（材料物理与化学专业论文）化学外加剂对建筑石膏耐水性能的影响.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 建筑石膏制品具有轻质、保温、隔热、隔音、防火、装饰效果好等优点，正逐步 成为墙体材料的主导产品。但是，普通建筑石膏制品的吸水率较高，其饱和吸水后的 强度降低很多，软化系数仅为o 2 0 - 3 ，致使它的应用受到了很大的限制。 本文分析了建筑石膏制品耐水性能差的基础理论，总结和归纳了当前国内外改善 建筑石膏耐水性能的手段和途径，并通过石蜡乳液、甲基硅酸钠、硅烷乳液为基础的 化学外加剂来改善建筑石膏制品的耐水性能。由于单种外加剂具有局限性，它不可能 全面提高建筑石膏的耐水性能，因此，本实验对化学外加剂进行复配，通过多种外加 剂的交互作用，使其能够较好的提高建筑石膏的耐水性能，并利用x r d 、s e m 、红 外能谱分析等测试手段，在实验中深入分析和探讨了它们的作用机理。 对液体石蜡进行乳化，并将石蜡乳液掺入到石膏浆体中，使石膏体的吸水率降低 了1 0 ，通过扫描电镜分析以及界面化学理论得出，石蜡乳液是以包裹石膏体颗粒、 改变接触角、填充石膏孔隙来降低石膏体的吸水率的，同时由于石蜡乳液阻碍了二水 石膏晶体的发育，从而降低了石膏体的强度。此外，利用石蜡乳液、减水剂、硼砂、 聚乙烯醇的复配以及石蜡乳液、减水剂、引气剂、缓凝剂、明矾的复配对建筑石膏的 耐水性能进行改善，前者使石膏的软化系数从o 3 6 2 提高到了o 8 3 5 ，而且7 2 h 吸水 率降低了约8 ，干强度保留率接近7 0 ，湿强度也有较大幅度提高，提高了5 0 ； 后者使石膏体吸水率降低5 ，并且其绝干抗压强度提高了1 0 2 ，绝干抗折强度提 高了4 0 。 利用扫描电镜等测试手段对甲基硅酸钠改善建筑石膏耐水性能的机理做了分析 和讨论，得出，甲基硅酸钠是以浸润石膏体孔隙端口，在一定长度范围内改变石膏体 的表面能来降低石膏体的吸水率的，虽然也损害石膏体的强度，但它能够保持石膏体 具有良好的透气性能。利用扫描电镜以及x 射线衍射分析，研究了硅溶胶对建筑石 膏性能的影响，得出，硅溶胶是二氧化硅胶体粒子在水中均匀扩散形成的胶体溶液， 它和石膏溶出的c a 2 结合，形成水化硅酸钙凝胶，改变了二水石膏的结构特征，使石 膏晶体增大，结晶结构接触点减少，从而提高了耐水强度。此外，利用甲基硅酸钠、 甲基纤维素、硅溶胶的复配，使石膏体吸水率降低了6 5 ，同时其绝干抗折强度提 高了4 8 o ，绝干抗压强度提高了2 5 o ，湿抗折强度提高了3 8 ，湿抗压强度提高 ，3 6 5 。 研究了硅烷乳液对建筑石膏耐水性能的影响，该防水剂能够使石膏体吸水率降低 1 0 ，在不降低石膏体强度的同时，还保留了石膏体良好的透气性能。利用红外能谱 分析、x 衍射、s e m 等测试对其作用机理进行了初步分析，认为，硅烷的作用机理 是吸附在石膏颗粒表面，通过在一定长度范围内改变石膏颗粒的表面能，提高石膏体 的憎水能力，此外，通过烷氧基的水解缩合反应形成交联结构，改进石膏体的性能， 或者是硅烷吸附在石膏颗粒表面，硅烷中的s i o h 基与石膏颗粒表面的羟基等作用， 形成氢键或化学键，提高表面的粘接强度，从而提高石膏颗粒之间的结合性。并通过 硅烷乳液与甲基硅酸钠、石蜡乳液的复配以及硅烷乳液、硅溶胶、石蜡乳液、甲基硅 酸钠的复配以进一步改善石膏体的耐水性能，但没有达到很好的效果；通过硅烷乳液、 聚丙烯酸胺、硅溶胶的复配验证了硅烷乳液和聚丙烯酸胺的复配能够降低石膏体的吸 水率；通过硅烷乳液、石蜡、硅溶胶、减水剂的复配使石膏体的2 小时吸水率降低了 5 8 0 ，而且其强度得到了提高，特别是湿压强度从6 9 9 m p a 提高到了9 9 2 m p a ，软化 系数从0 3 7 提高到了0 5 6 。 本论文所添加的三种外加剂的作用机理各不相同，在防水方面存在着各自的优缺 点，针对它们各自的性能特点，本文对这三种外加剂的利弊作了分析，作者认为，硅 烷乳液是一种很有发展潜力的防水剂。 关键词：建筑石膏；耐水性能；吸水率；软化系数；石蜡乳液：甲基硅酸钠；硅烷 乳液 i i 济南大学硕士学位论文 ab s t r a c t g y p s u mp r o d u c t sa r eg r a d u a l l yb e c o m i n go n ed o m i n a n tp r o d u c to fw a l lm a t e r i a l sa si t s e x c e l l e n tp r o p e r t i e so fl i g h tq u a l i t y , g o o dh e a tp r e s e r v a t i o n ，g o o dh e a ti n s u l a t i o n ，g o o d f i r e r e s i s t a n t ，g o o ds o u n di n s u l a t i o n ，g o o da d o r n i n ge f f e c t sa n ds oo n ，b u tg y p s u m sh i g h