2.2 石膏
石膏胶凝材料是一种理想的高效节能材料,具有质轻、隔音、隔热、耐火、质地细腻美观等优点。我国石膏资源极其丰富,生产工艺简单,易于加工、成品多样,是一种在建筑工程上应用广泛的建筑材料。主要用作轻质墙体材料和建筑装饰材料。
2.2.1 原料及生产
1.石膏胶凝材料的原料
(1)天然石膏。可分为天然二水石膏(又称生石膏、软石膏)和天然无水石膏(又称硬石膏),由于它们的化学稳定性好,因此不具有胶结能力。其中天然二水石膏(CaSO4·2H2O),是生产石膏胶凝材料的主要原料。
(2)化学工业副产品。是指某些化工生产过程中,所产生的以硫酸钙为主要成分的副产品,经适当处理后,作为石膏胶凝材料的原料。常见品种有磷石膏和氟石膏等。
2.石膏胶凝材料的生产
作为气硬性胶凝材料的石膏,通常由天然二水石膏经过低温煅烧、脱水、磨细而成。由于加热方式和加热温度的不同,可以生产出不同性质的石膏品种。
(1) 将天然二水石膏加热至107~170℃即可制得β型半水石膏,再将其磨成细粉即得建筑中常用的石膏品种,故称为建筑石膏。反应式如下:
β型半水石膏又称为建筑石膏,其中杂质含量较少、颜色洁白者为模型石膏。
这种建筑石膏的晶粒细小,将它调制成一定稠度的浆体时,需水量较大,因而其制品的强度较低。建筑石膏是建筑装饰制品的主要原料。
(2)将天然二水石膏在124℃条件下压蒸(1.3×105Pa)加热可产生α型半水石膏。
由于α型半水石膏的晶粒粗大,需水量较小,硬化后的浆体强度较高,故称为高强石膏。
(3)当加热温度至170~300℃时,石膏继续脱水,生成可溶性硬石膏,又称为硬石膏;它较半水石膏凝结快,其标准稠度的需水量也提高25%~30%,因此其强度较低。
(4)可溶性硬石膏在400~1000℃的温度范围内继续煅烧时,将变成慢溶硬石膏,这种石膏难溶于水,凝结很慢,甚至完全不凝结,也不具有强度。但是,当加入某些激发剂时,则具有水化硬化能力,且硬化后的浆体强度较高,耐磨性较好。这种加有激发剂的无水石膏混合物经磨细后称为硬石膏水泥。
在建筑上应用最广的是建筑石膏。
2.2.2 建筑石膏的凝结硬化
建筑石膏与适量水拌和后,与水发生化学反应生成二水硫酸钙的过程称为水化。水化反应方程式为
虽然生成的二水硫酸钙与生石膏化学分子式相同,但由于它们的结晶度和结晶形态不同,因此在物理力学性能方面有差异。由于生成物CaSO4·2H2O的溶解度比半水石膏小,随着石膏与水反应的进行和水分的不断蒸发,浆体中CaSO4·2H2O晶体析出,浆体可塑性很快消失而发生凝结。此后CaSO4·2H2O晶体继续大量形成,彼此连接共生,形成晶体结构,逐渐硬化,并具有一定的强度。
2.2.3 建筑石膏的技术要求
建筑石膏为白色粉末状,密度为2.60~2.75g/cm3,堆积密度为800~1100kg/m3。根据《建筑石膏》(GB 9776—1988)的规定,建筑石膏按抗折强度、抗压强度、细度和凝结时间等技术指标分为优等品、一等品和合格品三个等级,见表2.4。
表2.4 建筑石膏的技术指标(GB 9776—1988)
建筑石膏产品标记顺序为:产品名称,抗折强度值,标准号。例如,抗折强度为2.5MPa的建筑石膏标记为:建筑石膏2.5GB 9776。
