伍玉寶, 竇雁輝, 張琦曼， 金理偉

(云南大學(xué)城市建設(shè)與管理學(xué)院，云南昆明 650091)

石膏制品在建筑中的發(fā)展與應(yīng)用方向探究

伍玉寶, 竇雁輝, 張琦曼， 金理偉

(云南大學(xué)城市建設(shè)與管理學(xué)院，云南昆明 650091)

石膏是我國的優(yōu)勢礦產(chǎn)資源之一，其儲量居世界首位。石膏及其各種制品具有質(zhì)輕、節(jié)能、吸聲、保溫、吸濕性強(qiáng)、防火性能好等諸多特點(diǎn)，但長期以來，我國在石膏科學(xué)研究、新產(chǎn)品開發(fā)以及技術(shù)方面都跟不上發(fā)達(dá)國家石膏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的步伐。文章介紹了石膏及其各種制品在建筑工業(yè)中發(fā)展進(jìn)程、應(yīng)用現(xiàn)狀、研究與實(shí)踐，力從整體上探究石膏材料在我國的應(yīng)用前景與發(fā)展趨勢。

石膏； 建筑行業(yè)； 發(fā)展； 探究

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的加快，現(xiàn)代化的建筑對材料的質(zhì)量要求越來越高，功能要求越來越多樣化，與此同時(shí)，生態(tài)環(huán)境保護(hù)，走可持續(xù)發(fā)展之路也已提到了不容忽視的高度，而這些在很大程度上需要靠建筑功能材料來實(shí)現(xiàn)。石膏材料在土木工程中的應(yīng)用歷史悠久，各種石膏制品具有質(zhì)輕、耐火、保溫、吸聲、施工性好、制造耗能低等。目前，我國石膏消費(fèi)結(jié)構(gòu)大致如表1所示，且主要供應(yīng)國內(nèi)市場的需求，在亞洲石膏貿(mào)易中所占比例很小[1,2]，基本上沒有進(jìn)入國際市場，這與我國的資源優(yōu)勢十分不相稱。因此，加快我國從石膏資源大國轉(zhuǎn)變?yōu)槭嘀破费邪l(fā)與應(yīng)用強(qiáng)國迫在眉睫。

表1 我國石膏消費(fèi)結(jié)構(gòu)

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 建筑石膏原料

天然石膏是自然界中蘊(yùn)藏的石膏石，它是一種重要的非金屬礦產(chǎn)資源。我國的石膏資源極其豐富，目前探明總保有儲量礦石約576億t，居世界首位，其中青海、四川、西藏等省份儲量超過10億t[3]。國內(nèi)現(xiàn)有50多個(gè)大中型石膏礦山以及500多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)集體礦山，石膏年產(chǎn)量逾千萬噸。

工業(yè)副產(chǎn)石膏(主要包括磷石膏、脫硫石膏等)是一種很好的可再生資源，綜合利用工業(yè)副產(chǎn)石膏，既有利于保護(hù)環(huán)境又能節(jié)約能源資源，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。就工業(yè)副產(chǎn)磷石膏而言，2010年全行業(yè)副產(chǎn)磷石膏約5 000萬t，且大部分磷石膏以露天堆放和傾入大海兩種方式處理為主，國內(nèi)堆存的磷石膏渣已經(jīng)超過1.2億t。而對工業(yè)副產(chǎn)脫硫石膏，我國燃煤電廠煙氣脫硫其中90%采用濕式石灰/石灰石-石膏法脫硫工藝，2010年煙氣脫硫約為5 000萬t，2013年7 000萬左右，脫硫石膏大多為露天棄置或用來鋪路、填溝、堆存等，其中堆存方式占據(jù)大量的土地，對環(huán)境造成了二次污染，也浪費(fèi)了大量本應(yīng)可以利用的優(yōu)質(zhì)資源。由此可知，在我國工業(yè)副產(chǎn)磷石膏和脫硫石膏的量均十分巨大，并且沒有得到很好的利用。工業(yè)副產(chǎn)石膏是資源，我們需要珍惜利用。在歐洲幾乎所有脫硫石膏都被應(yīng)用在建材行業(yè)，英國還制定了強(qiáng)制使用脫硫石膏的法令；日本則從1977年起，工業(yè)副產(chǎn)石膏90 % 以上用以生產(chǎn)紙面石膏板和纖維石膏板，脫硫石膏近100 %得到應(yīng)用。

