提高石膏胶凝材料的强度和耐水性技术研究现状与问题

提高石膏胶凝材料的强度和耐水性技术研究现状与问题摘要：石膏胶凝材料的低强度和耐水性差是其两大缺点,本文从在石膏中添加有机防水材料和无机胶凝材料及石膏含水率等三方面入手，探讨了提高石膏胶凝材料的强度和耐水性的几种方案。关键词：石膏；强度；耐水性。石膏作为一种气硬性胶凝材料，被广泛用作各类建筑制品的原材料。但是由纯建筑石膏制造的石膏建筑制品存在两个很大的缺点：强度低和耐水性差。这极大地限制了它的应用面，因此通常只是把建筑石膏制品应用于室内粉刷。其具有轻质、防火、保温隔热、调湿、隔音等功能，且有装饰性好，不收缩、不开裂、施工方便、环保无味等特点。传统的水泥砂浆抹灰材料，存在着易开裂、空鼓、落地灰多、凝结硬化慢等缺陷。粉刷石膏的应用，明显地消除了传统抹灰材料的通病，并且增添了许多特种功能。但是，软化系数低（一般在0.2~0.45之间）、吸水率高、耐水性差、强度低等缺陷，使普通粉刷石膏的推广应用受到很大限制。为了扩大石膏的范围，则必须提高粉刷石膏的强度和耐水问题。这主要有两条途径：即掺加有机防水材料或无机胶凝材料。加入有机防水材料固然能够提高石膏的耐水性，但是有机防水剂薄膜阻隔了硫酸钙晶体之间的结合，削弱了石膏制品的强度，另外防水剂填充或堵塞石膏的孔隙，降低了石膏的“呼吸”调湿功能。石膏中掺加适量的无机胶凝材料，既可提高其耐水性，又可提高强度，同时还能保持其原有的特种功能，且成本较低。一．无机胶凝材料对建筑石膏的强度及耐水性影响无机胶凝材料对石膏的改性主要是在石膏材料内加入水硬性掺合料。常用的掺合料有：石灰、水泥、粉煤灰、化铁炉渣和高炉水淬矿渣粉。改性机理为水泥和石灰的水化产物Ca2+、Ca（OH）2能够将矿渣微粉和粉煤灰颗粒表面激活，在激发剂的配合下使其分解出（SiO4）4-、（AlO4）5-离子团进入液相，与Ca2+发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，进而与石膏中的硫酸钙发生水化反应，促进石膏胶凝体的初期强度；新生成的水化铝酸钙等又与半水石膏水化后生成的二水石膏反应，生成水化硫铝酸钙，填充、密实石膏孔隙，进一步增进强度。在碱的作用下，二水石膏与水化铝酸钙、矿渣及粉煤灰中的Al2O3化合，生成水化硫铝酸钙及钙矾石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O），这些产物难溶于水，且晶体易于交织，分布在二水石膏晶体周围，对二水石膏起包覆保护作用，明显地提高了粉刷石膏硬化体的耐水性和强度，尤其是后期强度。1.生石灰在石膏内掺加少量的生石灰代替消石灰，则石膏的耐水性及强度都将增大。生石灰经磨细后的比表面积大约是消石灰比表面积的百分之一，因此在表面湿润时它需要的水比消石灰得多。这样石灰在水灰比小的情况下能生成流动的便于加工的材料，也能保证得到高密度，从而获得高强度。生石灰不只是石膏简单的稀薄剂，在生石灰内和石膏内还要发生一些效应：化学水化效应、物理结晶效应以及形成强度的机械效应。由于生石灰的水化硬化，它的强度能比消石灰强度提高20至40倍。生石灰的最佳掺量在10%至20%之间，此时石膏石灰复合胶凝材料的抗压强度最高。从物理化学观点看，无论是生石灰还是消石灰，它们的存在使石膏的溶解度降低。石灰在空气的碳酸气的影响下会转变为碳酸钙，碳酸钙的溶解度是0.0132g/L，约为石膏溶解度的1/200。此时制品内的石膏细粒实际为不溶于水的碳酸钙的保护壳所包覆，因此石膏石灰混合物的耐水性大幅度提高。生石灰的水化放热特性使制品发生内部加热，这将使水分从材料的里层向外层移动，加速了干燥过程。但必须指出生石灰在石膏内发生有利作用的条件是引出水化热，特别是在水灰比小的情况下，如果不进行石灰水化热的引出则不可避免地在材料内要产生高的热应力，材料会发生体积膨胀，可能发生材料的完全破坏。2.水泥建筑石膏中掺入适量的水泥，其强度、耐水性能和耐溶蚀性能都有所提高。用硅酸盐水泥作为建筑石膏的掺合料，主要是利用水泥中的和石膏生成钙矾石，以达到提高石膏的强度和水硬性定的目的。