石膏复合胶凝材料的研究进展*

叶蓓红，钱耀丽，江传德

(1.上海市建筑科学研究院(集团)有限公司，上海200032;2.同济大学材料科学与工程学院，上海201804)

石膏作为一种气硬性胶凝材料，被广泛用于生产各种石膏制品，这些产品在使用过程中不仅质轻而且具有良好的隔音隔热、防火性能、抗震性能和装饰性等优点，并可以调节空气湿度，提高居住舒适度。但是耐水性差、强度不高的缺点致使石膏制品在某些场合中的应用受到了较大的限制［1］，这些产品只适用于地上或干燥环境，不宜用于潮湿环境，更不可用于水中［2］。

提高石膏制品的力学性能及耐水性是当前研究与生产石膏制品领域关注的问题。单纯提高石膏制品耐水性，可以在表面涂抹防水剂或者在其中添加防水材料，前者在制品表面破损的情况下，防潮效果将大大降低，后者成本太高，而且会降低石膏砌块的机械性能［3］。若想提高石膏制品的强度，可以通过利用高强α石膏作为胶凝材料来制备石膏制品，但是这种做法提高石膏强度和耐水性都很有限，也不经济［4］。因此，国内外许多研究者开展了大量的掺合料配制石膏复合胶凝材料的研究，力求从根本上解决石膏制品强度和耐水性较低的问题。

1 石膏复合胶凝材料研究进展

石膏复合胶凝材料是由石膏和外加掺合料，在相应的激发剂作用下，以一定比例混合而成，兼具气硬性和水硬性的胶凝特点。选择的掺合料主要有生石灰、水泥、矿渣、粉煤灰等。

1.1 石膏-石灰复合胶凝材料研究进展

掺加生石灰是最早用于改性石膏的方法，主要是生石灰磨细后，比表面积小，掺入石膏后，相比需水量少，从而保证能达到高密度，获得较高的强度;而且生石灰的存在使石膏的溶解度降低，因为石灰在空气中碳化转变成碳酸钙，碳酸钙溶解度远小于石膏，此时石膏细粒为不溶于水的碳酸钙所包覆，石膏-石灰复合胶凝材料的耐水性大幅度提高，尤其表现在提高石膏的耐冻水溶蚀性能上。但是生石灰的掺量需控制在一定的范围，对提高强度而言，以10%掺量为好;对抗冻水溶蚀而言以掺加25%的最好［1］。

1.2 石膏-水泥复合胶凝材料研究进展

采用硅酸盐水泥作为建筑石膏的掺合料，主要是水泥中的铝酸三钙与石膏发生反应生成具有胶凝性且耐水性较好的三硫型水化硫铝酸钙，即钙矾石［1］，3CaO·Al2O3+3(CaSO4·0.5H2O)+29.5H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O;而且水泥的本身含有硅酸三钙与硅酸二钙发生水化反应生成具有凝胶性能的C-S-H(水化硅酸钙凝胶)，C-S-H的生成有利于石膏制品力学性能的提高［5］。然而，若石膏水泥配合比不合适，水泥掺量过高，其反应生成的水化铝酸钙数量增多，形成的钙矾石数量也增多，钙矾石的体积增大，会导致石膏结晶结构网的破坏，增加制品裂纹，反而降低制品的强度、提高其吸水率、降低制品耐水性，严重的造成石膏试件的破坏［6］。由于水泥品种多样性，不同水泥品种、掺量和水化环境，所形成的钙矾石的结构、数量不同，因此对混合体系的性能也不相同。其中，硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥对石膏适应性较好［7］。

曲烈，赵素宁等［8］研究了磨细水泥及普通细度水泥对β型半水脱硫石膏-水泥复合材料力学性能及结构特征的影响。结果表明，随着半水脱硫石膏用量减少和水泥用量增加，抗压强度增加。水灰比为0.28，脱硫石膏掺量55%，水泥与磨细水泥优化比例为1:4，采用密封 -室温养护，其28d的抗压强度可达48.84MPa，抗折强度达到9.38MPa。

1.3 石膏-矿渣/粉煤灰复合胶凝材料研究进展

石膏中掺加粉煤灰或高炉矿渣等水硬性掺合料，必须在碱性激发下发挥作用。建筑石膏中的半水石膏溶解形成二水石膏，并析出晶体形成结构骨架，使浆体凝结硬化，提供早期强度;矿渣/粉煤灰在碱与二水石膏的共同作用下水化产生水化硅酸钙与钙矾石，分布在二水石膏晶体周围，未水化的粉煤灰/矿渣颗粒则作为微集料填充于空隙中，完善网络结构骨架［9］。这种结构，使石膏复合胶凝材料具有较好的耐水性，耐水性差的二水石膏晶体被大量溶解度低的水硬性钙矾石晶体包裹，阻止了水分对二水石膏晶体的侵蚀;而侵入的水分既使部分二水石膏发生溶解侵蚀，对硬化体结构产生破坏，又能促进未水化粉煤灰进一步水化，有利于硬化体的修复与发展［1］。

黄洪财等［10］研究了粉煤灰、矿粉-粉煤灰、水泥-粉煤灰3种体系矿物掺合料对建筑石膏性能的影响，有水泥掺加的石膏复合胶凝材料体系28d强度在有矿物掺合料掺加的体系中最高;在矿粉-粉煤灰体系中，没有碱性激发剂，其几乎没有发生水化反应或水化反应非常少。

