提高石膏混凝土建筑性能的若干技術(shù)途徑
2006-08-17 00:00
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摘 要：石膏是一種節(jié)能型的膠結(jié)料，石膏混凝土用于單層住宅建筑承重圍護(hù)結(jié)構(gòu)是有效的，用礦物摻合料、化學(xué)外加劑、樹(shù)脂聚合物、壓制成型等方法，能夠改善石膏混凝土的耐水性。
關(guān)鍵詞：石膏膠結(jié)料；礦物摻合料；化學(xué)外加劑；耐水性；泡沫石膏混凝土
石膏足一種節(jié)能型的膠結(jié)料， 由于其原料資源豐富，目前，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍注意石膏的開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究，并廣泛用于工業(yè)與民用建筑工程。本文主要介紹俄羅斯近期的研究和應(yīng)用狀況。
1 石膏混凝土住宅的特點(diǎn)
石膏及其制品的經(jīng)濟(jì)性和某些物理技術(shù)性能超過(guò)由水硬性膠結(jié)料制造的制品，并在許多情況下能夠用前者代替后者。由于石膏圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有高的空氣透過(guò)性，能夠在建筑物的房間內(nèi)形成良好的小氣候，是石膏膠結(jié)料明顯的優(yōu)點(diǎn)之一。
俄羅斯研究者借助功能價(jià)值分析方法按10個(gè)等級(jí)評(píng)價(jià)3個(gè)互換方案的優(yōu)劣狀況，曾完成r單層居住房屋的選型（表1）。分析表明，按效果和建筑成本、用戶需求、施工期、石膏制品建筑不次于用傳統(tǒng)材料建造的房屋。
 根據(jù)前蘇聯(lián)建筑經(jīng)濟(jì)科研所的資料，用大型石膏混凝土隔墻板代替磚墻，每1 000 m2 可節(jié)約水泥5 t；采用優(yōu)質(zhì)石膏紙板隔墻代替磚隔墻，每1 000m 2可節(jié)約水泥13．4t；用高強(qiáng)度等級(jí)石膏火山灰膠結(jié)料代替部分水泥制造輕混凝土，每1 000m3 可節(jié)約水泥150t。但由于石膏制品耐水性低，飽水后強(qiáng)度降低超過(guò)1／2并產(chǎn)生不可逆的變形（徐變），因而影響到它的推廣應(yīng)用。
2 提高石膏混凝土性能的途徑
在石膏中摻憎水劑或者降低石膏溶解度和需水性的物質(zhì)是改善其不良性能的方法之一。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外的資料，具體的技術(shù)方案可分為采用化學(xué)外加劑、礦物摻合料、樹(shù)脂聚合物改性劑、壓制成型等方法，或者兩種方法結(jié)合使用，均可取得明顯的效果。
2．1 使用化學(xué)外加劑和礦物摻合料
在許多情況下，石膏膠結(jié)料很快凝結(jié)會(huì)帶來(lái)不便。例如：必須在初凝前成型就緒，而凝結(jié)一經(jīng)開(kāi)始，特別是已凝結(jié)的石膏應(yīng)保持靜止?fàn)顟B(tài)，擾亂凝結(jié)過(guò)程時(shí)會(huì)導(dǎo)致破壞已形成的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是石膏混凝土或砂漿的強(qiáng)度降低。摻人外加劑和礦物摻合料，能夠延緩石膏膠結(jié)料的凝結(jié)過(guò)程，并能提高石膏制品的耐水性。
2．1．1 使用萘系超塑化劑
日本早先的研究證明，聚烷基磺酸鹽和聚烷基苯磺酸鹽對(duì)改善石膏漿體的流動(dòng)性最有效。因此可以減小水石膏比，制得孔隙率小的石膏制品。
試驗(yàn)采用α 型半水石膏和C一3（萘系）超塑化劑。