w a t e ra b s o r p t i o n ，l o ws t r e n g t hw h e ni ss o a k e di nw a t e ra n d l o ww e t d r ys t r e n g t hr a d i oo f 0 2 0 3l i m i ti t sa p p l i c a t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h e b a s i ct h e o r i e so fb u i l d i n g g y p s u m sw a t e r - r e s i s t a n t , a n d c o n c l u d e st h em e t h o d sw h i c ht h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a le x p e r t sa d o p t t h i sp a p e r r e s e a r c h e st h ep a r a f l ml a t e x ，s o d i u mm e t h y lm e t a s i l i c a t ea n ds i l a n el a t e xt oi m p r o v et h e p r o p e r t yo fb u i l d i n gg y p s u m t h es i n g l ea d d i t i v ed o e s n tc o m p r e h e n s i v e l yr e s o l v et h e p r o b l e ma si t sl i m i t a t i o n ，s ot h i st e s ta d o p t st h ew a yo fm i x i n gc h e m i c a la d d i t i v e st o i m p r o v et h ew a t e r - r e s i s t a n tp r o p e r t y t h ew a t e r - r e s i s t a n tp r o p e r t yi si m p r o v e di nm i x e d a d d i t i v e s m u t u a lf u n c t i o n sa n dt h em e c h a n i c so f t h em u t u a lf u n c t i o n sa r es t u d i e db yu s i n g x r d ，s e m a n ds oo n e m u l s i f yt h ep a r a f f i na n dp a r a f f i nl a t e xm a k e sb u i l d i n gg y p s u m sw a t e ra b s o r p t i o nf a l l d o w n1 0 w h e ni ti sf i l l e di n t ob u i l d i n gg y p s u m b yu s i n gx r da n ds u r f a c ec h e m i c a l t h e o r yw eg e tt h a tt h er e a s o np a r a f f i nl a t e xi n c r e a s e st h ew a t e ra b s o r p t i o ni st oc h a n g et h e a n g l eo fc o n t a c ta n df i l lt h eg y p s u m s p o r e s t h ep a r a f f ml a t e xb l o c k st h eg r o w t ho f d e h y d r a t egy p s u m s c r y s t a l s ，s oi tr e d u c e st h es t r e n g t h t h ew e t d r ys t r e n g t hr a t i oo f g y p s u mr i s e sf r o mo 3 6 2t o0 8 3 5 ，t h e7 2 hw a t e ra b s o r p t i o nf a l l sd o w n8 。