赵前、李文杰［11］研究发现高铝水泥的加入可以有效提高磷石膏-矿渣-钢渣磷石膏基水硬性胶凝材料体系的早期强度，并缩短凝结时间，使水化产物钙矾石生成量明显增加，从而有效提高该材料的水化性能;当掺入6%的高铝水泥时，该胶凝材料的3d抗压强度达到4.5MPa，28d抗压强度达35MPa。

单卫良等［12］将半水石膏与矿渣微粉复合，在碱性激发条件下制备出一种新型石膏(GS)复合胶凝材料。相比于基准石膏，该石膏复合胶凝材料的强度和耐水性能均有很大提高，14d强度提高109%;海水浸蚀7d的软化系数提高158%。

樊先平等［13］研究了水泥在石膏复合胶凝材料体系中的作用，水泥对石膏复合胶凝材料的性能有很大影响，掺量过少不能有效激发矿渣活性，掺量过多易引起安定性不良，水泥的最佳掺量范围为7% ～10%。

曲烈等［14］研究脱硫石膏-粉煤灰复合胶凝材料的力学性能及微观结构时发现，掺加粉煤灰后脱硫石膏的抗压强度有所改善，最终水化产物主要为CaSO42H2O，粉煤灰的潜在活性并未得到有效激发，建议掺加有效的碱性激发剂将粉煤灰的活性激发出来，并合理改善养护条件，使粉煤灰的水化作用得以进行，从而形成较高强度且具有一定耐水性能的凝胶体。

P.Yan，Y.You［15］以氟石膏和矿渣作为主要原料，水泥作为激发剂，制备石膏水泥，实验表明试样在水中养护90d后，强度可以达到77.3MPa，同时具有很好的体积稳定性。

李书琴等［16］研究发现水泥熟料量的变化对石膏-矿渣胶凝材料的强度影响不明显，水泥熟料只对矿渣起激发作用，保证石膏-矿渣复合材料的强度;标准养护和自然养护对试样的强度影响不大，但通过自然条件养护后所得制品的软化系数较高。

1.4 石膏复合胶凝材料的应用研究进展

随着石膏复合胶凝材料研究的不断深入，目前已经有很多建筑产品使用了石膏基复合胶凝材料，实际应用过程中取得了很好的成效。

叶蓓红等［17］以氟石膏、脱硫石膏、矿渣粉为主要组分开发了一种石膏复合胶凝材料，并以其配制石膏防潮砂浆;经工程应用，该砂浆上墙后无收缩裂缝;具有良好的耐水性，可直接用于潮湿环境下外墙内侧与内隔墙的找平。而且其成本略低于水泥抹灰砂浆，具有经济适用性及较好的市场推广应用前景。

孙振平等［18］利用脱硫石膏、矿渣粉、少量水泥和激发剂制备的脱硫石膏基复合胶凝材料，配以玻化微珠为轻质集料开发了一种建筑保温砂浆。结果表明，这种保温砂浆各项性能指标均达到相关标准的要求;同时，因原材料中采用了大量工业废弃物，这种砂浆产品的环境效益和社会效益极佳，市场前景广阔。

施惠生等［19］利用化工废石膏-粉煤灰制备了一种新型道路建筑材料，具有较高的力学性能和优异的抗硫酸盐侵蚀性能。

2 石膏复合胶凝材料存在问题

目前国内研究者通过矿物掺合料或者复合外加剂对石膏的改性已取得了一些进展，但石膏复合胶凝材料研究中还存在很多问题:

(1)目前对石膏复合胶凝材料的研究主要关注在石膏复合胶凝材料物理性或工作性的某一方面，研究不够系统深入;

(2)对各种矿物掺合料在同等条件下对建筑石膏物理性能的影响、矿物掺合料特别是激发剂与外加剂在石膏中的相容性等研究较少;

(3)以建筑石膏为主要原材料的石膏基复合胶凝材料中，建筑石膏水化极快，参与复合的其他矿物掺合料在缺乏碱性激发剂和水的时候，会严重影响后期水化过程，从而会导致材料的整体强度偏低。研究表明一定的养护条件下，能改善石膏复合胶凝材料的强度及耐水性，但是这必将带来成本和能源问题。

(4)石膏复合胶凝材料在很大程度上解决了石膏的耐水性问题，但是对于以石膏复合胶凝材料为基材的石膏建筑产品的耐水性问题研究还不够深入，这些制品的耐水性是否也同样得到解决，有待进一步试验论证。

3 结语

随着生态建筑和绿色建材的概念日益为人们所接受，以石膏为主体的绿色生态建材将越来越受到建筑行业的青睐。无论是从生态建筑、环境保护还是从资源开发和工业副产石膏的资源化利用来看，石膏建材包括石膏基复合胶凝材料都是值得大力发展的绿色建筑材料。在我国由于石膏强度低、耐水性差这两大缺陷的存在，导致石膏建材在我国建筑市场占有的份额还是很低。所以，以石膏为基材的石膏复合胶凝材料的研究在我国还有更大的空间;并且在石膏复合胶凝材料研究的基础上，大力开展石膏复合胶凝材料为主要成分的石膏建材新产品将有广阔的前景。

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