獲得的數(shù)據(jù)（表2）表明，當(dāng)摻入C－3時(shí)，獲得標(biāo)準(zhǔn)稠度的拌和水用景急劇降低，甚至使用0．25%C－3（占膠結(jié)料質(zhì)量）可把水石膏比從49%降低到37%；而摻入2%C－3，水石膏比降低到20%。考慮到不包括雜質(zhì)，要求的石膏反應(yīng)需水量為18．6%，這樣，包含在石膏硬化體中的剩余含水率僅為1．4%，這意味著，不用進(jìn)一步烘干即可制成實(shí)際上千燥的石膏制品。
 石膏制品由于用了多量的拌和水，在干燥之后具有足夠高的孔隙率，多達(dá)40%～60%；當(dāng)摻入C一3時(shí)，可急劇地降低孔隙率和相應(yīng)地提高軟化系數(shù)。試驗(yàn)證明了這種狀況，同時(shí)吸水性降低80%以． ，軟化系數(shù)從0．44提高到0．92。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明石膏制品用于外墻構(gòu)件是可行的。
莫斯科建工學(xué)院近期專門研究了塑化高強(qiáng)石膏膠結(jié)料的性能。目前在實(shí)際生產(chǎn)中，采用兩種方法降低石膏混凝土制品的孔隙率。第一種方法是在石膏拌合物中摻硅酸鹽水泥及活性礦物摻合料，或者聚合物樹(shù)脂，其實(shí)質(zhì)是在石膏水化硬化過(guò)程中填充石膏混凝土的大孔，從而降低它的孔隙率。第二種方法是在低水石膏比的條件下成型制品，采用這種方法可以有兩種工藝，即壓制法和澆筑成型。壓制法適于低強(qiáng)度等級(jí)的β 半水石膏膠結(jié)料，通常拌合物的水石膏比為0．18～0．22；但該法工藝性差，生產(chǎn)率低，能耗高，故采用不多。最有利的是澆筑成型法，能夠制成高強(qiáng)石膏混凝土，石膏膠結(jié)料的需水量應(yīng)小于25%。俄羅斯建材科研院利用超塑化劑（C－3）研制成低需水性石膏膠結(jié)料（ГBHB）能滿足澆筑成型的要求。FBHB的特點(diǎn)是可由任何初始標(biāo)準(zhǔn)需水性的Ot半水石膏制成，并且ГBHB漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度為20%-24%，標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度為25～28MPa，經(jīng)6個(gè)月為46～65 MPa，經(jīng)3年為54～86 MPa。
無(wú)論是由 α 半水石膏還是β 半水石膏制成FBHB，C－3的摻量從0～2%。而β 半水石膏的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量由60%降低到49%。C－3超塑化劑對(duì)α 半水石膏水化新生成物的比表面積的增大效果大于對(duì)β半水石膏，前者是后者的2倍；而C－3對(duì)α和β半水石膏的水化生成物吸附的狀況幾乎是相同的。與普通水泥混凝土的狀況相似，C－3萘系超塑化劑加快石膏拌合物的流動(dòng)度損失，而羧酸系、氨基磺酸系的對(duì)抑制石膏流動(dòng)度損失有好的作用。
2．1．2 高強(qiáng)耐水石膏膠結(jié)料的復(fù)合外加荊
莫斯科建工學(xué)院利用高強(qiáng)石膏研制成高強(qiáng)耐水石膏膠結(jié)料（BBГB），廣泛用于制造輕骨料混凝土墻板取得明顯技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
BBГB的成分為高強(qiáng)石膏：磨細(xì)熟料：硅藻土=70：18：2。制成輕骨料混凝土，則使用細(xì)度模數(shù)MK=2．26的石英砂，最大粒徑20mm的陶粒。
化學(xué)外加劑采用超塑化劑C一3、10一03（三聚氰胺系）、緩凝劑BPП一1（水楊酸甲醛縮合物）、CⅡB（木質(zhì)素磺酸鹽）、乙二胺、Na3PO4 等。
