建筑石膏砂漿耐水性能提升的途徑和方向探討

引言建筑石膏，特別是以工業(yè)副產(chǎn)石膏為來源的建筑石膏產(chǎn)品近年來成為建筑材料的一個熱門領(lǐng)域，典型的建筑石膏產(chǎn)品如石膏板材、砌塊、石膏砂漿等。其中，建筑石膏砂漿因其應(yīng)用廣泛、性價比高成為了近年的研究、應(yīng)用熱點，同時也以其快干、輕質(zhì)、較高粘接性能、不易開裂，以及低碳綠色等特點取得了良好的應(yīng)用效果。然而由于建筑石膏本身的一些特性，如耐水性能不佳、質(zhì)量不穩(wěn)定等特性對石膏砂漿材料的進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)展產(chǎn)生了較大的限制，因此石膏砂漿大多應(yīng)用在室內(nèi)非潮濕區(qū)域。如何提升石膏砂漿的耐水性，將其輕質(zhì)、綠色、低碳、不易開裂等特性產(chǎn)品應(yīng)用于潮濕區(qū)域甚至是室外區(qū)域，業(yè)內(nèi)諸多技術(shù)人員和研究人員開展了大量研究。本文擬從石膏砂漿本身組分出發(fā)，匯總分析相關(guān)研究技術(shù)人員的研究成果，給出建筑石膏砂漿耐水性提高的方法和途徑，以期提升建筑石膏砂漿的應(yīng)用表現(xiàn)，擴(kuò)展石膏砂漿的應(yīng)用范圍。本文所討論的石膏砂漿是指以建筑石膏為主要膠凝材料的砂漿產(chǎn)品，包括石膏抹灰砂漿、石膏找平膩子、石膏自流平砂漿、石膏保溫砂漿等。

1、石膏砂漿的耐水性能特點

1.1建筑石膏的耐水性能石膏砂漿中的主要膠凝材料為建筑石膏，因此石膏砂漿的耐水性能如何與建筑石膏本身的特性直接相關(guān)。建筑石膏主要成份為β半水石膏，其在硬化過程中析晶水化機(jī)理認(rèn)為[1-2]，半水石膏加水拌和后，石膏首先在水中溶解形成石膏漿料，半水石膏的溶解度大于二水石膏的溶解度，因此，當(dāng)石膏漿體中的半水石膏達(dá)到飽和溶解度時，其中的二水石膏已經(jīng)為過飽和狀態(tài)，所以二水石膏會在石膏漿體中大量析晶，同時，半水石膏在水中的溶解平衡因二水石膏的析晶而破壞，從而導(dǎo)致半水石膏會進(jìn)一步溶解，去補(bǔ)償溶液中所消耗的鈣離子和硫酸根離子，這個過程不斷進(jìn)行，直至漿體中半水石膏幾乎完全溶解形成二水石膏為止。建筑石膏的主要水化產(chǎn)物為二水石膏，而二水石膏的溶解度[1]為6×10-3mol/L而水化硅酸鈣（托貝莫來石）溶解度為1.8×10-4mol/L，可以看出二水石膏的溶解度為水化硅酸鈣的33倍以上。也即建筑石膏的主要水化產(chǎn)物是一種相對溶解度較高的物質(zhì)，與水接觸后使得石膏的強(qiáng)度會迅速降低。

1.2石膏砂漿的耐水性能石膏砂漿通常由建筑石膏、砂、填料、緩凝劑、保水劑、添加劑等組分構(gòu)成，其在使用時由石膏砂漿與水混合攪拌均勻后采用相應(yīng)的施工機(jī)具施工成型，最后在一定的環(huán)境條件下硬化從而具備使用功能。在施工過程中，為了配合施工的需求，在石膏砂漿實際拌合水的使用量往往會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出石膏硬化所需要的水分需求量，通?？蛇_(dá)理論需水量的3.5~4.5倍，這部分多余的水分揮發(fā)后會使石膏砂漿中留下大量的毛細(xì)孔，再結(jié)合石膏本身的多孔特性，使得最后形成的砂漿硬化體往往成為一種多孔材料。而這類多孔材料其內(nèi)比表面積相對較大，其與水接觸時，在滲透壓的作用下，水分易大量進(jìn)入石膏砂漿硬化體內(nèi)部從而導(dǎo)致石膏砂漿不耐水[3]，通常石膏砂漿的軟化系數(shù)不會超過0.3。

