建筑石膏制品性能影響因素的研究

建筑石膏制品性能影響因素的研究王堅(jiān)*董金柱**趙鍵****講師，太原大學(xué)建工系，030009；**工程師，山西省建筑科學(xué)研究院，030001;***技術(shù)員，太原市建筑總公司，030002太原收稿日期：2009—03—12

摘要

根據(jù)多年來(lái)建筑石膏制品的試驗(yàn)研究與生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，綜合性地提出了影響其性能的幾個(gè)主要因素以及所采取的措施。

關(guān)鍵詞

新型建筑材料

石膏制品

性能研究

筑石膏制品是一種新型的建筑材料，具有質(zhì)輕、防火、隔熱、加工性能好、尺寸穩(wěn)定以及特有的“呼吸作用”等優(yōu)點(diǎn)，但是，由于材料本身特點(diǎn)及生產(chǎn)工藝不當(dāng)?shù)仍颍泊嬖趶?qiáng)度低、耐水性能差等弊端，致使其應(yīng)用范圍受到一定的局限。尤其近幾年在山西省某紙面石膏板生產(chǎn)廠及石膏砌塊制品廠的生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，除應(yīng)解決生產(chǎn)設(shè)備及工藝等方面的問(wèn)題外，還需要進(jìn)一步探討影響建筑石膏制品性能的因素如石膏品位、凝結(jié)時(shí)間、脫模時(shí)間、摻合料品種等。

1石膏礦的品位

根據(jù)JC—82規(guī)定，生產(chǎn)建筑石膏制品的石膏礦的品位必須達(dá)到75%以上，而在實(shí)際生產(chǎn)中所使用的礦石，由于產(chǎn)地及礦層不同，其雜質(zhì)含量波動(dòng)較大，品位各異。因此對(duì)于不同品位的石膏礦石必須經(jīng)過(guò)混合、均化后炒制，以保證建筑石膏在炒制工藝參數(shù)不變的情況下得到相同性能的建筑石膏。我們?cè)没旌虾笃骄肺淮笥?5%的石膏礦石在相同的炒制工藝條件下制備的建筑石膏進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)由于其相組成及物理力學(xué)性能相近，所以用其制造的制品性能穩(wěn)定，質(zhì)量?jī)?yōu)異，勻質(zhì)性能好。

2陳化

為保證石膏制品的生產(chǎn)工藝參數(shù)穩(wěn)定且制品具有良好的勻質(zhì)性能，必須將炒制的建筑石膏在料倉(cāng)中進(jìn)行陳化，從而使可溶性無(wú)水Ⅲ型石膏及二水石膏含量降低，半水石膏含量增加，晶體表面裂隙彌合，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量降低，達(dá)到提高強(qiáng)度的目的。試驗(yàn)結(jié)果證明陳化時(shí)間以7～15天為宜。

3凝結(jié)時(shí)間

建筑石膏具有遇水后迅速失去塑性且凝結(jié)時(shí)間快的特點(diǎn)，為建筑石膏的生產(chǎn)制品造成困難，影響制品的質(zhì)量。因此需要根據(jù)制品的生產(chǎn)工藝條件，嚴(yán)格控制建筑石膏的凝結(jié)時(shí)間與硬化時(shí)間。而凝結(jié)時(shí)間、硬化速度除與石膏礦的品位、煅燒工藝、陳化時(shí)間以及細(xì)度、拌和水用量、溫度等有關(guān)外，與摻加緩凝劑的種類與數(shù)量也有密切關(guān)系。

3.1試驗(yàn)結(jié)果

凡能降低石膏溶解度或者能使石膏顆粒外包復(fù)一層不易透水的薄膜的物質(zhì)，均能做為緩凝劑。我們對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)。在相同性能的建筑石膏中分別摻加不同量的骨膠、酒精、木質(zhì)磺酸鈣、生石灰、檸檬酸等，進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)所得結(jié)果為：

(1)當(dāng)建筑石膏中摻加0.4%的骨膠，以降低石膏生成晶胚的速度達(dá)到緩凝目的。但摻量過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度明顯下降。

(2)在建筑石膏中摻加0.3%的酒精等弱電解質(zhì)物質(zhì)，降低石膏溶解度，延緩凝結(jié)時(shí)間。

(3)摻加5%～15%的生石灰于建筑石膏中，不僅能起到延緩凝結(jié)時(shí)間的作用，而且能夠明顯提高制品的強(qiáng)度、耐水性并減少制品干燥養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的熱耗。