研究結(jié)果證明10一03和C一3超塑化劑具有高的超塑化作用，摻入這些外加劑，拌和水量可以最大減少5l%。在硬化早期，陶粒混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)很快，與基準(zhǔn)的BBГB相比，經(jīng)2h，強(qiáng)度提高77%一116%；經(jīng)28d，強(qiáng)度提高29%-63%。
超塑化劑使BBГB混凝土凝結(jié)時(shí)間加快，在這種情況下要求摻入緩凝劑，以保證初凝（取決于所采取的制造工藝）不早于25~40min，對(duì)于BBГB有效的BPП-1，它可作為復(fù)合外加劑的一個(gè)組分。最有效的復(fù)合外加劑是C一3 （或10—03）+BPП—l，采用這種復(fù)合外加劑以BBГB制造陶粒混凝土?xí)r，可以保證延緩凝結(jié)時(shí)間，加快強(qiáng)度增長(zhǎng)，經(jīng)2 h達(dá)50%設(shè)計(jì)強(qiáng)度，而經(jīng)l d可達(dá)80%一90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度，同時(shí)，可以降低制品的初始含水率14%一l6% 。
在生產(chǎn)中，以BBГB為膠結(jié)料，采用復(fù)合外加劑，能夠不用熱養(yǎng)護(hù)，并免去對(duì)制品的烘干過(guò)程。這樣，由輕混凝土制造構(gòu)件，例如在壓制臺(tái)上成型構(gòu)件時(shí)，1 m3制品的能耗（以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)）可降低63 kg。
研究提出在石膏水泥火山灰膠結(jié)料中，加入CⅡB或C一3與硫酸鐵組成的復(fù)合外加劑，在適宜摻量條件下，拌合物的需水量可以減少20% ；凝結(jié)時(shí)間變化不大，為6min左右；石膏混凝土強(qiáng)度提高65% ；在10MPa壓力作用下，可制得高強(qiáng)混凝土；已用于生產(chǎn)通風(fēng)管道和預(yù)制構(gòu)件；制品的熱養(yǎng)護(hù)費(fèi)用減少50%~100%。
近期，俄羅斯以生石灰、硅粉為摻合料并摻入四硼酸鈉緩凝劑和C一3超塑化劑，研制成以半水石膏為基料的復(fù)合膠結(jié)料。這種膠結(jié)料的性能優(yōu)于石膏火山灰水泥，成型后干燥狀態(tài)下的強(qiáng)度比純石膏、石膏火山灰水泥的強(qiáng)度高；尤其是在飽水的條件下，比純石膏高2．5～3倍，也比石膏火山灰水泥的高，其軟化系數(shù)達(dá)0．92，石膏復(fù)合膠結(jié)料的孔結(jié)構(gòu)優(yōu)于前二者，見(jiàn)表3。
 這種石膏復(fù)合膠結(jié)料町以用作外墻制品。
同時(shí)利用活性礦物摻合料和超塑化劑，能夠獲得低需水性的石膏膠結(jié)料及高強(qiáng)度和高耐水性的石膏制品。
礦物摻合料在與化學(xué)外加劑共同磨細(xì)的過(guò)程中經(jīng)受了物理化學(xué)活化。在商品建筑石膏和礦物摻合料的基礎(chǔ)上，可制成流態(tài)的石膏拌合物。
能夠提高混凝土的物理力學(xué)性能的摻合料，包括石英砂和熱活性含沸石的凝灰?guī)r、活化石灰和C－3或用水玻璃活化的石英砂，其制品按抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)石膏混凝土（20+5 MPa）的122%～l 14%。用白云石粉取代25%石膏的試件的抗彎強(qiáng)度、耐磨強(qiáng)度提高，吸水性降低到9%～10% ，耐水性提高。
摻入木屑達(dá)75%（按體積）能把石膏混凝土的密度降低65%（即降低到600kg／m3 ），制成抗壓1．5MPa的隔熱制品。