t h ed r y s t r e n g t hh a s7 0 r e m a i n e d ，a n dt h ew e ts t r e n g t hh a si n c r e a s e d5 0 b ym i x i n gt h ep a r a f f i n l a t e x , w a t e rr e d u c i n ga g e n kb o r a xa n dp v a t h ew a t e ra b s o r p t i o nf a l l sd o w n5 a n dt h e d r yc o m p r e s s i o ns t r e n g t hi n c r e a s e s1 0 2 w h i l et h ew e tc r e a s i n gs t r e n g t hi n c r e a s e s4 0 b y m i x i n gt h ep a r a f f i nl a t e x ，w a t e rr e d u c i n ga g e n t ，g a sl e a d i n ga g e n t ，r e t a r d i n ga g e n ta n d a 1 a u m r e s e a r c ht h em e c h a n i c so fs o d i u mm e t h y lm e t a s i l i c a t eb yu s i n gs e ma n ds oo n g e t t h a ti ti n f i l t r a t e st h ep o r to f p o r e sa n dc h a n g e st h es u r f a c ee n e r g yi na g i v e ns i z ed i m e n s i o n , a n dm a k e st h em a t e rm o l e c u l a ra g g l o m e r a t et ob el i q u i d sd r o p ，c o n s e q u e n t l yi ti n t e r c e p t s t h ei m m e r g i n go f w a t e ra n do b t a i n st h ee f f e c to f w a t e r p r o o f b e c a u s et h i ss t r u c t u r ed o e s n t i i i 化学外加剂对建筑石膏耐水性能的影响 w a l lu pt h et i n yp o r e s ，i tk e e p st h eg o o dp r o p e r t yo fb r e a t h ef r e e l y r e s e a r c ht h ei n f l u e n c e o fs i l i c as o ls l u r r yt ot h eg y p s u mb yu s i n gs e ma n dx r d ，g e tt h a ti ti st h es i l i c o nc o l l o i d p a r t i c l e sd i s p e r s i n gi nw a t e ra n df o r m i n gc o l l o i dl i q u o r , a n di t a c t sw i t ht h ec d + a n d g e n e r a t e sc a l c i u ms i l i c a t e j e l lw h i c hc h a n g e s t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r sa n dg y p s u m sc r y s t a l s b e c o m eb i g g e r ，s ot h ew e ts t r e n g t ho fg y p s u n li si m p r o v e d t h ew a t e ra b s o r p t i o nr e d u c e s 6 5 ，t h ed r yc r e a s i n gs t r e n g t hi n c r e a s e s4 8 0 ，t h ed r yc o m p r e s s i n gs t r e n g t hi n c r e a s e s 2 5 o w e tc r e a s i n gs t r e n g t hi n c r e a s e s3 8 a n dw e tc o m p r e s s i n gs t r e n g t hi n c r e a s e s 3 6 5 b ym i x i n gs o d i u mm e t h y lm e t a s i l i c a t e ，m e t h y lc e l l u l o s ea n ds i l i c as o ls l u r r y r e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fs i l a n el a t e xt ot h eg y p s u m sw a t e r - r e s i s t a n tp r o p e r t y t h i s w a t e r p r o o f m ga g e n tm a k e st h ew a t e ra b s o r p t i o nr e d u c e d1 0 ，a n dr e s e r v e st h ea