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結(jié)構(gòu)是有效的，用礦物摻合料、化學外加劑、樹脂聚合物、壓制成型等方法，能夠改善石膏混凝土的耐水性。
關鍵詞：石膏膠結(jié)料；礦物摻合料；化學外加劑；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)達國家普遍注意石膏的開發(fā)應用研究，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用狀況。
1 石膏混凝土住宅的特點
石膏及其制品的經(jīng)濟性和某些物理技術(shù)性能超過由水硬性膠結(jié)料制造的制品，并在許多情況下能夠用前者代替后者。由于石膏圍護結(jié)構(gòu)具有高的空氣透過性，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)點之一。
俄羅斯研究者借助功能價值分析方法按10個等級評價3個互換方案的優(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；用高強度等級石膏火山灰膠結(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，飽水后強度降低超過1／2并產(chǎn)生不可逆的變形（徐變），因而影響到它的推廣應用。
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)國內(nèi)外的資料，具體的技術(shù)方案可分為采用化學外加劑、礦物摻合料、樹脂聚合物改性劑、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)會帶來不便。例如：必須在初凝前成型就緒，而凝結(jié)一經(jīng)開始，特別是已凝結(jié)的石膏應保持靜止狀態(tài)，擾亂凝結(jié)過程時會導致破壞已形成的結(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改善石膏漿體的流動性最有效。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，當摻入C－3時，獲得標準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，不用進一步烘干即可制成實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40%～60%；當摻入C一3時，可急劇地降低孔隙率和相應地提高軟化系數(shù)。試驗證明了這種狀況，同時吸水性降低80%以． ，軟化系數(shù)從0．44提高到0．92。這些數(shù)據(jù)說明石膏制品用于外墻構(gòu)件是可行的。
莫斯科建工學院近期專門研究了塑化高強石膏膠結(jié)料的性能。目前在實際生產(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，或者聚合物樹脂，其實質(zhì)是在石膏水化硬化過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。壓制法適于低強度等級的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，能夠制成高強石膏混凝土，石膏膠結(jié)料的需水量應小于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的特點是可由任何初始標準需水性的Ot半水石膏制成，并且ГBHB漿的標準稠度為20%-24%，標準抗壓強度為25～28MPa，經(jīng)6個月為46～65 MPa，經(jīng)3年為54～86 MPa。
無論是由 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 半水石膏的標準稠度需水量由60%降低到49%。C－3超塑化劑對α 半水石膏水化新生成物的比表面積的增大效果大于對β半水石膏，前者是后者的2倍；而C－3對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度損失，而羧酸系、氨基磺酸系的對抑制石膏流動度損失有好的作用。
2．1．2 高強耐水石膏膠結(jié)料的復合外加荊
莫斯科建工學院利用高強石膏研制成高強耐水石膏膠結(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)濟效益。
BBГB的成分為高強石膏：磨細熟料：硅藻土=70：18：2。制成輕骨料混凝土，則使用細度模數(shù)MK=2．26的石英砂，最大粒徑20mm的陶粒。
化學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，陶粒混凝土強度增長很快，與基準的BBГB相比，經(jīng)2h，強度提高77%一116%；經(jīng)28d，強度提高29%-63%。
超塑化劑使BBГB混凝土凝結(jié)時間加快，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，對于BBГB有效的BPП-1，它可作為復合外加劑的一個組分。最有效的復合外加劑是C一3 （或10—03）+BPП—l，采用這種復合外加劑以BBГB制造陶?；炷習r，可以保證延緩凝結(jié)時間，加快強度增長，經(jīng)2 h達50%設計強度，而經(jīng)l d可達80%一90%設計強度，同時，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，采用復合外加劑，能夠不用熱養(yǎng)護，并免去對制品的烘干過程。這樣，由輕混凝土制造構(gòu)件，例如在壓制臺上成型構(gòu)件時，1 m3制品的能耗（以標準煤計）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)時間變化不大，為6min左右；石膏混凝土強度提高65% ；在10MPa壓力作用下，可制得高強混凝土；已用于生產(chǎn)通風管道和預制構(gòu)件；制品的熱養(yǎng)護費用減少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)下的強度比純石膏、石膏火山灰水泥的強度高；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0．92，石膏復合膠結(jié)料的孔結(jié)構(gòu)優(yōu)于前二者，見表3。