1.2 石膏建筑制品

石膏制品對火災(zāi)、噪聲、電磁輻射等具有較強(qiáng)的抵御能力，在節(jié)能環(huán)保、生態(tài)平衡等方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，在制造及使用過程中無毒、無味、無公害，因而是一種非常理想的綠色環(huán)保建筑材料。目前，常用的石膏制品主要有紙面石膏板、纖維石膏板、空心石膏板、石膏砌塊等。

1.2.1 石膏板材

紙面石膏板，它韌性好，可以鋸割，易于施工操作，主要用于內(nèi)隔墻、內(nèi)墻貼面、天花板、吸聲板以及室內(nèi)鋼梁和鋼柱的防火被覆等，但其耐水性差，不宜用于潮濕的環(huán)境中。目前在我國，從材料單價(jià)來看，用紙面石膏板的隔墻每平方米的造價(jià)要高于傳統(tǒng)材料內(nèi)墻，但事實(shí)并非如此，由于它具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，其用于高層建筑物中不僅使結(jié)構(gòu)更加合理，而且總的造價(jià)也可以降低，其綜合效益非常顯著。2008年我國紙面石膏板年產(chǎn)11.5億m2，2010年16億m2，年增長率在20 %～30 %。纖維石膏板，在石膏建材中摻入纖維材料不僅可以提高石膏建材的抗拉、抗裂、抗疲勞等性能，而且還能賦予其特殊功能，如補(bǔ)償收縮、耐水、抗裂、耐磨、保溫隔熱、防止高溫爆裂，其抗彎強(qiáng)度較高，主要用于內(nèi)隔墻、天花板、吸聲板等。用于石膏的纖維主要包括有機(jī)合成纖維、玻璃纖維、植物纖維、碳纖維。石膏刨花板屬于植物纖維石膏板的一種，它不僅具有紙面石膏板的優(yōu)點(diǎn)，也具有普通刨花板的優(yōu)點(diǎn)，如經(jīng)濟(jì)性和很多物理性能都比較優(yōu)越，它不會(huì)像普通刨花板那樣釋放游離甲醛，是一種綠色環(huán)保板材(表2)。裝飾石膏板，常用作裝飾墻面和天花板，如昆明安雅達(dá)公司的特種裝飾板塊已用于北京奧體中心——鳥巢的接待大廳，這說明新型、品質(zhì)優(yōu)良的石膏裝飾板具有很大的發(fā)展?jié)摿Α＞C觀國外石膏墻體材料的發(fā)展，石膏板材是主流，其中又以紙面石膏板為主，21世紀(jì)以來世界總產(chǎn)量近80億m2，表3是中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)的顯示國內(nèi)石膏板年產(chǎn)量，表明石膏板的年產(chǎn)量在逐年增長。石膏板材能以較高的增長率快速發(fā)展，一方面得益于房地產(chǎn)市場的快速發(fā)展且市場空間足夠大，另一方面得益于石膏板材優(yōu)異的產(chǎn)品性能，使其能夠快速推廣且牢牢占據(jù)一定市場份額。