e r a t i o n p r o p e r t ya st h es t r e n g t hh a s1 1 0l o s s r e s e a r c ht h em e c h a n i c so fs i l a n el a t e xb yu s i n g i n f r a r e ds p e c t r u ma n a l y s i s t h er e a s o ni st h a tf i r s t l yt h es i l a n el a t e xa b s o r b st h eg y p s u m g r a m sa n dc h a n g e st h es u r f a c ee n e r g y , i e ，c h a n g e st h ea n g l eo fc o n t a c tb e t w e e ng y p s u m a n dw a t e r , s ot h ew a t e rm o l e c u l e sf o r md r o p sa n db l o c k st h ei n f i l t r a t e ；s e c o n d l yi tc a n r e a c tw i t hg y p s u mg r a i n sa n df o r m i n gh y d r o g e nb o n da n dc h e m i c a lb o n d a n da l s o e n h a n c et h eb o n d i n go fg y p s u mg r a m st oe n s u r et h eg y p s u m ss t r e n g t hh a sn ol o s s m i x i n g s i l a n el a t e x ，s i l i c as o ls l u r r y , p a r a f f i nl a t e xa n dm i x i n gs i l a n el a t e x ，s i l i c as o ls l u r r y , p a r a f f i nl a t e xa n ds o d i u mm e t h y lm e t a s i l i c a t eb u tt h e r eh a v en oi m p r o v i n g m i x i n gs i l a n e l a t e x ，a m i n ep o t y a c r y l a t e ，s i l i c as o ls l u r r y v e r i f i e st h es i l a n el a t e xa n da m i n e p o l y a c r y l a t ec a nr e d u c et h ew a t e ra b s o r p t i o n t h e2 hw a t e ra b s o r p t i o nf a l l sd o w n5 8 0 ， w e tc o m p r e s s i o ns t r e n g t hr i s e sf r o m6 9 9 m p at o9 9 1 m p aa n dt h ew e t d r ys t r e n g t hr a t i o r i s e sf r o m0 3 7t o0 5 6b ym i x i n gt h es i l l a n el a t e x ，p a r a f f ml a t e x ，s i f i c as o la n dw a t e r r e d u c i n ga g e n t t h ec h e m i c a la d d i t i v e sw h i c ht h i se x p e r i m e n ta d d e dh a v ed i f f e r e n ta c t i o nm e c h a n i c s a n dh a v et h e i ro w nm e r i t sa n dd e m e r i t s t h i sp a p e ra l s oa n a l y s i st h e i rm e r i t sa n dd e m e r i t s ， a n dc o n s i d e rt h a tt h es i l a n el a t e xi sag o o da d d i t i v e k e y w o r d s ：b u i l d i n gg y p s u m ；w a t e r - r e s i s t a n tp r o p e r t y ；w a t e ra b s o r p t i o n ；w e t d r y s t r e n g t hr a t i o ；p a r a f 五nl a t e x ；s o d i u mm e t h y lm e t u s i l i c a t e ；s i l a n el a t e x 化学外加剂对建筑石膏耐水性能的影响 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：么硅金磊日期：占癣拿翻剑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：幺出坌蔷导师签名：丕当 日期： 第一章绪论 1 1 建筑石膏的特性与应用 1 1 1 建筑石膏的特性 石膏是一种蕴藏丰富、广泛存在的矿产资源，其应用有着悠久的历史。