当水泥掺量较低时，其水化过程基本呈现建筑石膏的水化特征，但水泥对建筑石膏的改性作用也较为明显，如硬化体强度、耐水性、抗溶蚀性能有较大提高，主要原因为在混合体系中，水泥单独或水泥与建筑石膏共同水化形成了一些高强度、耐水性较好的水化矿物，其反应时体积的变化对硬化体具有破坏作用或危险性（如钙矾石）。考虑到体积安定性问题，掺加水泥的品种、掺人量、养护制度应加以控制，其中水泥的品种以硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥为好，掺入量在10%至20%之间，养护制度以自然养护为好。3.粉煤灰粉煤灰是活性矿物质，与石灰配合作石膏掺合料同样也可制成复合胶凝材料。粉煤灰的早期水化活性比较差，要利用粉煤灰，关键是如何充分合理激发其火山灰活性。一般采用复合碱激发与复合外加剂，形成多种方式激发粉煤灰的潜在活性，并通过复合型的早强减水剂来改善硬化体孔结构，以提高其强度和耐水性。【2】石膏粉煤灰胶凝材料硬化体是以二水石膏晶体和钙矾石为结构骨架，未水化的粉煤灰颗粒作为微集料填充于空隙中，而水化硅酸钙凝胶作为“粘结剂”将各相结合成整体。石膏粉煤灰胶凝材料的上述微结构，使其具有较好的耐水性。即石膏硬化体的水化产物为耐水性差的二水石膏晶体，而石膏粉煤灰硬化体增加了大量溶解度低的水硬性钙矾石晶体与水化硅酸钙凝胶，部分钙矾石与水化硅酸钙凝胶分布在二水石膏晶体周围，对二水石膏产生包裹保护作用，阻止、削弱了水对二水石膏晶体的侵蚀作用。侵人硬化体内的水既可使部分二水石膏发生溶解侵蚀，对硬化体结构产生破坏作用，同时又能促进未水化粉煤灰进一步水化，有利于硬化体结构的修复和发展，亦即水对二水石膏的侵蚀与对胶凝材料后续水化作用并存。[5]粉煤灰掺量越大越大，软化系数越高，材料的强度也呈升高趋势，所以其掺量可为50%~100%。养护方法最好为蒸汽养护法，也可采用自然养护。作为碱性激发剂的石灰，产量可以在30%以上。此外，活性高的矿渣（如高炉水淬矿渣粉和化铁炉渣）也是很好的石膏掺合料，在实际工程中应用也很广泛。目前，很多学者将研究的目光投人到矿物掺合料的复掺对石膏的影响，并希望通过优化矿物掺合料在建筑石膏中的配置，达到对建筑石膏浆体硬化强度、凝结时间、流动度的性能控制，从而拓宽石膏的应用途径。二．化学外加剂对建筑石膏的强度及耐水性影响石膏在调水后的溶解、水化、胶凝及结晶过程中的连续作用决定于原料质量、缎烧程度、细度、存储时间以及其它条件。建筑石膏的快凝是一直是其施工中需解决的问题，因此石膏胶凝材料外加剂的研究最早是从其缓凝剂开始的。以此为起点，为适应逐渐扩大的石膏的应用范围，其它种类的外加剂如减水剂、防水剂等也得到了迅速的发展和运用。1.缓凝剂速凝是建筑石膏的固有特性，而可操作性是粉刷石膏的主要指标。为使粉刷石膏在施工中有足够的操作时间，应将粉刷石膏的凝结时间调节到较大范围，以满足施工要求，常用的方法是掺加缓凝剂。但是任何一种缓凝剂的加入都会降低粉刷石膏的强度，且随缓凝剂添加量的增加石膏强度降低率增大。这是因为许多缓凝剂使二水石膏晶体粗化、晶体搭接削弱、硬化体空隙变大、孔径分布恶化，从而对于石膏的最终强度有不利影响。因此在调整凝结过程中，要注意其强度的变化。不过有些调凝剂如柠檬酸钾及其盐在掺量很小（0.1%~0.3%）时即可达到对石膏既能起较强缓凝作用，又能提高其强度，是石膏缓凝剂研究的热点。但对整个石膏缓凝剂体系而言，如何降低缓凝剂对建筑石膏强度的负面影响是缓凝剂研究的一个重要方面。一种途径就是开发新型的蛋白质类缓凝剂，蛋白质类缓凝剂与其它缓凝剂的不同之处在于，蛋白质类缓凝剂的缓凝作用来源于蛋白质胶体的吸附和胶体保护作用，其对二水石膏的晶体形貌影响相对较小，强度损失较小。与此同时，石膏细度增加，缓凝剂的缓凝效果变差，也能够导致石膏硬化体强度降低。2.保水剂由于粉刷石膏中掺加了缓凝剂，在一定程度上抑制了半水石膏的水化进程。粉刷石膏在未凝结之前需要在墙体上保持1~2h水化期，而墙体多为吸水性较强的多孔结构，因此，粉刷石膏浆体必须具备足够的保水时间，才能避免浆料中的水分过多、过快地被墙体基层吸收，造成浆料与基层界面粘结不牢或起壳、脱落现象。