊表觀密度為1190 kg/m3。隨著石膏晶須和膨脹珍珠巖摻量的增加，石膏砌塊表觀密度下降。相對于石膏晶須，摻入膨脹珍珠巖后，砌塊表觀密度降低更為明顯，摻15%膨脹珍珠巖的石膏砌塊表觀密度為680 kg/m3，摻15%石膏晶須的石膏砌塊表觀密度為890 kg/m3；石膏晶須摻量為20%時，石膏砌塊表觀密度為750 kg/m3，相當于摻量為12%膨脹珍珠巖的石膏砌塊的表觀密度。膨脹珍珠巖可以明顯的降低石膏砌塊表觀密度，主要是因為膨脹珍珠巖的堆積密度只有80 kg/m3，石膏晶須的堆積密度為140 kg/m3，所以相對于相同摻量的膨脹珍珠巖，石膏晶須降低砌塊表觀密度并不明顯。

2.1.2 石膏晶須對石膏砌塊斷裂荷載的影響（見圖5）

圖5 石膏晶須和膨脹珍珠巖對石膏砌塊斷裂荷載的影響

由圖5（a）可知，未摻石膏晶須和膨脹珍珠巖的石膏砌塊斷裂荷載為2599 N。石膏晶須和膨脹珍珠巖的摻入會降低石膏砌塊的斷裂荷載，其中摻入膨脹珍珠巖的石膏砌塊斷裂荷載下降較明顯。對相同摻量的石膏晶須和膨脹珍珠巖，摻入石膏晶須的石膏砌塊斷裂荷載損失相對較小。石膏晶須摻量為15%時，石膏砌塊斷裂荷載為1561 N，相同摻量的膨脹珍珠巖的石膏砌塊斷裂荷載僅為684 N。由圖5（b）可知，在相同的表觀密度下，摻石膏晶須的石膏砌塊斷裂荷載高于摻膨脹珍珠巖的，主要是由于石膏晶須的水化產(chǎn)物呈片狀或纖維狀，摻入到石膏砌塊中可以增加其斷裂荷載。

2.1.3 石膏晶須對石膏砌塊抗壓強度的影響（見圖6）

圖6 石膏晶須和膨脹珍珠巖對石膏砌塊抗壓強度的影響

由圖6（a）可以看出，未摻石膏晶須和膨脹珍珠巖的石膏砌塊抗壓強度為19.7 MPa，隨著石膏晶須和膨脹珍珠巖摻量的增加，石膏砌塊抗壓強度呈下降趨勢。對相同摻量的石膏晶須和膨脹珍珠巖，摻膨脹珍珠巖的石膏砌塊抗壓強度下降更明顯，摻入15%石膏晶須時，石膏砌塊抗壓強度為7.3 MPa，相同摻量的膨脹珍珠巖石膏砌塊抗壓強度僅為3.7 MPa。由圖6（b）可知，在相同的表觀密度下，摻石膏晶須的石膏砌塊抗壓強度高于摻膨脹珍珠巖的石膏砌塊，主要是由于石膏晶須先起到輕骨料的作用，隨后又和建筑石膏一起水化形成二水石膏，從而使得摻石膏晶須的石膏砌塊與膨脹珍珠巖為輕骨料的石膏砌塊相比具有了強度高的優(yōu)勢。