它在自然 界中主要以天然二水石膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) 和无水硬石膏( c a s 0 4 ) 的形式存在。通过一 定的生产工艺，石膏矿可以加工成多种类型的性能各异的石膏变体材料，二水石膏加 热脱水时，由于加热的程度和条件不同，脱水石膏的结构与特性也不同。二水石膏在 加热过程中生成的不同变种及其形成与转化的条件如图1 1 所示【i - 2 1 。 ( 开始分解) ( c a s 0 4i + c a o ) ( c a s o a i ) 图1 1 二水石膏在加热过程中生成的不同变种及其形成与转化 r i 9 1 i t h e f o r m a t i o na n d c o n v e r s i o n o f g y p s u m m u t a t i o n d u r i n g d e h y d r a t e g y p s u m s h e a t i n g l 化学外加剂对建筑石膏耐水性能的影响 从图1 1 可以看出建筑石膏就是由二水石膏在1 0 0 2 0 0 的煅烧范围内制备而成 的一种石膏变体材料。在石膏变体材料中，建筑石膏在石膏建材领域应用非常广泛。 建筑石膏，俗称熟石膏，又称争半水石膏，它是用途最广的石膏变体之一，它由 天然二水石膏或化学石膏经过一定的温度加热煅烧，使二水石膏脱水分解得到的以半 水石膏为主要成分的气硬性胶凝材料在实际工业生产中其制备温度往往在1 2 5 1 8 0 c ；建筑石膏属于三方晶系，其晶格常数为a ：6 9 1 5 a ，b ：6 9 1 5a ，c ；1 2 6 6a ； 密度为2 6 2 2 6 4 9 c m 3 ) 光学折射率：n g = 1 5 5 0 ，n p = 1 5 5 6 ) 比表面积4 7 0 m 2 g ；品 格平均粒径3 8 8a ；2 5 c 时的水化热为1 9 3 0 0 ：t ：8 5 j m o l ；摩尔量1 4 5 1 5 ；结晶水6 2 1 ： 2 0 1 2 水中溶解度为o 8 8 我们用建筑石膏作为原料来生产石膏板材和石膏砌块，主 要就是利用半水石膏与水发生反应，水化形成二水石膏，并具有一定的强度 半承石膏加水后会发生如下反应： c a s 0 4 l 2 h 2 0 + 3 2 h 2 0 c a s 0 4 2h 2 0 - i - q ( 1 9 2 j gs 0 3 ) 按照上面的公式，半水石膏完全水化所需要的水只有1 8 6 ，但是实际情况是， 为了提高石膏的工作性能，b 型半水石膏所需用水量常在6 0 8 0 之间。 与其它胶凝材料相比，建筑石膏及其制品具有以下特点p - l o i ： ( 1 ) 生产能耗低，投资少。生产水泥的能耗为3 0 0 k g ( 标煤t ) t ( 1 3 5 0 c ) ，生产石灰 的能耗为2 0 0 k g ( 标煤) t ( 8 0 0 c ) ，而生产石膏的能耗只有6 0 k g ( 际煤) t ( 2 5 0 c ) ，由此可 以看出生产石膏的能耗比生产水泥、石灰的能耗要小的多与水泥生产厂家相比，石 膏胶结科生产厂家的投资要低5 1 p , 。其生产设备的金属耗量也要低大约6 6 。 ( 2 ) 质轻建筑石膏粉松散容重为9 9 0 k g m 3 左右 ，而水泥为1 6 0 0k g m 3 ，生石 灰1 2 0 0 k ( 3 ) 凝结硬化快，水化热较大建筑石膏是二水石膏在常压缺乏水的条件下炒制 而成，二水石膏的水分以干蒸气状态蒸发，不发生重结晶过程，因而生成晶形不佳、 缺陷较多、呈松散的片状、鳞状晶体i 刀根据结构化学的原理，缺陷越多，其化学活 性越高1 9 ，因此建筑石膏凝结硬化快，水化热大，建筑石膏的初凝时间很短，新拌浆 体在几分钟内便己失去可塑性。 ( 4 ) 拌和需水量大，制品孔隙率大，强度较低。建筑石膏粉体颗粒结晶度差，有 着非常大的内比表面积，因此拌和用水量较大，通常标准稠度需水量为6 0 0 , 4 8 0 ， 而半水石膏理论完全水化需水量仅为1 8 6 ，多余的水分蒸发后在石膏硬化体中留下 大量的孔隙，从而导致其强度的降低。 2 济南大学硕士学位论文 ( 5 ) 保温隔热性和吸声性能优越石膏制品的导热系数为o 1 2 1 0 2 0 5 w ( m k ) 大大低于其它常用的建筑材科，采用石膏砌块、粉刷石膏等将大大提高建筑物的保温 隔热性，减少建筑物的使用能耗，此外，石膏制品还有良好的隔音性能，是较理想的 内隔墙和吊顶材料 ( 6 ) 尺寸稳定，装饰美观。石膏制品表面光洁、细腻，可任意造型。