2．2 其他措施
2．2．1 提高拌和水的溫度
當(dāng)用熱水（50~70℃）拌和高強(qiáng)石膏時(shí)，其凝結(jié)過(guò)程延緩不大。用70 ℃熱水拌和時(shí)，石膏混凝土的抗壓強(qiáng)度有提高，因?yàn)樗恼舭l(fā)過(guò)程促進(jìn)了二水石膏從溶液中析出。建議用溫度70℃熱水拌和高強(qiáng)石膏，既能提高制品的強(qiáng)度叉使凝結(jié)時(shí)間稍有延緩。
2．2．2 利用礦物肥料的生產(chǎn)廢料—— 磷石膏
利用立筒式或其他干燥設(shè)備在l10—145 ℃的條件下，能夠有效地把磷石膏加工成β半水石膏。
研究表明，采用在初凝前壓實(shí)膠結(jié)料懸浮液的方法能夠大大地改善以酸性β半水石膏為膠結(jié)料的石膏混凝土的結(jié)構(gòu)。與用澆注方法獲得的石膏混凝土的類似指標(biāo)相比，當(dāng)石膏混凝土的密度達(dá)1．8—2．0t／m3 時(shí)，采取壓制成型方法制成的石膏混凝土的強(qiáng)度和耐水性可提高1—3倍。
由干硬性石膏混凝土拌合物在加荷15～40 MPa的條件下，對(duì)石膏混凝土進(jìn)行壓制能夠達(dá)到要求的密度。修筑路面時(shí)，則靠氣動(dòng)（或液壓）壓路機(jī)壓實(shí)結(jié)構(gòu)層來(lái)實(shí)現(xiàn)。壓實(shí)能夠提高磷石膏混凝土的強(qiáng)度，補(bǔ)償雜質(zhì)造成的不利影響。無(wú)論采用外加劑浸漬還是使石膏混凝土表面憎水化，都不能達(dá)到像壓實(shí)所取得的這種改善性能的結(jié)果。
與建筑石膏相比，經(jīng)過(guò)加工的磷石膏雖然具有比較長(zhǎng)的凝結(jié)期（初凝時(shí)間為6~20min，終凝時(shí)間為15～40min），但這對(duì)于修筑道路的結(jié)構(gòu)層是不夠的。
摻入緩凝劑的效果見(jiàn)表4。
 由表4的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，所有緩凝劑都在一定程度上降低了磷石膏混凝土的強(qiáng)度，但強(qiáng)度的絕對(duì)值對(duì)保證材料的使用性能還是足夠的。
外加劑對(duì)磷石膏混凝土耐水性的影響是不同的，摻入這些緩凝劑如Na2C03、K2CO3、三乙醇胺，石膏混凝土的耐水性保持在基準(zhǔn)混凝土的水平上。從耐水性考慮，建議把Na2CO3、K2CO3、三乙醇胺、四硼酸鈉作為酸性B型磷石膏膠結(jié)料的緩凝劑。
與高強(qiáng)石膏的情況相似，提高拌和水的溫度能夠延緩磷石膏膠結(jié)料的初凝時(shí)間。因?yàn)榧訜岚韬退胨嘣谒械娜芙舛冉档?，例如水?0℃經(jīng)35rain進(jìn)入初凝，那么在水溫90℃時(shí)，則須經(jīng)45min。即使是90℃的條件下，延緩效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用緩凝劑時(shí)的效果。采取加熱磷石膏和拌和水以提高溫度的方法延緩凝結(jié)時(shí)問(wèn)時(shí)，磷石膏的強(qiáng)度會(huì)提高。
上世紀(jì)80年代中期，烏克蘭道路建設(shè)部利用磷石膏修筑道路結(jié)構(gòu)層，并成功地投入使用。
2．2．3 摻加憎水劑和合成樹(shù)脂
提高石膏混凝土耐水性和抗凍性的最合理方法是在其拌合物中摻人憎水性外加劑或合成樹(shù)脂。
化學(xué)外加劑對(duì)石膏混凝土主要性能的影響是在硬化制度為2+2+6+1h、恒溫65-90 ℃和相對(duì)濕度5%～8%的條件下進(jìn)行試驗(yàn)的，結(jié)果見(jiàn)表5。
