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提高石膏混凝土建筑性能的若干技术途径

摘要：石膏是一种节能型的胶结料，石膏混凝土用于单层住宅建筑承重围护结构是有效的，用矿物掺合料、化学外加剂、树脂聚合物、压制成型等方法，能够改善石膏混凝土的耐水性。关键词：石膏胶结料；矿物掺合料；化学外加剂；耐水性；泡沫石膏混凝土　　石膏足一种节能型的胶结料，由于其原料资源丰富，目前，发达国家普遍注意石膏的开发应用研究，并广泛用于工业与民用建筑工程。本文主要介绍俄罗斯近期的研究和应用状况。 1 石膏混凝土住宅的特点　　石膏及其制品的经济性和某些物理技术性能超过由水硬性胶结料制造的制品，并在许多情况下能够用前者代替后者。由于石膏围护结构具有高的空气透过性，能够在建筑物的房间内形成良好的小气候，是石膏胶结料明显的优点之一。　　俄罗斯研究者借助功能价值分析方法按10个等级评价3个互换方案的优劣状况，曾完成r单层居住房屋的选型。分析表明，按效果和建筑成本、用户需求、施工期、石膏制品建筑不次于用传统材料建造的房屋。　　　　　　根据前苏联建筑经济科研所的资料，用大型石膏混凝土隔墙板代替砖墙，每1 000 m2 可节约水泥5 t；采用优质石膏纸板隔墙代替砖隔墙，每1 000m 2可节约水泥13．4t；用高强度等级石膏火山灰胶结料代替部分水泥制造轻混凝土，每1 000m3 可节约水泥150t。但由于石膏制品耐水性低，饱水后强度降低超过1／2并产生不可逆的变形，因而影响到它的推广应用。 2 提高石膏混凝土性能的途径　　在石膏中掺憎水剂或者降低石膏溶解度和需水性的物质是改善其不良性能的方法之一。　　根据国内外的资料，具体的技术方案可分为采用化学外加剂、矿物掺合料、树脂聚合物改性剂、压制成型等方法，或者两种方法结合使用，均可取得明显的效果。 2．1 使用化学外加剂和矿物掺合料　　在许多情况下，石膏胶结料很快凝结会带来不便。例如：必须在初凝前成型就绪，而凝结一经开始，特别是已凝结的石膏应保持静止状态，扰乱凝结过程时会导致破坏已形成的结晶结构，其结果是石膏混凝土或砂浆的强度降低。掺人外加剂和矿物掺合料，能够延缓石膏胶结料的凝结过程，并能提高石膏制品的耐水性。 2．1．1 使用萘系超塑化剂　　日本早先的研究证明，聚烷基磺酸盐和聚烷基苯磺酸盐对改善石膏浆体的流动性最有效。因此可以减小水石膏比，制得孔隙率小的石膏制品。　　试验采用α 型半水石膏和C一3超塑化剂。　　获得的数据表明，当掺入C－3时，获得标准稠度的拌和水用景急剧降低，甚至使用0．25%C－3可把水石膏比从49%降低到37%；而掺入2%C－3，水石膏比降低到20%。考虑到不包括杂质，要求的石膏反应需水量为18．6%，这样，包含在石膏硬化体中的剩余含水率仅为1．4%，这意味着，不用进一步烘干即可制成实际上千燥的石膏制品。　　　　　　石膏制品由于用了多量的拌和水，在干燥之后具有足够高的孔隙率，多达40%～60%；当掺入C一3时，可急剧地降低孔隙率和相应地提高软化系数。试验证明了这种状况，同时吸水性降低80%以．，软化系数从0．44提高到0．92。这些数据说明石膏制品用于外墙构件是可行的。　　莫斯科建工学院近期专门研究了塑化高强石膏胶结料的性能。目前在实际生产中，采用两种方法降低石膏混凝土制品的孔隙率。第一种方法是在石膏拌合物中掺硅酸盐水泥及活性矿物掺合料，或者聚合物树脂，其实质是在石膏水化硬化过程中填充石膏混凝土的大孔，从而降低它的孔隙率。第二种方法是在低水石膏比的条件下成型制品，采用这种方法可以有两种工艺，即压制法和浇筑成型。压制法适于低强度等级的β 半水石膏胶结料，通常拌合物的水石膏比为0．18～0．22；但该法工艺性差，生产率低，能耗高，故采用不多。最有利的是浇筑成型法，能够制成高强石膏混凝土，石膏胶结料的需水量应小于25%。俄罗斯建材科研院利用超塑化剂研制成低需水性石膏胶结料能满足浇筑成型的要求。FBHB的特点是可由任何初始标准需水性的Ot半水石膏制成，并且ГBHB浆的标准稠度为20%-24%，标准抗压强度为25～28MPa，经6个月为46～65 MPa，经3年为54～86 MPa。　　无论是由 α 半水石膏还是β 半水石膏制成FBHB，C－3的掺量从0～2%。而β 半水石膏的标准稠度需水量由60%降低到49%。