石膏制品的 伸缩比很小，达到最大的吸水率时，其伸长也只有0 0 9 左右，其干燥收缩则更小， 因而制品的尺寸稳定，变形小，加之石膏制品的加工性能好，石膏板可切割、可锯、 可钉，且在石膏板上可贴各种颜色，各种图案的面纸，施工安装方便。 ( 7 ) 绿色环保效应和独特的呼吸效应石膏材料呈中性，放射性低，生产和使用 过程中均不排放不利于人体健康的有害物质，外观光滑细腻，与人体亲和性好，而且 它与其它材料有很好的相容性，不对其它材料产生侵蚀作用，是典型豹绿色环保材料。 所谓的呼吸功能就是在一定温度范围内，吸收和放出湿气的独特功能。石膏制品这种 独特的呼吸效应，可以随周围环境湿度的变化而吸湿或放湿，当采用石膏墙体或粉刷 石膏时，可起到自动调节室内空气湿度的呼吸作用，提高居住的舒适感。 ( 8 ) 防火性能优良。现代建筑尤其是高层建筑对防火的要求越来越高，这就要求 选用防火性能优良的材料，未加入易燃或助燃材料的石膏制品防火等级为a i 级，石 膏制品是材料防火性能检测的免检产品，石膏之所以具有优良的防火性能，是因为石 膏为不燃体并且是热的不良导体，同时石膏中含有2 1 左右的结晶水和部分游离水。 遇高温时会以水蒸气的形式释放出来，在材料表面形成一层水汽膜，这样，这部分水 蒸气既降低制品附近区域温度，延缓制品着火燃烧时间，而且又不产生令人窒息的气 味【2 l 。 ( 9 ) 吸水率高，耐水性差。建筑石膏制品有一个共同的弱点就是其抗水性差，通 常石膏制品的吸水率在2 0 5 0 ，软化系数一般为0 2 0 3 ，这主要是因为半水石膏 的水化产物二水石膏的溶解度较大，2 0 c 时为2 0 8 9 ，l ，且其结晶触点具有更大的溶 解度，在潮湿环境下很容易产生溶解和再结斟埘。 1 1 2 建筑石膏的应用【1 - 2 n 】 建筑石膏有着广泛的用途，作为一种新型建筑材料正在建材领域大展身手，它可 以制作成石膏板材、石膏砌块、石膏砂浆等多种形式，具体应用如下： 1 1 2 1 石膏板材 3 化学外加剂对建筑石膏耐水性能的影响 石膏板材主要分为纸面石膏板、纤维石膏板、装饰石膏板。熟石膏板的发展原因 主要是熟石膏板既结合了熟石膏的温湿调节性又结合了纸板的力学性能，并且熟石膏 板具有生产效率高、工期短、砌装时安全性强的工业化特点，还有就是熟石膏板具有 用同一种材料可组装成天花板、隔墙和双层隔热墙的通用特性。 纸面石膏板作为一种墙体材料在建筑上占有重要地位。纸面石膏板是以建筑石膏 为主要原料，掺入纤维、外加剂、发泡剂、缓凝剂等，和适量轻质填料加水拌和成料 浆，浇注在进行中的纸面上，成型后再覆以上层面纸，料浆经过凝固形成芯板，经切 断，烘干，则使芯板与护面纸牢固地结合在一起。纸面石膏板具有质轻、保温隔热性 能好，防火性能好，可钉、可锯、可刨、旌工安装方便等优点，主要用作建筑物内隔 墙和室内吊顶材料，主要分为普通纸面石膏板、耐水纸面石膏板和耐火纸面石膏板三 类。 纤维纸面石膏板是一种以建筑石膏粉为主要原料，以各种纤维为增强材料的一种 新型建筑石膏板材。有时在其中心层加入矿棉、膨胀珍珠岩等保温隔热材料，可加工 成三层或多层板。纤维石膏板是继纸面石膏板取得广泛应用后又一次开发出的新产 品，其综合性能十分优越，该产品除具有纸面石膏板的优点外，还具有很高的抗冲击 能力，内部粘结牢固，抗压痕能力强，在防火、防潮等方面具有更好的性能，其保温 隔热性能也优于纸面石膏板 装饰石膏板是以建筑石膏为主要原料，掺入适量纤维增强材料和外加剂，与水一 起搅拌成均匀料浆，经浇注成型，干燥而成的不带护面纸的装饰板材。主要用于室内 墙壁和吊顶装饰，具有防火、隔音、吸声、美化、高雅的装饰艺术效果，适用于宾馆、 饭店、公共建筑设施以及家庭居室。 1 1 2 2 石膏砌块 随着我国建筑业的发展和墙体材料的革新，各种砌块在建筑上的使用越来越广 泛与传统的墙体材料粘土砖相比，砌块具有质量轻、保温、隔热及热工性能好、 施工方便等优点，尤其在环境保护、节省土地资源及节约能源等方面具有十分突出的 特点，因此发展建筑砌块的前景十分广阔，在众多的建筑砌块中，石膏砌块近年来得 到迅速发展。石膏砌块有实心、空心和夹心三种类型，空心砌块有单排孔和双排孔之 分，空心砌块由于石膏用量少、绝热性篚好，故应用较多，另外，采用聚苯乙烯泡沫 塑料为芯层可制成夹心砌块。 4 济南丈学硕士学位论文 1 i 2 3 粉刷石膏 粉刷石膏是由建筑石膏或由建筑石膏与无永石膏二者混合后再掺入外加剂、细集 料等制成的气硬性胶凝材料。粉刷石膏按用途可分为面层粉刷石膏( m ) 、底层粉刷 石膏( d ) 和保温层粉刷石膏( w ) 三类，每一类粉刷石膏又由于相组成不同，还可 分为半水石膏型、无水石膏型和半水、无水石膏混合型。粉刷石膏凝结硬化快，粘结 力强，防水性能好，有一定的保温、隔热、吸声性能，体积稳定性好，质地细腻光滑， 施工方便，是一种性能优越的内墙与顶棚的抹灰材料 1 1 2 4 防水石膏砂浆及混凝土 利用防水石膏材料可以配制快凝、早强，符合快速施工要求和易性、粘结性能好 的2 5 # 、7 5 # 、1 0 0 # 砌筑及抹面砂浆。 石膏屋面、楼面体系。以防水石膏为胶凝材料配制1 0 0 3 5 0 # 混凝土，当采用浮 石、炉渣等轻骨料时，则可配制5 0 1 5 0 # 轻骨料混凝土可配制槽型楼板、走道板、 楼梯、玻璃纤维增强混凝土楼板等。