葉蓓紅，錢耀麗，江傳德

(1.上海市建筑科學研究院(集團)有限公司，上海200032;2.同濟大學材料科學與工程學院，上海201804)

石膏作為一種氣硬性膠凝材料，被廣泛用于生產(chǎn)各種石膏制品，這些產(chǎn)品在使用過程中不僅質(zhì)輕而且具有良好的隔音隔熱、防火性能、抗震性能和裝飾性等優(yōu)點，并可以調(diào)節(jié)空氣濕度，提高居住舒適度。但是耐水性差、強度不高的缺點致使石膏制品在某些場合中的應用受到了較大的限制［1］，這些產(chǎn)品只適用于地上或干燥環(huán)境，不宜用于潮濕環(huán)境，更不可用于水中［2］。

提高石膏制品的力學性能及耐水性是當前研究與生產(chǎn)石膏制品領域關注的問題。單純提高石膏制品耐水性，可以在表面涂抹防水劑或者在其中添加防水材料，前者在制品表面破損的情況下，防潮效果將大大降低，后者成本太高，而且會降低石膏砌塊的機械性能［3］。若想提高石膏制品的強度，可以通過利用高強α石膏作為膠凝材料來制備石膏制品，但是這種做法提高石膏強度和耐水性都很有限，也不經(jīng)濟［4］。因此，國內(nèi)外許多研究者開展了大量的摻合料配制石膏復合膠凝材料的研究，力求從根本上解決石膏制品強度和耐水性較低的問題。

1 石膏復合膠凝材料研究進展

石膏復合膠凝材料是由石膏和外加摻合料，在相應的激發(fā)劑作用下，以一定比例混合而成，兼具氣硬性和水硬性的膠凝特點。選擇的摻合料主要有生石灰、水泥、礦渣、粉煤灰等。

1.1 石膏-石灰復合膠凝材料研究進展

摻加生石灰是最早用于改性石膏的方法，主要是生石灰磨細后，比表面積小，摻入石膏后，相比需水量少，從而保證能達到高密度，獲得較高的強度;而且生石灰的存在使石膏的溶解度降低，因為石灰在空氣中碳化轉(zhuǎn)變成碳酸鈣，碳酸鈣溶解度遠小于石膏，此時石膏細粒為不溶于水的碳酸鈣所包覆，石膏-石灰復合膠凝材料的耐水性大幅度提高，尤其表現(xiàn)在提高石膏的耐凍水溶蝕性能上。但是生石灰的摻量需控制在一定的范圍，對提高強度而言，以10%摻量為好;對抗凍水溶蝕而言以摻加25%的最好［1］。

1.2 石膏-水泥復合膠凝材料研究進展

采用硅酸鹽水泥作為建筑石膏的摻合料，主要是水泥中的鋁酸三鈣與石膏發(fā)生反應生成具有膠凝性且耐水性較好的三硫型水化硫鋁酸鈣，即鈣礬石［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鈣與硅酸二鈣發(fā)生水化反應生成具有凝膠性能的C-S-H(水化硅酸鈣凝膠)，C-S-H的生成有利于石膏制品力學性能的提高［5］。然而，若石膏水泥配合比不合適，水泥摻量過高，其反應生成的水化鋁酸鈣數(shù)量增多，形成的鈣礬石數(shù)量也增多，鈣礬石的體積增大，會導致石膏結晶結構網(wǎng)的破壞，增加制品裂紋，反而降低制品的強度、提高其吸水率、降低制品耐水性，嚴重的造成石膏試件的破壞［6］。由于水泥品種多樣性，不同水泥品種、摻量和水化環(huán)境，所形成的鈣礬石的結構、數(shù)量不同，因此對混合體系的性能也不相同。其中，硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥對石膏適應性較好［7］。

曲烈，趙素寧等［8］研究了磨細水泥及普通細度水泥對β型半水脫硫石膏-水泥復合材料力學性能及結構特征的影響。結果表明，隨著半水脫硫石膏用量減少和水泥用量增加，抗壓強度增加。水灰比為0.28，脫硫石膏摻量55%，水泥與磨細水泥優(yōu)化比例為1:4，采用密封 -室溫養(yǎng)護，其28d的抗壓強度可達48.84MPa，抗折強度達到9.38MPa。

1.3 石膏-礦渣/粉煤灰復合膠凝材料研究進展

石膏中摻加粉煤灰或高爐礦渣等水硬性摻合料，必須在堿性激發(fā)下發(fā)揮作用。建筑石膏中的半水石膏溶解形成二水石膏，并析出晶體形成結構骨架，使?jié){體凝結硬化，提供早期強度;礦渣/粉煤灰在堿與二水石膏的共同作用下水化產(chǎn)生水化硅酸鈣與鈣礬石，分布在二水石膏晶體周圍，未水化的粉煤灰/礦渣顆粒則作為微集料填充于空隙中，完善網(wǎng)絡結構骨架［9］。這種結構，使石膏復合膠凝材料具有較好的耐水性，耐水性差的二水石膏晶體被大量溶解度低的水硬性鈣礬石晶體包裹，阻止了水分對二水石膏晶體的侵蝕;而侵入的水分既使部分二水石膏發(fā)生溶解侵蝕，對硬化體結構產(chǎn)生破壞，又能促進未水化粉煤灰進一步水化，有利于硬化體的修復與發(fā)展［1］。