2.2.4 建筑石膏的特性
1.凝结硬化快
石膏浆体的初凝和终凝时间都很短,一般初凝时间为几分钟至十几分钟,终凝时间在0.5h以内,大约7d完全硬化。为满足施工要求,需要加入缓凝剂,如硼砂、经石灰处理过的动物胶(0.1%~0.2%)、亚硫酸盐酒精废液(加入石膏质量的1%)等。缓凝剂的作用在于降低半水石膏的溶解度,但会使制品的强度有所下降。
2.硬化时体积微膨胀
石膏浆体凝结硬化时不像石灰、水泥那样出现收缩裂纹,反而略有膨胀,使石膏硬化体表面光滑饱满,可制作出纹理细致的浮雕花饰。
3.硬化后孔隙率高
石膏水化反应的理论需水量仅为其质量的18.6%,但施工中为了保证浆体有必要的流动性,加水量常达60%~80%。石膏凝结后,多余水分蒸发,形成大量空隙,石膏硬化后内部孔隙率可达50%~60%,因而石膏制品具有表观密度较小、强度较低、导热系数小、吸声性强、吸湿性大、可调节室内温度和湿度的特点。
4.防火性能好
石膏制品在遇火灾时,二水石膏将脱出结晶水,吸热蒸发,并在制品表面形成蒸汽幕和脱水物隔热层,可有效减少火焰对内部结构的危害。但建筑石膏不宜长期在65℃以上的高温部位使用,以免二水石膏缓慢脱水分解而降低强度。
5.耐水性和抗冻性差
建筑石膏硬化后孔隙率高,吸湿性强,吸收的水分会减弱石膏晶粒间的结合力,使强度显著降低;若长期浸水,还会因二水石膏晶体逐渐溶解而导致破坏。石膏制品吸水饱和后受冻,会因孔隙中水分结冰膨胀而破坏。所以,石膏制品的耐水性和抗冻性较差,不宜用于潮湿部位。
6.具有良好的装饰性和可加工性
石膏制品表面光滑饱满,颜色洁白,质地细腻,具有良好的装饰性。微孔结构使其脆性有所改善,硬度也较低,所以硬化石膏具有可锯、可刨、可钉施工方便等优点,具有良好的可加工性。
2.2.5 建筑石膏的应用
1.室内粉刷
由建筑石膏或由建筑石膏与无水石膏混合后再掺入外加剂、细集料等可制成粉刷石膏。粉刷石膏是一种新型室内抹灰材料,不仅可在水泥砂浆或混合砂浆上罩面,还可粉刷在混凝土墙、板、天棚等光滑的底层上。粉刷成的墙面致密光滑,质地细腻,且施工方便,工效高。
2.建筑石膏制品
(1)石膏板。具有轻质、高强、隔热保温、吸声和不燃等性能,且安装和使用方便,是一种较好的新型建筑材料,广泛用作各种建筑物的内隔墙、顶棚及各种装饰饰面。在石膏中加入轻质填充料,如锯末、膨胀珍珠岩、陶粒等能减轻石膏板的表观密度,并降低导热性。若在石膏中加纸筋、麻刀、石棉、玻璃纤维等增强材料,可以提高石膏板的抗弯强度,减少其脆性。我国目前生产的石膏板主要有纸面石膏板、石膏空心板、石膏装饰板、石膏纤维板及石膏吸音板等。
(2)石膏砌块。是以建筑石膏为主要原材料,经加水搅拌、浇筑成型和干燥制成的轻质建筑石膏制品。石膏砌块是一种自重轻、保温隔热、隔声和防火性能好、施工便捷等多项优点,是一种低碳环保、健康、符合时代发展要求的新型墙体材料。常用的石膏砌块有石膏实心砌块、石膏空心砌块、防潮石膏砌块等。
2.2.6 建筑石膏的储运
建筑石膏在运输和储存中,需要防雨、防潮和防止混入杂物。不同等级的石膏应分别储运,不得混杂。自生产日算起,储存期为3个月,过期或受潮的石膏,强度显著降低,需经检验后才能使用。