石膏的特性与用途

P-CaSOjimHQ-CaSO,]-in[tiewateror5EemiP-CaSOjimHQ-CaSO,]-in[tiewateror5Eemi石膏的特性与用途石膏是人类最早使用的胶凝材料之一,早在公元前儿千年川，人类就已经学会利用石膏,石膏的应用为人类的古文明做出了不朽的贡献nLL1石膏的多相性地球上有丰富的石膏矿产资源，这些石膏主要以天然二水石膏和天然无水石膏形式存在，广泛地分布在地球的表面,其中，：水石膏在常温条件下是稳定相，但是在加热时能部分或全部脱去结晶水而成为烧石膏，烧石膏遇水又变成原来化学成分的材料£这些现象被称为石膏的脱水和水化1是石膏工业的工艺基础中在不同的条件（温度、时间、水蒸气压力）下，二水石膏可以获得350「曲系统中从半水石膏到无水石膏的各种变体因・见下图17.%>2oor务0-ITI-CaSO.图1-1Ca£0「Hj的各相与相互转化关系figure1-1thephasesofCaSQ.-HQsystemandphasetransfortnstion在CW0「HQ系统的五个相中，二水石膏，半水石膏和无水石膏II、III四个相能够在常温条件下存在口在建筑材料工业中用量最大的是半水石膏.要获得检定的单一相组成的半水石膏必须要严格的参数控制和较长的燃烧时间口在实际的工业生产过程中，人们总是希望用最低的能耗和尽可能短的时间来完成脱水过程，所以石膏工业的实际脱水温度远比理论转化温度高得多；我们所获得的产品通常是Ca^VHQ系统的各项多变体混合物，它们通常被称为熟右膏或烧石膏，以B.a半水石膏为主要组成相。由于脱水的条件不一样，B、。半水石膏在结构和性能上有显著差异网，见表1T。求1-1B、a半水石膏比较tabicl-IcomparingbetweenPandahemihydrategypsum种类B-米水石杳a-半水石膏脱水条件45-200*0干燥条件常压脱水>45C液相中或>97t水汽下脱水机理以干蒸汽状态蒸发，有品格变化溶辨析晶机理，排除液态水251c水化热-4600Cal/mol4100Cal/mol晶体形状大小与脱水前形貌有关，多为不规则小晶体颗粒短柱状的粗大晶体颗粒需水量大小硬化体强/史低高生产成本低高石膏的优良使用性能1）凝结硬化快凝结硬化快是半水石膏最显著的特性之一。在通常情况下，B-半水石膏在加水后15-30min内已经基本水化，形成具有一定强度的硬化体。半水石膏的快速水化为石膏制品的工业化大规模生产提供有利的条件因素：生产节奏快，设备的周转率高。2）保温、隔热性好石膏材料是很好的节能材料，多孔的石膏硬化体具有较低的导热系数。从下表1-2的比较中我们可以看出，如采用石膏材料作为墙体材料将大大提高建筑物的保温、隔热性能：石膏材料是节能材料的优选目标。表1-2 几种常见材料的导热系数比较table1-2comparingofsomeordinarybuildingmateriaKscoefficientofthermalconductivity材料钢材普通玻璃加气混凝土建筑不膏硬化体普通烧结砖导热系数（W/m・K）580.69-0.930.09-0.30.2-0.40.6-0.93）防火性能优良石膏是不燃材料和热的不良导体，具有优良的防火性能。在二水石膏中含有20%左右的结晶水和少货的游离水，这些水在遇高温时以水蒸汽的形式释放出来，因消耗大量的热能而降低周围环境的温度；同时齐放出来的水蒸气又在材料的表面形成一层水汽膜，隔离与高温火焰的直接接触，进一步降低热传导；耐火极限超过lh。因此，石膏制品完全可以满足现代高层建筑的防火要求，是材料防火性能检测的免检产品。4）质轻石膏材料在建筑中一般只能用做填充材料，特别是框架结构中的墙体材料。选用轻质材料能够减轻建筑物的自重，提高建筑物的抗震能力和安全性。从下表1-3中我们可以看到，硬化石膏体的表观密度较小。