用防水石膏材料与集料组成，在现场仅需加水搅 拌而成现浇石膏混凝土，浇注在楼板上，厚度不小于5 c m 。为使屋面有足够的纵向及 横向强度来承受一定的荷载，用焊接或编制的钢丝网或钢筋网作为增强材料，这一体 系具有自重小、强度高、不燃、凝固快等优点。 1 1 2 5 防水石膏装饰制品 人造大理石。利用防水石膏可以随心所欲的配制比大理石光洁度好，颜色与花纹 美观，成本低廉的人造大理石经试验，其抗折强度为4 0 m p a ，抗压强度3 0 m p a 。 由于用石膏制作的人造大理石耐磨性能较差，不宜用作地面。 饰面板。将防水石膏与矿物颜料均匀拌和之后，加水拌和成浆，倒入凹凸不平的 花纹玻璃板上，待凝结后脱模、干燥即成。饰面板耐压强度最高达3 0 m p a ，抗折强 度4 0 m p a ，一般耐压强度为5 1 5 m p a ，抗折强度2 0 m p a ，可用于墙面及天花板。 玻璃丝薄片在玻璃板上浇约i m m 左右的防水石膏浆体，然后将玻璃毡片铺在 上面，再铺刷一层石膏浆，凝固硬化即可，可用于墙面或天花板贴面。 i i 2 6 其他应用 泡沫防水石膏。利用防水石膏与松香胶泡沫剂可以制得容重为5 0 0 8 5 0 千克 立方米、抗压强度i 3 m p a 的泡沫制品，代替泡沫混凝土用于民用建筑的保温隔热 s 化学外加剂对建筑石膏耐水性能的影响 层。 如气石膏。采用铝粉、双氧水、硫酸等加气剂，可制锝多孔的轻质石膏制品，其 容重为5 0 0 1 0 0 0 千克，立方米，抗压强度为1 5 m p a 。 微孔石膏用防水石膏材料加入1 0 0 1 8 0 0 , 6 的清水，掺入l 4 硫酸钾、硫 酸铝等盐类搅拌成型后在4 0 5 0 c 下烘干，容重为5 0 0 千克，立方米，强度为1 s m p a 用于钢梁、钢柱等建筑构件的防护覆面层；用防水石膏制成景观装饰品；防水石 膏复合材料用作道路回填；防水石膏材料用于水利工程的锚固、堵漏 1 2 建筑石膏防水技术的研究现状 建筑石膏有着如此优良的性能和广泛的用途，但是它自身也存在着致命的弱点， 那就是它的耐水性非常的差。普通建筑石膏制品的吸水率较高，其饱和吸水后的强度 降低很多，软化系数仅为0 2 0 3 ，若石膏制品长时间处在相对湿度7 0 以上的使用 环境中，板材会出现变形，严重的会自行解体，致使它的应用受到了很大的限制 要想拓展石膏制品的应用范围，就必须要克服石膏制品自身难以解决的耐水问 题。要想解决这个问题就必须从根源出发，探求石膏耐水性差的内在原因，对其机理 进行深入地研究。 1 2 1 建筑石膏耐水性能的基础理论研究【1 - 2 1 1 2 q 5 建筑石膏制品主要是利用建筑石膏与永发生反应生成二水石膏，并具有一定的使 用特性要想研究石膏耐水性，就要首先从建筑石膏的水化开始。 熟石膏的水化机理问题最早是由l a v o i s i e r 于1 7 6 8 年提出的。目前，关于熟石膏 的水化机理一般认为有两种：即溶解析晶理论和胶体理论。 溶解析晶理论认为，熟石膏加水拌和后，首先是半水石膏在水中的溶解，由于半 水石膏的溶解度比二水石膏的溶解度大( 在2 0 c 时，前者为s s 5 9 l ，而后者为 2 0 4 9 l ) ，当溶液达到半水石膏的饱和溶解度时，这时对于二水石膏的平衡溶解度来 说已高度饱和，所以在半水石膏的溶液中二水石膏会自发的析晶，由于二水石膏的析 出，便破坏了半水石膏溶解的平衡，使半水石膏进一步溶解，以补偿溶液中由于二水 石膏析晶所消耗的c a 2 + 和s o ? 离子，如此不断地迸行，直到半水石膏完全溶解，全 部形成二水石膏为止。 济南大学硕士掌位论文 胶体理论认为，在半水石膏水化过程中。半水石膏首先与水生成某种吸附络合物 ( 即形成某种水溶胶) ，水溶胶凝聚形成胶凝体，然后这些凝胶体再进一步转化为结 晶态二水石膏。目前，在胶凝材料学领域，多数学者认为半水石膏的水化是以溶解析 晶机理进行的，否认胶体机理在半水石膏水化过程中的存在，但对造成两种半水石膏 应用性能的巨大差异性能研究欠深入 石膏制品的工程性质，主要取决于水化过程形成的硬化浆体的性质，而按照溶解 析晶理论，硬化浆体的性质又主要取决于下列结构物征：( 1 ) 水化新生成物晶粒之间 互相作用力的性质；( 2 ) 水化新生成物结晶粒子之间结晶接触点的数量与性质；( 3 ) 硬化浆体中空隙的数量以及孔径大小的分布规律 由于水化新生成物晶粒之间的结晶接触点在热力学上是不稳定的，所以在潮湿环 境中会产生溶解和再结晶，并且接触点的数目愈多，接触点尺寸愈小，接触点晶格变 形愈厉害，那么其抗水防潮性能就愈差。所以石膏制品的抗水性与其结晶接触点的性 质和数量有很大的关系；另一方面，半水石膏的理论水化需水量仅需1 8 6 ，而口半 水石膏实际需水量在6 0 8 0 ，多余的水在干燥过程中绝大部分被蒸发出来，从而形 成了一个多孔的硬化浆体。由此可见，石膏制品是一个多孔结构，从表面到内部都存 在着一个微细裂缝网，有一个庞大的内比表面积，当这些微细裂缝为水侵蚀时，水就 会顺着裂缝及毛细孔进到硬化体内部，同时使硬化体中结晶接触点发生溶解和再结 晶，从而使其强度随之下降。 