3.2作用機(jī)理

(1)生石灰與建筑石膏中的鈣離子間存在的共離子效應(yīng)及生石灰水化熱的影響，導(dǎo)致石膏溶解度降低，從而使生成晶胚的速度減緩，故起到延緩凝結(jié)時(shí)間的作用。

(2)由于生石灰在料漿中發(fā)生水化，水化后的氫氧化鈣膠粒細(xì)小具有填充孔隙的作用，同時(shí)碳化后成為溶解度更小的碳酸鈣覆蓋于已經(jīng)形成的二水石膏表面，從而提高了制品的耐水性與強(qiáng)度。

(3)生石灰在石膏料漿中所吸收的水分比石膏大一倍，因而在水化過(guò)程中放出的熱量比石膏多九倍左右。所以摻石灰的石膏制品初始溫度較高，相對(duì)地加快了制品的干燥速度，減少了干燥養(yǎng)護(hù)過(guò)程的熱耗。

(4)摻加0.05%～0.08%的檸檬酸于建筑石膏中，由于王堅(jiān)董金柱趙鍵建筑石膏制品性能影響因素的研究應(yīng)用技術(shù)檸檬酸被建筑石膏分子吸附，使石膏顆粒帶有相同電荷，使分子間產(chǎn)生斥力而阻止石膏分子的結(jié)合，達(dá)到延緩凝結(jié)時(shí)間的目的。但是摻量過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致石膏料漿飽和度降低，同時(shí)也會(huì)由于緩凝劑的離子或分子造成石膏晶體連接困難，降低制品強(qiáng)度。

(5)木質(zhì)磺酸鈣是一種良好的表面活性劑，摻加在建筑石膏中能定向地吸附在石膏顆粒表面，加大石膏顆粒間的靜電斥力，促使石膏粒子相互分離，破壞石膏的凝聚力，從而起到延緩凝結(jié)時(shí)間的作用。

(6)不同溫度的拌和水對(duì)建筑石膏凝結(jié)時(shí)間也有差異。試驗(yàn)表明，當(dāng)石膏料漿一直保持在較高溫度(25℃～30℃)時(shí)，由于已經(jīng)形成飽和的半水石膏及過(guò)飽和的二水石膏溶液，減緩了石膏結(jié)晶的形成，從而起到延緩凝結(jié)時(shí)間的作用。

4拌和用水量

建筑石膏水化成為二水石膏的過(guò)程，理論上只需要18.6%的水，制品成型過(guò)程中所需多的水被保留于石膏基體內(nèi)，當(dāng)水分蒸發(fā)后，制品內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，致使密度減小，強(qiáng)度降低。

表1用水量與石膏制品強(qiáng)度的關(guān)系

用水量(%)凝結(jié)時(shí)間(min)烘干強(qiáng)度(Mpa)初凝終凝抗壓抗折678.011.215.75.0709.011.514.04.7739.3

11.513.24.47610.512.313.04.0

表1中數(shù)據(jù)說(shuō)明，隨著拌和水用量的增加，凝結(jié)時(shí)間加長(zhǎng)，強(qiáng)度依次遞減。因此在保證生產(chǎn)需流動(dòng)性的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量減少拌和水用量，以保證石膏制品的強(qiáng)度。

5脫模時(shí)間

脫模時(shí)間對(duì)石膏制品的強(qiáng)度及生產(chǎn)率有直接關(guān)系，我們選用了幾種不同的脫模時(shí)間進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表內(nèi)數(shù)據(jù)說(shuō)明，脫模時(shí)間過(guò)早或過(guò)遲均能影響制品的強(qiáng)度及產(chǎn)率。一般產(chǎn)品的脫模時(shí)間以30min～60min為宜(根據(jù)終凝時(shí)間推遲或提前)。

6靜停時(shí)間

制品脫模之后在常溫、常濕條件下放置多長(zhǎng)時(shí)間再進(jìn)行烘干養(yǎng)護(hù)，直接關(guān)系到石膏制品的性能及產(chǎn)率。

不同靜停時(shí)間的強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果示于表3。

表3數(shù)據(jù)表明：靜停時(shí)間過(guò)短，在含水率較大的情況下，烘干時(shí)水分急劇逸出會(huì)導(dǎo)致石膏制品產(chǎn)生龜裂破壞；靜停時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，雖然對(duì)制品性能有益但產(chǎn)率降低。適宜的靜停時(shí)間以12h～24h為宜。