2、石膏砂漿耐水性提升途徑

石膏砂漿因為其綠色低碳、固化速度快、收縮小、找平效率高、保溫隔音、防火性好等特點，得到了良好的應(yīng)用和發(fā)展，從近幾年的石膏砂漿發(fā)展情況看，目前應(yīng)用最為成熟的是石膏砂漿品類為抹灰石膏。此外，石膏基自流平砂漿近幾年也得到了良好的發(fā)展，雖然沒有抹灰石膏砂漿技術(shù)成熟度高，但發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｈ欢?，受限于石膏固有的耐水性能不佳，其在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也受到了很大的限制，如只能用于室內(nèi)非潮濕區(qū)域，不能用于室外或潮濕區(qū)域。在建筑學(xué)中，建筑材料的耐水性用軟化系數(shù)表示，軟化系數(shù)即材料從絕干狀態(tài)到飽水狀態(tài)其強(qiáng)度保留的程度，當(dāng)軟化系數(shù)＞0.85時，稱為耐水性材料[4]。如何提升石膏砂漿的軟化系數(shù)，提高其耐水性也成為從業(yè)技術(shù)人員的主要研究方向之一，從當(dāng)前的文獻(xiàn)資料情況看主要有以下幾種途徑。2.1復(fù)合膠凝體系石膏復(fù)合膠凝體系是提升石膏砂漿耐水性的重要途徑，近年也是相關(guān)專業(yè)技術(shù)研究人員研究的重點。如趙敏等[5]通過硫鋁酸鹽水泥增強(qiáng)建筑石膏的耐水性能，其研究表明硫鋁酸鹽水泥的摻入可以小幅降低石膏的標(biāo)稠度需水量，加速水化進(jìn)程，降低硬化體的孔隙率和吸水量，顯著提高硬化體的飽水抗折強(qiáng)度，在硫鋁酸鹽水泥摻入量為10%~20%時軟化系數(shù)可達(dá)0.50以上；易偉等[6]通過鋁酸鹽水泥提升建筑石膏的耐水性能，研究表明鋁酸鹽水泥的加入降低了標(biāo)準(zhǔn)稠需水量，增大了密度、強(qiáng)度，提高了耐水性能，隨著鋁酸鹽水泥的加入其軟化系數(shù)相應(yīng)的提高，當(dāng)鋁酸鹽水泥摻量為30%時，軟化系數(shù)可達(dá)0.51。黃麟等[7]亦研究了高鋁水泥對脫硫建筑石膏的性能影響，研究結(jié)果表明，高鋁水泥的加入可減小脫硫建筑石膏的標(biāo)稠度用水量，延長凝結(jié)時間，提高其力學(xué)性能和耐水性，當(dāng)高鋁水泥摻量為20%時，其軟化系數(shù)為0.70，具有良好的耐水性。郭會師等[8]利用硅酸鹽水泥改善建筑石膏的耐水性能，研究結(jié)果表明，當(dāng)硅酸鹽水泥用量≤18%，隨著水泥用量的增加其吸水率減小，軟化系數(shù)提升耐水性能增強(qiáng)，當(dāng)水泥用量為18%時軟化系數(shù)可達(dá)0.71。付建[9]通過在建筑石膏中添加普通硅酸鹽水泥增加建筑石膏的耐水性能，硅酸鹽水泥可以提高建筑石膏的強(qiáng)度和軟化系數(shù)，降低建筑石膏的吸水率，研究顯示當(dāng)硅酸鹽水泥摻量為15%以內(nèi)時，石膏的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軟化系數(shù)均可得到提升，當(dāng)硅酸鹽水泥摻量為15%時，其軟化系數(shù)可達(dá)0.65。高育欣等[10]研究了礦粉和普通硅酸鹽水泥對磷建筑石膏復(fù)合膠凝材料的影響，結(jié)果表明水泥和礦粉復(fù)摻使用時可顯著提高磷石膏的軟化系數(shù)，當(dāng)水泥摻量為5.58%，礦粉摻量為20%，石膏摻量為74.42%時，軟化系數(shù)可達(dá)0.87。賀行洋等[11]也從事過水泥、礦粉、磷建筑石膏復(fù)合材料的性能類研究，研究結(jié)果表明當(dāng)水泥摻量為5%，礦粉摻量為25%時，其軟化系數(shù)可達(dá)0.85。根據(jù)以上研究成果，通過在建筑石膏中摻入礦渣、普硅水泥、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥等組分形成復(fù)合膠凝體系均可在不同程度上提高建筑石膏的軟化系數(shù)，進(jìn)而改善石膏砂漿的耐水性能，從而使得以建筑石膏為主要膠凝材料的石膏砂漿有了用于潮濕區(qū)域或室外的可能性。當(dāng)然我們也需要注意到，通過復(fù)摻這些活性組分的復(fù)合膠凝體系在提升耐水性的同時，通常也伴隨著建筑石膏輕質(zhì)、微膨脹等特性的損失，需要我們在制備耐水型石膏砂漿時通過其它技術(shù)手段減少或避免這些負(fù)面影響。2.2憎水劑使用添加劑改善石膏砂漿的耐水性也是常用的方法之一。典型的添加劑如石膏砂漿中添加脂肪酸鹽、有機(jī)硅等憎水劑，其主要原理在于通過添加憎水劑物質(zhì)，使得水向石膏砂漿內(nèi)部滲透的速度和量減少，提高飽水強(qiáng)度，從而改善耐水性。如朱效甲等[12]研究了有機(jī)硅憎水劑對于脫硫石膏耐水性的影響，結(jié)果表明有機(jī)硅樹脂乳液和有機(jī)硅粉末均可大幅度提高脫硫石膏的耐水性，降低質(zhì)量吸水率。當(dāng)然，我們從研究也可看出，該研究中也體現(xiàn)出，浸水1d、3d、7d隨著浸水時間的延長，相應(yīng)的軟化系數(shù)也呈較大的降低趨勢。單獨使用該方案提升耐水性，更多的傾向于短期耐水性的提升，難以通過該方法達(dá)到長期耐水性的提升。