C－3超塑化剂对α 半水石膏水化新生成物的比表面积的增大效果大于对β半水石膏，前者是后者的2倍；而C－3对α和β半水石膏的水化生成物吸附的状况几乎是相同的。与普通水泥混凝土的状况相似，C－3萘系超塑化剂加快石膏拌合物的流动度损失，而羧酸系、氨基磺酸系的对抑制石膏流动度损失有好的作用。 2．1．2 高强耐水石膏胶结料的复合外加荆　　莫斯科建工学院利用高强石膏研制成高强耐水石膏胶结料，广泛用于制造轻骨料混凝土墙板取得明显技术经济效益。　　BBГB的成分为高强石膏：磨细熟料：硅藻土=70：18：2。制成轻骨料混凝土，则使用细度模数MK=2．26的石英砂，最大粒径20mm的陶粒。　　化学外加剂采用超塑化剂C一3、10一03、缓凝剂BPП一1、CⅡB、乙二胺、Na3PO4 等。　　研究结果证明10一03和C一3超塑化剂具有高的超塑化作用，掺入这些外加剂，拌和水量可以最大减少5l%。在硬化早期，陶粒混凝土强度增长很快，与基准的BBГB相比，经2h，强度提高77%一116%；经28d，强度提高29%-63%。　　超塑化剂使BBГB混凝土凝结时间加快，在这种情况下要求掺入缓凝剂，以保证初凝不早于25~40min，对于BBГB有效的BPП-1，它可作为复合外加剂的一个组分。最有效的复合外加剂是C一3 +BPП—l，采用这种复合外加剂以BBГB制造陶粒混凝土时，可以保证延缓凝结时间，加快强度增长，经2 h达50%设计强度，而经l d可达80%一90%设计强度，同时，可以降低制品的初始含水率14%一l6% 。　　在生产中，以BBГB为胶结料，采用复合外加剂，能够不用热养护，并免去对制品的烘干过程。这样，由轻混凝土制造构件，例如在压制台上成型构件时，1 m3制品的能耗可降低63 kg。　　研究提出在石膏水泥火山灰胶结料中，加入CⅡB或C一3与硫酸铁组成的复合外加剂，在适宜掺量条件下，拌合物的需水量可以减少20% ；凝结时间变化不大，为6min左右；石膏混凝土强度提高65% ；在10MPa压力作用下，可制得高强混凝土；已用于生产通风管道和预制构件；制品的热养护费用减少50%~100%。　　近期，俄罗斯以生石灰、硅粉为掺合料并掺入四硼酸钠缓凝剂和C一3超塑化剂，研制成以半水石膏为基料的复合胶结料。这种胶结料的性能优于石膏火山灰水泥，成型后干燥状态下的强度比纯石膏、石膏火山灰水泥的强度高；尤其是在饱水的条件下，比纯石膏高2．5～3倍，也比石膏火山灰水泥的高，其软化系数达0．92，石膏复合胶结料的孔结构优于前二者，见表3。　　　　　　这种石膏复合胶结料町以用作外墙制品。　　同时利用活性矿物掺合料和超塑化剂，能够获得低需水性的石膏胶结料及高强度和高耐水性的石膏制品。　　　　矿物掺合料在与化学外加剂共同磨细的过程中经受了物理化学活化。在商品建筑石膏和矿物掺合料的基础上，可制成流态的石膏拌合物。　　能够提高混凝土的物理力学性能的掺合料，包括石英砂和热活性含沸石的凝灰岩、活化石灰和C－3或用水玻璃活化的石英砂，其制品按抗压强度为基准石膏混凝土的122%～l 14%。用白云石粉取代25%石膏的试件的抗弯强度、耐磨强度提高，吸水性降低到9%～10% ，耐水性提高。　　掺入木屑达75%能把石膏混凝土的密度降低65%，制成抗压1．5MPa的隔热制品。 2．2 其他措施 2．2．1 提高拌和水的温度　　当用热水拌和高强石膏时，其凝结过程延缓不大。用70 ℃热水拌和时，石膏混凝土的抗压强度有提高，因为水的蒸发过程促进了二水石膏从溶液中析出。建议用温度70℃热水拌和高强石膏，既能提高制品的强度叉使凝结时间稍有延缓。 2．2．2 利用矿物肥料的生产废料—— 磷石膏　　利用立筒式或其他干燥设备在l10—145 ℃的条件下，能够有效地把磷石膏加工成β半水石膏。研究表明，采用在初凝前压实胶结料悬浮液的方法能够大大地改善以酸性β半水石膏为胶结料的石膏混凝土的结构。与用浇注方法获得的石膏混凝土的类似指标相比，当石膏混凝土的密度达1．8—2．0t／m3 时，采取压制成型方法制成的石膏混凝土的强度和耐水性可提高1—3倍。　　由干硬性石膏混凝土拌合物在加荷15～40 MPa的条件下，对石膏混凝土进行压制能够达到要求的密度。修筑路面时，则靠气动压路机压实结构层来实现。压实能够提高磷石膏混凝土的强度，补偿杂质造成的不利影响。无论采用外加剂浸渍还是使石膏混凝土表面憎水化，都不能达到像压实所取得的这种改善性能的结果。　　与建筑石膏相比，经过加工的磷石膏虽然具有比较长的凝结期，但这对于修筑道路的结构层是不够的。　　