表2脫模時(shí)間與強(qiáng)度的關(guān)系

脫模時(shí)間(min)強(qiáng)度(Mpa)抗壓抗折18(終凝)

4.72.0305.22.7605.72.9905.52.43645.02.2表3靜停時(shí)間對(duì)制品強(qiáng)度的影響

靜停時(shí)間(h)

含水率(%)

強(qiáng)度(Mpa)

抗壓

抗折

1

33.5

5.8

2.3

4

32.1

6.3

2.9

8

30.0

7.1

3.1

12

30.0

7.0

3.2

24

28.7

7.3

3.1

36

24.5

8.9

3.7

48

22.0

8.9

3.6

72

22.0

9.0

3.6

7摻合料

建筑石膏屬氣硬性膠凝材料，在潮濕環(huán)境中其強(qiáng)度會(huì)大大降低。其原因?yàn)椋旱谝唬酀{體硬化時(shí)，晶體在結(jié)晶共生過(guò)程中，由于結(jié)晶接觸點(diǎn)不穩(wěn)定易發(fā)生歪曲和變形。在潮濕環(huán)境中出現(xiàn)溶解和再結(jié)晶，這種接觸點(diǎn)的溶解將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低。第二，石膏硬化體是一個(gè)孔隙率較大的多孔體，晶體界面由微裂縫形成了細(xì)微裂縫的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)遇水后，由于水滲透到微孔內(nèi)形成水單分子薄膜，該水膜產(chǎn)生楔入尖劈作用，破壞了石膏晶體結(jié)構(gòu)之間的微單元結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致石膏制品強(qiáng)度降低。第三，石膏具有溶解度高的特點(diǎn)，當(dāng)水沿著或通過(guò)石膏制品表面流動(dòng)時(shí)，石膏被溶解、剝離，從而引起強(qiáng)度降低。

改善與提高石膏制品耐水性能的途徑很多，但要從根本上提高其耐水性能，必須改變石膏硬化體的結(jié)構(gòu)，在石膏中加入一定量的硅酸鹽水泥或其它含有活性二氧化硅、三氧化二鋁和氧化鈣的摻合料。例如在石膏中摻加水泥、石灰、礦渣、粉煤灰等材料時(shí)，它們與石膏在水化與硬化過(guò)程中將形成具有水硬性的水化硅酸鈣或水化硫鋁酸鈣，這種水化產(chǎn)物的強(qiáng)度與穩(wěn)定性均較二水石膏的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)大得多，對(duì)提高石膏制品的耐水性極為有利。

我們?cè)诮ㄖ嘀袚郊右欢康幕鹕交屹|(zhì)材料(水渣、粉煤灰、自燃煤矸石等)，在石灰堿性激發(fā)劑的作用下產(chǎn)生水化反應(yīng)，使制品的耐水性能的強(qiáng)度大為提高，該法曾應(yīng)用于工程中效果理想。分析其原因：一是石膏、石灰、水渣混合均勻后，加入水中，半水石膏立即水化結(jié)晶生成二水石膏獲得早期強(qiáng)度。二是隨著石膏的溶解，溶解的石膏與水渣中的鋁酸三鈣生成穩(wěn)定的硫鋁酸鈣。水渣中結(jié)晶部分的化合物產(chǎn)生水解作用，上述反應(yīng)生成的氫氧化鈣成為水渣玻璃質(zhì)成分的活性激發(fā)劑(水渣玻璃成分是指保持有一定化學(xué)性能的硅酸鹽和鋁酸鹽)，當(dāng)其在液態(tài)遇到氫氧化鈣時(shí)活性被激發(fā)出來(lái)，反應(yīng)生成穩(wěn)定的硅酸鈣和鋁酸二鈣。生成的硫鋁酸鈣最初呈膠態(tài)，隨著膠態(tài)濃度的增加，結(jié)晶析出。另外由于水渣與石膏直接接觸，使膠態(tài)的硅酸二鈣與溶解的石膏不斷反應(yīng)，同時(shí)膠態(tài)硅酸二鈣繼續(xù)析出，新生成的鈣礬石及水化硅酸三鈣凝膠不斷地填充于二水石膏晶體及其他空隙之間，從而提高了制品的后期強(qiáng)度。

8結(jié)論

在上述影響建筑石膏制品性能因素研究的基礎(chǔ)上，利用建筑石膏做為膠結(jié)料與輕集料、纖維材料等配制的石膏制品已經(jīng)得到廣