2.1.4 石膏晶須對石膏砌塊軟化系數(shù)的影響（見圖7）

圖7 石膏晶須和膨脹珍珠巖對石膏砌塊軟化系數(shù)的影響

由圖7（a）可知，未摻石膏晶須和膨脹珍珠巖的石膏砌塊軟化系數(shù)為0.39，隨著石膏晶須和膨脹珍珠巖摻量的增加，石膏砌塊的軟化系數(shù)降低，其中加入膨脹珍珠巖的石膏砌塊軟化系數(shù)降低較明顯，對相同摻量的石膏晶須和膨脹珍珠巖，摻入石膏晶須的石膏砌塊軟化系數(shù)損失相對較小。石膏晶須摻量為15%時，石膏砌塊軟化系數(shù)為0.34，相同摻量的膨脹珍珠巖石膏砌塊軟化系數(shù)僅為0.24。由圖7（b）可知，在相同的表觀密度下，摻石膏晶須的石膏砌塊軟化系數(shù)高于摻膨脹珍珠巖的石膏砌塊。主要是由于摻石膏晶須的石膏砌塊內(nèi)部晶體之間搭接相對緊密，空隙小，水不容易進入砌塊內(nèi)部；摻膨脹珍珠巖的石膏砌塊內(nèi)部晶體之間搭接疏松，空隙大，水容易進入砌塊內(nèi)部，溶解部分石膏晶體。

2.2 石膏砌塊斷面微觀形貌分析

圖8（a）～（c）分別為未摻輕骨料、摻6%膨脹珍珠巖和摻15%石膏晶須的石膏砌塊斷面形貌。

圖8 未摻輕骨料、摻6%膨脹珍珠巖和15%石膏晶須的石膏砌塊斷面形貌

由圖8可知，石膏砌塊內(nèi)部二水石膏晶體呈針狀、纖維狀和薄片狀，未摻輕骨料的石膏砌塊內(nèi)部二水石膏晶體緊密搭接在一起，形成網(wǎng)狀結(jié)構體，結(jié)構致密，摻6%膨脹珍珠巖和15%石膏晶須的石膏砌塊內(nèi)部二水石膏晶體之間搭接減少，晶體之間存在較大孔隙，且晶體較為散亂，接觸點較少，結(jié)構疏松，相對于摻6%膨脹珍珠巖的石膏砌塊，摻15%石膏晶須的石膏砌塊內(nèi)部二水石膏晶體之間搭接相對較多，結(jié)構相對致密。這也說明了摻石膏晶須的石膏砌塊抗壓強度高于同密度下?lián)脚蛎浾渲閹r的石膏砌塊的抗壓強度。

2.3 石膏砌塊水化產(chǎn)物物相分析（見圖9）

圖9 未摻輕骨料、摻6%膨脹珍珠巖和15%石膏晶須石膏砌塊的XRD圖譜

由圖9可以看出，摻入6%膨脹珍珠巖、15%石膏晶須和未摻輕骨料的石膏砌塊，內(nèi)部水化產(chǎn)物都是CaSO4·2H2O。摻入石膏晶須的砌塊中水化生成的CaSO4·2H2O的（020）晶面的衍射強度與（121）晶面的衍射強度之比較不摻晶須的砌塊要高。這很可能是因為摻入晶須后，建筑石膏的水化產(chǎn)物中呈薄片狀的二水石膏晶體的比例增加導致。

3 結(jié)論

（1）石膏晶須可以作為一種輕質(zhì)膠凝材料用于制備石膏砌塊，隨著石膏晶須摻量的增加，石膏砌塊表觀密度、斷裂荷載、抗壓強度和軟化系數(shù)降低。

（2）相同表觀密度下，摻石膏晶須的石膏砌塊比摻膨脹珍珠巖的石膏砌塊斷裂荷載、抗壓強度和軟化系數(shù)高，相對于膨脹珍珠巖，石膏晶須可有效減少砌塊強度損失。

（3）石膏晶須摻入到石膏砌塊中不僅可以起到降低石膏砌塊密度的作用，而且本身也具有膠凝性能，可以水化生成二水石膏晶體，晶體之間搭接相對緊密，而膨脹珍珠巖僅僅起到輕骨料的作用，并不發(fā)生水化反應。在不水化的膨脹珍珠巖與CaSO4·2H2O晶體之間形成了弱界面結(jié)合區(qū)。且不水化的膨脹珍珠巖間隔了CaSO4·2H2O晶體間的交叉結(jié)晶生長，這種結(jié)構降低了石膏砌塊的強度。