表2 一年生植物原料制石膏刨花板

表3 中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示國內(nèi)石膏板年產(chǎn)量

1.2.2 石膏塊材

石膏砌塊，國際上已公認(rèn)它是可持續(xù)發(fā)展的綠色建材產(chǎn)品，它可以大量使用火電廠的脫硫石膏及磷肥廠的磷石膏等工業(yè)副產(chǎn)石膏來生產(chǎn)，而且具有抗震、耐火、調(diào)濕等優(yōu)點(diǎn)，常用作非承重內(nèi)隔墻，其發(fā)展比較成熟?！妒嗥鰤K》的新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已于2010年發(fā)布實(shí)施，它已經(jīng)推動(dòng)石膏砌塊成為建筑行業(yè)很有發(fā)展前景的墻體材料。全世界有60多個(gè)國家生產(chǎn)與使用石膏砌塊，其中歐洲是世界范圍內(nèi)石膏砌塊發(fā)展和應(yīng)用較多的地區(qū)，石膏砌塊占內(nèi)墻材料總用量的30%以上，主要用于住宅、辦公樓、旅館等作為內(nèi)隔墻。表4是歐洲石膏砌塊應(yīng)用較多國家的年產(chǎn)量，我國與俄羅斯、法國等還有較大的差距。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國石膏砌塊年生產(chǎn)能力約2 000萬m2左右。

表4 歐州部分國家石膏砌塊產(chǎn)量

總的來看，石膏板材和石膏砌塊近幾年在我國都得到了較好的應(yīng)用和發(fā)展，但總體水平、特別是人均水平仍較低；石膏板材和石膏砌塊的應(yīng)用仍然集中在以非承重內(nèi)隔墻、天花板、吸聲板等為主，在承重隔墻領(lǐng)域幾乎沒有開拓。

2 石膏制品研究與實(shí)踐

2.1 科學(xué)研究

隨著濕度的增加石膏制品的強(qiáng)度急劇降低和蠕變性增大[4]，因此長期以來石膏制品在使用上受到了很大的限制，以此近幾年國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。曲烈、趙素寧等發(fā)表“高強(qiáng)度脫硫石膏復(fù)合材料制備與力學(xué)性能”一文指出[5]，在干熱-室溫養(yǎng)護(hù)程序?yàn)槭覝仂o停1 d脫模后40℃養(yǎng)護(hù)2 d，然后再室溫養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)日期，密封-室溫養(yǎng)護(hù)程序?yàn)槭覝仂o停1 d，脫模后70℃密封養(yǎng)護(hù)2 d，然后再室溫養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)日期，測得7 d、28 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為7.33 MPa、11.29 MPa和29.51 MPa、39.94 MPa。張東翔及黃曉軍[6]等“石膏基植物纖維板的吸水性及防水措施”指出，在石膏基植物纖維制品中摻入適量水泥或火山灰膠結(jié)材、施加乳化石蠟或有機(jī)硅等防水劑、M1500為代表的無機(jī)防水劑、摻入有機(jī)高分子聚合物、熱處理、表面噴涂防水材料等方式方法都起到了很好的防水和耐水處理。

2.2 實(shí)踐

圖1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格布置

近些年馬克儉院士[7]在現(xiàn)澆石膏住宅方面的研究與實(shí)踐頗有建樹，值得廣大學(xué)者深思和總結(jié)。相繼提出與實(shí)踐了現(xiàn)澆石膏高層鋼網(wǎng)格盒式節(jié)能住宅結(jié)構(gòu)體系、 預(yù)埋工業(yè)石膏模殼鋼筋混凝土正交空心大板樓蓋(降低自重50%左右)、現(xiàn)澆工業(yè)石膏外墻鋼筋混凝土盒式結(jié)構(gòu)、新型現(xiàn)澆工業(yè)石膏(磷石膏、脫硫石膏)承重墻的農(nóng)村節(jié)能住宅等。如現(xiàn)澆磷石膏(外墻、分戶墻)大開間靈活劃分居室小高層節(jié)能住宅(混凝土盒式結(jié)構(gòu))，石膏、混凝土正交正放網(wǎng)格式空心大板，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格布置如圖1所示；如現(xiàn)澆脫硫石膏(外墻)鋼筋混凝土網(wǎng)格框架與核心筒的盒式筒中筒高層寫字樓建筑，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖2 正立面標(biāo)準(zhǔn)層窗劃分