2.3減水劑石膏砂漿中添加減水劑[13]也是一種常用的改性方法，最典型的應(yīng)用為石膏自流平砂漿中添加減水劑。添加減水劑的目的是減少砂漿用水量即降低水膏比，也即在砂漿固化后，減少由于水分揮發(fā)留下的空隙，一定程度上增加砂漿的密實程度，從而達(dá)到提升耐水性的目的。如朱效甲等[14]研究了減水劑對于脫硫石膏性能的影響，結(jié)果表明，萘系FDN-X減水劑和聚羧酸系PC-NF減水劑均能降低吸水率，從而提高脫硫建筑石膏的耐水性。

2.4其他添加劑根據(jù)資料研究表明，其他一些添加劑也可增加建筑石膏的耐水性。如廖仕雄等[15]通過微晶纖維素的添加提高建筑石膏的耐水性能，其研究表明微晶纖維素?fù)搅繛?.09%時，磷建筑石膏的軟化系數(shù)可達(dá)0.61，同時顯著提升了磷建筑石膏絕干抗壓抗折強(qiáng)度。季敏等[16]通過在建筑石膏中添加短切玻璃纖維、甲基硅醇鈉來改善磷建筑石膏的耐水性，研究結(jié)果表明短切玻璃纖維和甲基硅醇鈉復(fù)合改性可有效提高磷建筑石膏的耐水性能，當(dāng)短切玻璃纖維長度為9mm，摻量為2%，甲基硅醇鈉摻量為1.5%時，其軟化系數(shù)達(dá)到最佳。趙紅艷等[17]通過硅溶膠提升石膏制品的耐水性能,該研究表明硅溶膠可以顯著提高石膏制品的耐水性能，降低吸水率，硅溶膠摻量為8%時，抗折軟化系數(shù)可達(dá)0.99，但其對石膏制品的強(qiáng)度有不利影響。曹文湘等[18]通過不同長度的PVA纖維提升建筑石膏的軟化系數(shù)和飽水強(qiáng)度，研究結(jié)果表明，PVA纖維的加入可以顯著增加其抗折強(qiáng)度，提高軟化系數(shù)，當(dāng)纖維加入量為0.8%時，其軟化系數(shù)均可達(dá)0.8以上。3、石膏砂漿組分設(shè)計對于耐水性的影響

石膏砂漿是由建筑石膏為主要膠凝材料制備而成的，其主要成份為建筑石膏、骨料、添加劑等，除了關(guān)注其各組成成份的耐水特性外，也需要關(guān)注組分設(shè)計對于砂漿耐水性能的影響，合理的組分設(shè)計可以達(dá)到提升石膏砂漿耐水性的目的，而不合理的組分設(shè)計則會在很大程度上劣化砂漿的耐水性能。從前述我們得知通常石膏砂漿耐水性能不佳除了石膏作為膠凝材料其固有的特性外，還有一點非常值得關(guān)注，就是砂漿的實際需水量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂漿硬化所需的理論用水量，造成這一點的主要原因是石膏砂漿產(chǎn)品需要通過一定的施工方法施工到基面上從而達(dá)到使用功能，施工完成后，多余的游離水分必然要從石膏砂漿表面和底面散失揮發(fā)，從而留出了大量孔洞，造成硬化后的石膏砂漿成為一種多孔狀的材料，雖然優(yōu)點是造就了石膏砂漿輕質(zhì)等特性，但同時也很大程度導(dǎo)致硬化后的石膏砂漿成為了一種吸水率較高，不耐水的材料。因此需要考慮石膏砂漿使用功能和組分設(shè)計之間的關(guān)系。比如，在達(dá)到使用性能要求的前提下，是不是可以將石膏砂漿盡量設(shè)計較低的水灰比?？紤]到建筑石膏硬化體本身耐水性能不佳，是否可以在砂漿組分設(shè)計時盡量設(shè)計較低的膠砂比，從而避免引入過多耐水性能不佳的膠凝材料。結(jié)語

石膏砂漿因石膏膠凝材料固有的不耐水的特性，目前只能應(yīng)用于非潮濕區(qū)域。隨著改性技術(shù)的發(fā)展，尤其是復(fù)合膠凝材料技術(shù)的發(fā)展