 可見(jiàn)，摻人0．5%憎水劑或5%合成樹(shù)脂，可把石膏混凝土的強(qiáng)度從22．6~28．7 MPa提高到26．8~36．2 MPa；石膏混凝土的吸水率從9．6%~11．0%降低到4．3%－5．3%，幾乎降低了1／2；而抗凍性從15~20次提高到50次凍融循環(huán)。
使用這種外加劑時(shí)，為最完全地通過(guò)合成的縮聚過(guò)程，必須采取保證石膏凝結(jié)期和樹(shù)脂的縮聚時(shí)間同時(shí)適應(yīng)的硬化制度。
3 泡沫石膏混凝土
俄羅斯的研究證明，采用加氣劑法，漿體在成孔時(shí)膨脹和隨后的硬化階段穩(wěn)定性差，因而制品的密度變化大，較難控制；而采用泡沫劑制造泡沫石膏混凝土的方法則較好，主要是選用質(zhì)量好的泡沫劑和攪拌參數(shù)，即可達(dá)到要求。
為提高泡沫石膏混凝土的強(qiáng)度和耐久性，在生產(chǎn)中采用超塑化劑，在保持一定流動(dòng)度的條件下，可以降低石膏漿的需水量15%左右。
除了采用超塑化劑外，采取分散配筋也是改善泡沫石膏混凝土強(qiáng)度和使用指標(biāo)的方法之一。例如：采用低漿體配筋的泡沫石膏混凝土，當(dāng)平均密度為700kg／m3時(shí)，其抗壓抗折強(qiáng)度為1．9 MPa，這種泡沫石膏混凝土能夠用于低層建筑的墻體。
在俄羅斯曾用石膏水泥火山灰膠結(jié)料以及磷石膏，使用有機(jī)泡沫劑以及有機(jī)硅液體作為憎水劑，來(lái)制取平均密度800~1 000 kg／m 3、抗壓強(qiáng)度2．5~3．5 MPa的墻體材料。 泡沫石膏混凝土的性能列于表6。 泡沫石膏混凝土的Ra相當(dāng)高（ Ra=0．92~0．98R），而彈性模量低，表明徐變變形大，故以此種泡沫石膏混凝土作承重墻體時(shí)，必須考慮這一問(wèn)題。
各種工藝因素對(duì)泡沫石膏混凝土性能的影響如下：
?。?） 拌合物落人模型的高度不應(yīng)大于300mm，否則會(huì)導(dǎo)致泡沫石膏混凝土的密度增大；
?。?） 澆筑泡沫石膏混凝土拌合物時(shí)，應(yīng)采用較小流動(dòng)度（140—170mm）的拌合物，并合理進(jìn)行短時(shí)間的振搗，否則流動(dòng)度需達(dá)200mm，此時(shí)會(huì)降低制品的物理力學(xué)性能；
（3） 為改善泡沫石膏混凝土的使用性能，應(yīng)在拌合物中摻入有機(jī)硅憎水劑，其摻量為石膏膠結(jié)料質(zhì)量的0．2%－0．3%。這種外加劑對(duì)泡沫混凝土的平均密度和強(qiáng)度無(wú)影響，而泡沫石膏混凝土的抗凍性可提高到25次凍融循環(huán)；
?。?） 泡沫石膏混凝土制品干燥時(shí)間應(yīng)不少于8h（當(dāng)溫度為70～80 ℃），若干燥時(shí)間相同，采取60℃將導(dǎo)致增大剩余含水率，會(huì)降低混凝土的物理力學(xué)性能。
我國(guó)石膏儲(chǔ)量世界第一、產(chǎn)量第二。石膏作為節(jié)能建材，被廣泛重視，歐、俄等地石膏墻材占全部墻材的50%左右，美國(guó)達(dá)70% ，而我國(guó)少有應(yīng)用。我國(guó)目前主要是生產(chǎn)紙面石膏板，用做隔墻及裝飾板材。近年來(lái)，粉刷石膏有較快的發(fā)展，石膏砌塊也有應(yīng)用，然而把石膏制品用于低層和多層承重圍護(hù)結(jié)構(gòu)的尚未見(jiàn)有報(bào)道。
在保護(hù)生態(tài)環(huán)境，建筑節(jié)能成為國(guó)內(nèi)重大課題的條件下，研究建筑石膏、磷石膏、脫硫石膏的利用技術(shù)，開(kāi)發(fā)輕質(zhì)石膏制品用于住宅建筑以及作隔熱保溫材料，市場(chǎng)前景廣闊。 |
| 原作者： 屈志中 |
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