黃洪財?shù)龋?0］研究了粉煤灰、礦粉-粉煤灰、水泥-粉煤灰3種體系礦物摻合料對建筑石膏性能的影響，有水泥摻加的石膏復合膠凝材料體系28d強度在有礦物摻合料摻加的體系中最高;在礦粉-粉煤灰體系中，沒有堿性激發(fā)劑，其幾乎沒有發(fā)生水化反應或水化反應非常少。

趙前、李文杰［11］研究發(fā)現(xiàn)高鋁水泥的加入可以有效提高磷石膏-礦渣-鋼渣磷石膏基水硬性膠凝材料體系的早期強度，并縮短凝結時間，使水化產(chǎn)物鈣礬石生成量明顯增加，從而有效提高該材料的水化性能;當摻入6%的高鋁水泥時，該膠凝材料的3d抗壓強度達到4.5MPa，28d抗壓強度達35MPa。

單衛(wèi)良等［12］將半水石膏與礦渣微粉復合，在堿性激發(fā)條件下制備出一種新型石膏(GS)復合膠凝材料。相比于基準石膏，該石膏復合膠凝材料的強度和耐水性能均有很大提高，14d強度提高109%;海水浸蝕7d的軟化系數(shù)提高158%。

樊先平等［13］研究了水泥在石膏復合膠凝材料體系中的作用，水泥對石膏復合膠凝材料的性能有很大影響，摻量過少不能有效激發(fā)礦渣活性，摻量過多易引起安定性不良，水泥的最佳摻量范圍為7% ～10%。

曲烈等［14］研究脫硫石膏-粉煤灰復合膠凝材料的力學性能及微觀結構時發(fā)現(xiàn)，摻加粉煤灰后脫硫石膏的抗壓強度有所改善，最終水化產(chǎn)物主要為CaSO42H2O，粉煤灰的潛在活性并未得到有效激發(fā)，建議摻加有效的堿性激發(fā)劑將粉煤灰的活性激發(fā)出來，并合理改善養(yǎng)護條件，使粉煤灰的水化作用得以進行，從而形成較高強度且具有一定耐水性能的凝膠體。

P.Yan，Y.You［15］以氟石膏和礦渣作為主要原料，水泥作為激發(fā)劑，制備石膏水泥，實驗表明試樣在水中養(yǎng)護90d后，強度可以達到77.3MPa，同時具有很好的體積穩(wěn)定性。

李書琴等［16］研究發(fā)現(xiàn)水泥熟料量的變化對石膏-礦渣膠凝材料的強度影響不明顯，水泥熟料只對礦渣起激發(fā)作用，保證石膏-礦渣復合材料的強度;標準養(yǎng)護和自然養(yǎng)護對試樣的強度影響不大，但通過自然條件養(yǎng)護后所得制品的軟化系數(shù)較高。

1.4 石膏復合膠凝材料的應用研究進展

隨著石膏復合膠凝材料研究的不斷深入，目前已經(jīng)有很多建筑產(chǎn)品使用了石膏基復合膠凝材料，實際應用過程中取得了很好的成效。

葉蓓紅等［17］以氟石膏、脫硫石膏、礦渣粉為主要組分開發(fā)了一種石膏復合膠凝材料，并以其配制石膏防潮砂漿;經(jīng)工程應用，該砂漿上墻后無收縮裂縫;具有良好的耐水性，可直接用于潮濕環(huán)境下外墻內(nèi)側與內(nèi)隔墻的找平。而且其成本略低于水泥抹灰砂漿，具有經(jīng)濟適用性及較好的市場推廣應用前景。

孫振平等［18］利用脫硫石膏、礦渣粉、少量水泥和激發(fā)劑制備的脫硫石膏基復合膠凝材料，配以?；⒅闉檩p質(zhì)集料開發(fā)了一種建筑保溫砂漿。結果表明，這種保溫砂漿各項性能指標均達到相關標準的要求;同時，因原材料中采用了大量工業(yè)廢棄物，這種砂漿產(chǎn)品的環(huán)境效益和社會效益極佳，市場前景廣闊。

施惠生等［19］利用化工廢石膏-粉煤灰制備了一種新型道路建筑材料，具有較高的力學性能和優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕性能。

2 石膏復合膠凝材料存在問題

目前國內(nèi)研究者通過礦物摻合料或者復合外加劑對石膏的改性已取得了一些進展，但石膏復合膠凝材料研究中還存在很多問題:

(1)目前對石膏復合膠凝材料的研究主要關注在石膏復合膠凝材料物理性或工作性的某一方面，研究不夠系統(tǒng)深入;

(2)對各種礦物摻合料在同等條件下對建筑石膏物理性能的影響、礦物摻合料特別是激發(fā)劑與外加劑在石膏中的相容性等研究較少;

(3)以建筑石膏為主要原材料的石膏基復合膠凝材料中，建筑石膏水化極快，參與復合的其他礦物摻合料在缺乏堿性激發(fā)劑和水的時候，會嚴重影響后期水化過程，從而會導致材料的整體強度偏低。研究表明一定的養(yǎng)護條件下，能改善石膏復合膠凝材料的強度及耐水性，但是這必將帶來成本和能源問題。

(4)石膏復合膠凝材料在很大程度上解決了石膏的耐水性問題，但是對于以石膏復合膠凝材料為基材的石膏建筑產(chǎn)品的耐水性問題研究還不夠深入，這些制品的耐水性是否也同樣得到解決，有待進一步試驗論證。

3 結語

隨著生態(tài)建筑和綠色建材的概念日益為人們所接受，以石膏為主體的綠色生態(tài)建材將越來越受到建筑行業(yè)的青睞。無論是從生態(tài)建筑、環(huán)境保護還是從資源開發(fā)和工業(yè)副產(chǎn)石膏的資源化利用來看，石膏建材包括石膏基復合膠凝材料都是值得大力發(fā)展的綠色建筑材料。在我國由于石膏強度低、耐水性差這兩大缺陷的存在，導致石膏建材在我國建筑市場占有的份額還是很低。所以，以石膏為基材的石膏復合膠凝材料的研究在我國還有更大的空間;并且在石膏復合膠凝材料研究的基礎上，大力開展石膏復合膠凝材料為主要成分的石膏建材新產(chǎn)品將有廣闊的前景。

［1］ 陳燕，岳文海，董若蘭.石膏建筑材料［M］.北京，中國建材出版社，2003:222.

［2］ 符芳.建筑材料［M］.南京，東南大學出版社，2002:55.

［3］ 張俊生，路北戰(zhàn)，張志國，等.耐水型石膏砌塊的制備工藝研究［J］.新型墻材，2011，11:22-24.

［4］ 劉方，孫小耀.高強防水石膏研究進展［J］.福建建材，2011，4:11-13.

［5］ 白楊，李東旭.活性摻合料對脫硫基粉刷石膏制品性能的影響［J］.材料科學與工程學報，2009，27(3):447-450.

［6］ 張剛剛.水泥不同摻量對石膏膠凝材料性能影響的研究［J］.重慶科技學院學報(自然科學版)，2009，11(6):69-71.

［7］ 張雷.脫硫石膏鋼渣膠凝材料及其新型砌塊的制備［D］.濟南大學，2012.

［8］ 曲烈，趙素寧，李劍等.高強度脫硫石膏復合材料制備與力學性能［J］.粉煤灰綜合利用，2012(3):3-8.

［9］ 應俊，石宗利，高章韻.新型石膏基復合膠凝材料的性能和結構［J］.新型建筑材料，2010(7):7-10.

［10］ 黃洪財，馬保國，邢偉宏.礦物摻合料對建筑石膏的改性及機理研究［J］.非金屬礦，2008，31(2):27-30.

［11］ 趙前，李文杰.高鋁水泥對磷石膏基水硬性膠凝材料性能的影響［J］.武漢理工大學學報，2012，34(10):19-23.

［12］ 單衛(wèi)良，曹黎穎，葉蓓紅等.新型石膏復合膠凝材料的研究［J］.新型建筑材料，2005(12):50-51.

［13］ 樊先平，王智，賈興文等.水泥在石膏復合膠凝材料體系中的作用［J］.非金屬礦，2013，36(1):46-49.

［14］ 曲烈，趙素寧，高士奇.脫硫石膏-粉煤灰復合膠凝材料的力學性能研究［J］.粉煤灰，2013(2):1-3.

［15］ P Yan，Y You.Studies on the binder of fly ash-fluorgpysumcement［J］.Cement and Concrete Research，1998，28(1):135-140.

［16］ 李書琴，艾永平等.半水石膏-礦渣膠凝材料力學性能及軟化系數(shù)研究［J］.硅酸鹽通報，2011，30(3):732-735.

［17］ 葉蓓紅，錢耀麗，談曉青.利用石膏復合膠凝材料制備石膏防潮砂漿［J］.粉煤灰，2014，2:25-28.

［18］ 孫振平，鄭金飚，蔣正武等.以脫硫石膏為復合膠凝材料基料配制無機保溫砂漿［J］.新型建筑材料，2011(6):1-4.

［19］ 施惠生，趙玉靜.利用化工廢石膏制備新型道路建筑材料的研究［J］.新型建筑材料，2001(5):26-28.