加入保水剂可以保持石膏浆体中所含的水分，保证界面处石膏浆体的水化反应，从而保证粘结强度。。保水剂用量对粉刷石膏性能的影响见下表：【1】由上表可知：随着保水剂用量的增加，粉刷石膏的保水率呈小幅度上升，当其用量达到0.3%以后，保水率基本不变；随着保水剂用量的提高，粉刷石膏抗折、抗压、粘接强度先升后降，其用量为0.2%时效果较好。3.减水剂一般无机胶凝材料的水粉比越大则强度越低，石膏同样遵循这一规律,其强度和用水量之间的关系如下图所示：[6]这是因为当用水量大时，水化速度快，硬化后晶体较粗，孔隙率大，强度及耐水性降低；当用水量太小时，则石膏浆体流动性差，影响施工性，导致部分石膏得不到水化，致使强度和耐水性降低。在满足施工操作要求的条件下，尽量降低用水量，以增加其强度。掺加减水剂是减少粉刷石膏用水量的有效方法。。常用的石膏减水剂有三大类:FDN类萘系减水剂，主要成份为萘磺酸盐甲醛缩合物和SM类（密胺树脂类减水剂），主要成份为三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物和聚羧酸系减水剂（PCA）。4.防水剂石膏的防水剂的作用途径主要有两条：一是通过降低溶解度，提高软化系数，二为降低石膏材料的吸水率。而降低系数率亦可以从两个方面进行。一个是提高石膏硬化体的密度，即用减少孔隙率和减少结构裂缝的方法来降低石膏的吸水率，以提高石膏的耐性。另一个是提高石膏的表面能，即用可使孔隙表面形成僧水膜的方法来降低石膏吸水率。减少孔隙率的防水剂通过堵塞石膏的微细孔隙，提高石膏体的密实度来起到作用效果。减少孔隙率的外加剂很多，如石蜡乳液、沥青乳液、松香乳液以及石蜡沥青复合乳液等。这些防水剂在适当的配置方法下，对减少石膏孔隙率是有效的，但同时对石膏制品也带来不利的影响。改变表面能的防水剂最典型的为有机硅。它能浸润每个孔隙的端口，在一定长度范围内改变表面能，因而改变了与水的接触角，使水分子凝聚在一起形成液滴，阻截了水的渗入，达到了防水目的，同时保持了石膏的透气性。该类防水剂的品种主要有：甲基硅醇钠，硅酮树脂，乳化硅油等。当然，这种防水剂，要求孔隙的直径不能过大，同时它不能抵挡压力水的渗人，不能从根本上解决石膏制品长期的防水、防潮问题。在石膏制品中防水剂的稳定性是关键。聚合物在表面活性剂作用下分散成微细球形颗粒悬浮于水中，得到聚合物乳液防水剂，将其加入到石膏浆体中时，防水剂中聚合物粒子的电性与浆体中石膏粒子的电性必须一致，否则将会导致防水剂产生絮凝，以致聚合物粒子难以在浆体中分散。一般聚合物乳液防水剂是在负离子表面活性剂的参与下制得的，粒子带负电。因此，应当在聚合物乳液中掺加保护性的非离子型表面活性剂。如将纤维素衍生物等作为稳定剂或者加入碱性电介质物质。目前国内的科研人员用有机材料与无机材料相结合的方法,即以聚乙烯醇与硬脂酸共同乳化所得的有机乳液防水剂为基础，同时添加由明矾石、蔡磺酸盐醛类缩合物组成的盐类防水剂，复合制成了一种新型的石膏复合防水剂该石膏复合防水剂能直接与石膏和水混合，参与到石膏的结晶过程中，获得较好的防水效果。三．含水量对石膏强度的影响1.烘干方式对石膏强度的影响如表1所示，微波烘干石膏型可大大缩短烘干时间，提高生产效率，降低成本和能耗，但对石膏型的强度损失较大。【4】从表1可以看出，石膏型在自然干燥24h后的抗拉强度较高，但在加热烘干后，抗拉强度急剧减小，电阻干燥箱烘干的石膏型与微波高频烘干的石膏型在残余强度方面存在差异.这是由于石膏型本身导热慢，而用微波高频对其进行烘干速度快，石膏型的内部结构发生了变化，从而使石膏型的性能也随之变化。2.烘干时间对石膏强度的影响【7】从上图中可以看出，当使用电阻烘干箱烘干时，随着烘干时间的延长，石膏型的抗拉强度逐渐降低。这是因为持续加热烘干，石膏型中的水分逐渐减少，增加了水溶液中Ca2+离子浓度，因此石膏型的抗拉强度也越来越小。在加热烘干的前5h，石膏型的抗拉强度下降很快，这是因为在加热到5h的时候，石膏型的水分(包括石膏型中的自由