掺入缓凝剂的效果见表4。　　　　　　由表4的数据可见，所有缓凝剂都在一定程度上降低了磷石膏混凝土的强度，但强度的绝对值对保证材料的使用性能还是足够的。　　外加剂对磷石膏混凝土耐水性的影响是不同的，掺入这些缓凝剂如Na2C03、K2CO3、三乙醇胺，石膏混凝土的耐水性保持在基准混凝土的水平上。从耐水性考虑，建议把Na2CO3、K2CO3、三乙醇胺、四硼酸钠作为酸性B型磷石膏胶结料的缓凝剂。　　与高强石膏的情况相似，提高拌和水的温度能够延缓磷石膏胶结料的初凝时间。因为加热拌和水，半水石膏在水中的溶解度降低，例如水温50℃经35rain进入初凝，那么在水温90℃时，则须经45min。即使是90℃的条件下，延缓效果远远低于采用缓凝剂时的效果。采取加热磷石膏和拌和水以提高温度的方法延缓凝结时问时，磷石膏的强度会提高。　　　　上世纪80年代中期，乌克兰道路建设部利用磷石膏修筑道路结构层，并成功地投入使用。 2．2．3 掺加憎水剂和合成树脂　　提高石膏混凝土耐水性和抗冻性的最合理方法是在其拌合物中掺人憎水性外加剂或合成树脂。化学外加剂对石膏混凝土主要性能的影响是在硬化制度为2+2+6+1h、恒温65-90 ℃和相对湿度5%～8%的条件下进行试验的，结果见表5。　　　　　　可见，掺人0．5%憎水剂或5%合成树脂，可把石膏混凝土的强度从22．6~28．7 MPa提高到26．8~36．2 MPa；石膏混凝土的吸水率从9．6%~11．0%降低到4．3%－5．3%，几乎降低了1／2；而抗冻性从15~20次提高到50次冻融循环。　　使用这种外加剂时，为最完全地通过合成的缩聚过程，必须采取保证石膏凝结期和树脂的缩聚时间同时适应的硬化制度。 3 泡沫石膏混凝土　　俄罗斯的研究证明，采用加气剂法，浆体在成孔时膨胀和随后的硬化阶段稳定性差，因而制品的密度变化大，较难控制；而采用泡沫剂制造泡沫石膏混凝土的方法则较好，主要是选用质量好的泡沫剂和搅拌参数，即可达到要求。　　为提高泡沫石膏混凝土的强度和耐久性，在生产中采用超塑化剂，在保持一定流动度的条件下，可以降低石膏浆的需水量15%左右。　　除了采用超塑化剂外，采取分散配筋也是改善泡沫石膏混凝土强度和使用指标的方法之一。例如：采用低浆体配筋的泡沫石膏混凝土，当平均密度为700kg／m3时，其抗压抗折强度为1．9 MPa，这种泡沫石膏混凝土能够用于低层建筑的墙体。　　在俄罗斯曾用石膏水泥火山灰胶结料以及磷石膏，使用有机泡沫剂以及有机硅液体作为憎水剂，来制取平均密度800~1 000 kg／m 3、抗压强度2．5~3．5 MPa的墙体材料。泡沫石膏混凝土的性能列于表6。　　　　　　泡沫石膏混凝土的Ra相当高，而弹性模量低，表明徐变变形大，故以此种泡沫石膏混凝土作承重墙体时，必须考虑这一问题。　　各种工艺因素对泡沫石膏混凝土性能的影响如下：　　拌合物落人模型的高度不应大于300mm，否则会导致泡沫石膏混凝土的密度增大；　　　　浇筑泡沫石膏混凝土拌合物时，应采用较小流动度的拌合物，并合理进行短时间的振捣，否则流动度需达200mm，此时会降低制品的物理力学性能；　　为改善泡沫石膏混凝土的使用性能，应在拌合物中掺入有机硅憎水剂，其掺量为石膏胶结料质量的0．2%－0．3%。这种外加剂对泡沫混凝土的平均密度和强度无影响，而泡沫石膏混凝土的抗冻性可提高到25次冻融循环；　　泡沫石膏混凝土制品干燥时间应不少于8h，若干燥时间相同，采取60℃将导致增大剩余含水率，会降低混凝土的物理力学性能。　　我国石膏储量世界第一、产量第二。石膏作为节能建材，被广泛重视，欧、俄等地石膏墙材占全部墙材的50%左右，美国达70% ，而我国少有应用。我国目前主要是生产纸面石膏板，用做隔墙及装饰板材。近年来，粉刷石膏有较快的发展，石膏砌块也有应用，然而把石膏制品用于低层和多层承重围护结构的尚未见有报道。　　在保护生态环境，建筑节能成为国内重大课题的条件下，研究建筑石膏、磷石膏、脱硫石膏的利用技术，开发轻质石膏制品用于住宅建筑以及作隔热保温材料，市场前景广阔。

原作者：屈志中

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发布：2007-08-14 12:52 编辑：泛普软件 · xiaona [打印此页] [关闭]

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