通过以上分析我们可以得到石膏制品耐水性差的原因： ( 1 ) 石膏有很大的溶解度，当受潮时，由于石膏的溶解，其晶体之间的结合力减 弱。从而使强度降低； ( 2 ) 由于石膏体的微裂缝，内表面吸湿。水膜产生楔入作用，从而对水产生吸附 作用： ( 3 ) 石膏材料的高孔隙也会加重吸湿效果，使得石膏体在潮湿状态下强度降低。 1 2 2 目前对建筑石膏防水所采取的主要措施1 2 】【1 3 4 1 】 虽然国内外改善建筑石膏制品耐水性能所采用的方法以及添加的外加剂各不相 同，但是其主要思路却是相同的，总体上可以分为两大类。 1 2 2 1 添加矿物掺合料改善建筑石膏耐水性能 7 化学外加剂对建筑石膏耐水性能的影响 石膏复合胶凝材料主要是在石膏材料内加入某些矿物掺合料，以改变石膏的部分 性能，使之更好的发挥作用，适应不同条件、不同环境、不同用途的需要。 ( 1 ) 石灰 生石灰经磨细后的比表面积大约是消石灰比表面积的1 1 0 0 ，因此，在表面润湿 上它需要的水比消石灰少的多。生石灰不只是石膏简单的稀薄剂，因为在生石灰内和 在石膏内同样有一些本身效应也要发生作用，即化学水化效应、物理结晶效应及形成 强度的机械效应生石灰的水化硬化后，其强度能比消石灰强度提高2 0 4 0 倍，显 然，如果在石膏内能激起石灰的水化硬化及高强度的凝固，则石灰对石膏强度的影响 将是很大的。当然，石膏本身的强度也影响石膏石灰胶凝材料的强度，经大量实验确 定，生石灰最佳掺量在1 0 2 0 。此时，石膏石灰复合胶凝材料的抗压强度最高 从化学及物理化学观点看，无论生石灰还是消石灰，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，将转变成碳酸钙，碳酸钙的溶解度是每升 o ，0 1 3 2 9 ，约为石膏溶解度的1 2 0 0 ，此时制品内的石膏细粒实际为不溶于水的碳酸钙 的保护壳所包裹，因此石膏石灰混合物的耐水性大幅度提高，这特别表现在提高石膏 的耐动水溶蚀性能上 消石灰掺合料虽然从纯物理化学观点看，对耐水性有好的影响，但由于它的掺 入，使石膏浆的标准稠度增大，密实度减小，因此，用消石灰作掺合科对石膏的耐水 性并没有好的影响 生石灰对石膏耐水性的影响明显不同于消石灰，首先，生石灰的存在不仅不使石 膏浆的标准稠度增高，有时反而使其降低，使制品密度增大，因此，也就提高了石膏 的耐动水溶蚀性，其次，利用生石灰的水化凝固，它起着能使胶凝材料在水下也能凝 固，并生成高强度的特殊“水硬性”胶凝材料的作用。 由于掺入生石灰也改进了和易性，减少了用水量，使石膏制品的干燥速度加快， 此外也由于生石灰水化过程所放出的热量比石膏要多9 倍，此时的生石灰的强烈水化 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。但须指出的是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，则不可避免的在材料内要产生高的热 应力，而且材料的体积也不是固定的，此时，可能发生材料的完全破坏。 ( 2 ) 水泥 用水泥作为石膏掺合料，国内外均有研究和实用的成果报道，但在具体掺量上各 s 济南大学硕t 学位论文 抒己见，有的认为掺加3 l o 的硅酸盐水泥对石膏的耐水性、强度和软化系数都 有良好的影晌，也有的认为掺加3 1 0 硅酸盐水泥对其性能影响不大强度也增 加不多；有的认为，掺量可以扩大到2 0 3 0 ，甚至更多，而有的则认为掺量达到 2 0 石膏试件就会破坏。 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c 3 a 和石膏生成钙 矾石，以达到提高石膏的强度和水硬性，在相互作用的前1 2 1 5 小时内，由c 3 a 和 石膏生成的三硫型水化硫铝酸钙占主导地位，如果此时物料还处于塑性状态，并在这 个反应范围内相当缓慢的吸引c 弧和c 4 a f ，则不会造成石膏硬化体的破坏，由于钙 矾石反应时，体积的变化对硬化体具有破坏作用和危险性，因此，给水泥改性建筑石 膏带来了一个安定性的问题。 在建筑石膏中掺入水泥，其标准稠度用水量有所减少，硫铝酸盐水泥、硅酸盐水 泥和矿渣硅酸盐水泥对石膏有促凝作用，白水泥对凝结时间影响不大，掺入高铝水泥 后，凝结时间有延长的趋势建筑石膏与水泥组合后，在自然养护条件下，长度变化 都是初期膨胀后期收缩，在湿空气养护条件下和浸水养护条件下，随着养护龄期的延 长，试件的膨胀率逐渐增大，水泥掺量越高膨胀率越大，浸水养护要较湿空气养护的 大的多。 ( 3 ) 粉煤灰 掺入粉煤灰，其水化产物中均有水硬性的钙矾石与水化硅酸钙出现，1 3 半水石膏 粉煤灰胶凝材料硬化体是以二水石膏晶体为结构骨架，硬化体强度主要依赖于二 水石膏晶体问的交叉连结，钙矾石晶体与永化硅酸钙凝胶分布在二水石膏晶体周围， 未水化的粉煤灰颗粒则作为微集料填充于空隙中。粉煤灰掺量越大( 5 0 l o o ) ， 软化系数越高，材料的强度也呈升高趋势，因此只要不改变石膏的快硬特性，适当加 大掺量是有利而无弊的。胶凝材料的强度与水灰比成反比，水灰比越大，强度越低， 但对