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