 這種石膏復合膠結(jié)料町以用作外墻制品。
同時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)料及高強度和高耐水性的石膏制品。
礦物摻合料在與化學外加劑共同磨細的過程中經(jīng)受了物理化學活化。在商品建筑石膏和礦物摻合料的基礎上，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，其制品按抗壓強度為基準石膏混凝土（20+5 MPa）的122%～l 14%。用白云石粉取代25%石膏的試件的抗彎強度、耐磨強度提高，吸水性降低到9%～10% ，耐水性提高。
摻入木屑達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
當用熱水（50~70℃）拌和高強石膏時，其凝結(jié)過程延緩不大。用70 ℃熱水拌和時，石膏混凝土的抗壓強度有提高，因為水的蒸發(fā)過程促進了二水石膏從溶液中析出。建議用溫度70℃熱水拌和高強石膏，既能提高制品的強度叉使凝結(jié)時間稍有延緩。
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相比，當石膏混凝土的密度達1．8—2．0t／m3 時，采取壓制成型方法制成的石膏混凝土的強度和耐水性可提高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，對石膏混凝土進行壓制能夠達到要求的密度。修筑路面時，則靠氣動（或液壓）壓路機壓實結(jié)構(gòu)層來實現(xiàn)。壓實能夠提高磷石膏混凝土的強度，補償雜質(zhì)造成的不利影響。無論采用外加劑浸漬還是使石膏混凝土表面憎水化，都不能達到像壓實所取得的這種改善性能的結(jié)果。
與建筑石膏相比，經(jīng)過加工的磷石膏雖然具有比較長的凝結(jié)期（初凝時間為6~20min，終凝時間為15～40min），但這對于修筑道路的結(jié)構(gòu)層是不夠的。
摻入緩凝劑的效果見表4。
 由表4的數(shù)據(jù)可見，所有緩凝劑都在一定程度上降低了磷石膏混凝土的強度，但強度的絕對值對保證材料的使用性能還是足夠的。
外加劑對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)料的初凝時間。因為加熱拌和水，半水石膏在水中的溶解度降低，例如水溫50℃經(jīng)35rain進入初凝，那么在水溫90℃時，則須經(jīng)45min。即使是90℃的條件下，延緩效果遠遠低于采用緩凝劑時的效果。采取加熱磷石膏和拌和水以提高溫度的方法延緩凝結(jié)時問時，磷石膏的強度會提高。
上世紀80年代中期，烏克蘭道路建設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脂。
化學外加劑對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 ℃和相對濕度5%～8%的條件下進行試驗的，結(jié)果見表5。
 可見，摻人0．5%憎水劑或5%合成樹脂，可把石膏混凝土的強度從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，為最完全地通過合成的縮聚過程，必須采取保證石膏凝結(jié)期和樹脂的縮聚時間同時適應的硬化制度。
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)，即可達到要求。
為提高泡沫石膏混凝土的強度和耐久性，在生產(chǎn)中采用超塑化劑，在保持一定流動度的條件下，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度和使用指標的方法之一。例如：采用低漿體配筋的泡沫石膏混凝土，當平均密度為700kg／m3時，其抗壓抗折強度為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，使用有機泡沫劑以及有機硅液體作為憎水劑，來制取平均密度800~1 000 kg／m 3、抗壓強度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，必須考慮這一問題。
各種工藝因素對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大于300mm，否則會導致泡沫石膏混凝土的密度增大；
（2） 澆筑泡沫石膏混凝土拌合物時，應采用較小流動度（140—170mm）的拌合物，并合理進行短時間的振搗，否則流動度需達200mm，此時會降低制品的物理力學性能；
?。?） 為改善泡沫石膏混凝土的使用性能，應在拌合物中摻入有機硅憎水劑，其摻量為石膏膠結(jié)料質(zhì)量的0．2%－0．3%。這種外加劑對泡沫混凝土的平均密度和強度無影響，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間應不少于8h（當溫度為70～80 ℃），若干燥時間相同，采取60℃將導致增大剩余含水率，會降低混凝土的物理力學性能。
我國石膏儲量世界第一、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，美國達70% ，而我國少有應用。我國目前主要是生產(chǎn)紙面石膏板，用做隔墻及裝飾板材。近年來，粉刷石膏有較快的發(fā)展，石膏砌塊也有應用，然而把石膏制品用于低層和多層承重圍護結(jié)構(gòu)的尚未見有報道。
在保護生態(tài)環(huán)境，建筑節(jié)能成為國內(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，市場前景廣闊。 |
| 原作者： 屈志中 |
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