3 應(yīng)用與實(shí)踐方向探究

美國的民用建筑中石膏制品已占墻體材料的85 %，近年來以復(fù)合墻體材料為主，主要有石膏板與玻璃棉材料的復(fù)合以及石膏板與聚苯乙烯、聚氨酯等泡沫塑料的復(fù)合等[8-9]。美國住宅80 %以上墻體和吊頂材料均采用紙面石膏板，每1 m2建筑面積使用石膏板達(dá)4 m2。而我國的墻體材料中，鋼筋混凝土墻、磚墻、土胚墻仍占據(jù)著絕對大的比例。因此，要加大石膏板材的研發(fā)力度，力從降低其成本，使之得到更廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)目前的研究和實(shí)踐成果，現(xiàn)澆石膏可以提到作為農(nóng)村新建低層(主要指不超過3層)房屋的承重墻日程上來，筆者認(rèn)為，通過包覆鋼絲網(wǎng)片(圖3)來提高現(xiàn)澆石膏墻體的抗剪以及整體性能，但有一個(gè)缺陷是兩者的線性膨脹系數(shù)相差較大，這還需要一些實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證這種做法的可靠性。但是在高烈度區(qū)其抗震性能仍需更多研究加以改善。 建議：研發(fā)效率高、質(zhì)量高、成本低、能耗低的石膏板材與砌塊自動(dòng)化生產(chǎn)線；利用工業(yè)廢料，開發(fā)多種配方，在提高各種石膏制品技術(shù)性能和使用性能的同時(shí)，降低制造成本；進(jìn)行系列研發(fā)，開發(fā)各種規(guī)格、形狀及性能的產(chǎn)品，形成比較完整的石膏產(chǎn)品系列；進(jìn)一步完善石膏砌塊墻體的多種適用的配套施工機(jī)具及配件、輔助材料系列；開發(fā)及完善石膏板材與砌塊的配套件及施工機(jī)具，完善施工方法，出臺施工規(guī)程。

圖3 石膏包覆鋼絲網(wǎng)片

4 結(jié)束語

根據(jù)建筑材料制品的輕質(zhì)高強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保等發(fā)展趨勢和要求，天然石膏以及多種工業(yè)副產(chǎn)石膏將逐步從內(nèi)墻向外墻，從非承重隔墻向承重隔墻領(lǐng)域發(fā)展，其各種石膏板材和塊材必將會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

[1] 楊榮華.石膏資源的綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展方向探討[J].無機(jī)鹽工業(yè)，2008,40(4)：5-7.

[2] 喻小平,李書琴. 新型石膏基墻體材料原料的研究進(jìn)展[J].硅酸鹽通報(bào),2011,30(6)：1349-1351.

[3] 陳燕，岳文海，董若蘭. 石膏建筑材料[M].2版.北京：中國建材工業(yè)出版社，2012.

[4] 谷巖，姜忻良.不同間距設(shè)置芯柱-纖維石膏速成板組合墻體抗震性能有限元分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，43(7)：568-572.

[5] 曲烈、趙素寧.高強(qiáng)度脫硫石膏復(fù)合材料制備與力學(xué)性能[J].粉煤灰綜合利用，2012(3)：2-8.

[6] 張東翔，黃曉軍，袁昭慧，等.石膏基植物纖維板的吸水性及防水措施[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001,24(1)：151-154.

[7] 馬克儉.建筑結(jié)構(gòu)“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”三原則(減量化、再利用、資源化)報(bào)告[R].2012.

[8] FRAIRE—LUNA P E．Composite system fluorgypsum-blastfur-naceslag-metakaolin，strength andmicrostructures[J]．Cem Concr Res，2006，36(6)：1048-1055．

[9] ESCALANTE—GARCIA J I，MAGALLANE§RlVERA R X，GOROKHOVSKY A．Waste gypsum-blast furnace slag cement in mortars with granulated slag and silica sand as aggregates[J]．Constr Build Mater，2009，23(8)：2851-2855．

云南大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金(項(xiàng)目編號：ynuy201201)

伍玉寶(1987～),男，結(jié)構(gòu)工程碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)抗震和結(jié)構(gòu)加固;竇雁輝(1987～),男，市政工程碩士研究生;張琦曼(1986～),女，人文地理碩士研究生;金理偉(1988～)； 男，巖土工程碩士研究生。

TU55+1.39

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[定稿日期]2015-04-01