表1-3 几种常见材料的容重比较table1-2thecomparingofsomeordinarybuildingmaterial'sobserveddensities材料钢材普通玻璃加气混凝土建筑石膏硬化体普通烧结砖容重（kg/mb78502500700115017005）加工性好石膏具有优良加工性能。熟石膏拌水后得到的浆体可以具有很好的流动性和可塑性，能够根据模型制成任何形状的产品；浆体在水化变成二水石膏的过程中，体积略有膨胀，能够确保尺寸精确；石膏硬化体可以钉、包U、锯，便于进行二次加工。6）呼吸功能石膏制品具有呼吸功能。在使用石膏制品的建筑物里，当室内空气的湿度较大时，石膏会从空气中吸收一定的水分；当室内空气的湿度较小时，石膏会释放出一些水分来调节室内的空气湿度，形成舒适的适宜人类居住的环境。7）隔音效果好石膏制品具有良好的隔音、吸声性能。石膏浆体硬化后，多余水分排除形成大量的内外连通的微孔，是性能优良的多孔吸声材料，能满足现代居室对墙体材料的要求.石膏的环保效应石语是绿色环保材料：石膏材料具有明显的节能效果，主要表现在生产能耗低和使用能耗省两个方面⑶。建筑石膏主要是以半水石膏为主，其炒制的温度低（通常低于220C）,生产能耗低，约为石灰的1/2,水泥的1/3；石膏制品的保温绝热性好，热损失小，耗能少。在使用过程中，由于石膏材料呈中性，无有害物质排放，且与其它材料的相容性好，一般情况下不对其它材料产生侵蚀作用。石膏制品在拆除后可以回收利用，如用做水泥的缓凝剂等或炒制后重新使用。石膏材料的缺点石膏材料有显著的优点，同时也有明显的缺点。纯石膏材料的强度一般较低,不适宜于做结构材料或用于重要部位；由于二水石膏的溶解度较大（20。，2.088/1）⑸，其结晶接触点的溶解度更大，因此石膏制品的耐水性差，软化系数小；纯石膏材料脆性较大，加工易碎等。但是可以通过对石膏改性来改良或克服这些缺点，扩大其使用范围。另外，在热石膏粉的炒制过程中，因原料成分、性能变化、炒制温度不均匀等因素引起的熟石膏粉的质量波动大、稳定性差，导致其凝结、硬化不稳定、硬化后的俱度变化大。这些不稳定性将严重影响石膏制品的生产，特别是大规模的工业化生产。化工石膏概况及其综合利用石膏通常有两种：天然石膏和化工石膏。化工石膏是指以硫酸钙为主要成分的工业副产物，其化学组成和物理性能等与天然石膏相似。化工石膏的种类多，主要有：磷石膏、氟石膏、黄石青、红石膏、脱硫石膏等。其中，磷石膏的年排放量最多，约1000万吨⑹；脱硫石膏的增长最快，现年排放量约200万吨并将迅速上升到1000万吨左右⑺。化工石膏在处理方面完全不同于天然石膏，它们必须进行及时处理（如建材资源化、用于土壤改良和用做工业原材料等综合利用），或者建设堆场进行堆放。后者不仅需要占用大量的土地和资金，而且还可能造成二次污染。目前我国的化工石膏仍然是以堆放为主，面临着严重的环保问题。这主要是因为不同的化工石膏中所含杂质不同，其性能、用途和加工处理方式等也不同：对各种化工石膏的材性研究不够，综合利用水平低，在所有化工石膏中，脱硫石膏的性能最好，完全可以替代天然石膏o另外由于石膏完全属于地方性材料，从成本考虑，除非加工成高附加值产品，否则最好就地解决。因此，化工石膏的处理方式具有非常明显的地域特色。这为如何有效解决这些化工石膏提供各种可能，也加大了进行全面处理的难度。实现建材费源化是各种化工石膏的最佳处理办法，一是消耗量大（如用做水泥缓凝剂等）；二能产生较高的附加值，如加工成石膏条板、纸面石膏板以及石膏砌块、模型石膏、粉刷石膏等13石膏粉煤灰胶结材石膏粉煤灰胶结材是指以石膏和粉煤灰为基本组分的一种石膏基材料，其中石膏的掺量在50%以上、粉煤灰的掺量高于20%。这种胶结材不仅充分利用工业废渣（可高达90%以上），而且具有很好的产品性能：几乎具有所有石膏制品的优点，

同时还对纯石膏制品的耐水性差、脆性大等缺点进行了改性；因而具有被大规模开发应用的前景。本课题选用脱硫石膏作为基本的石膏组分。脱硫石膏的来源与特性我国是燃煤大国，其中中硫煤和高疏煤所占的比例大，因此必有大量的sa产生。我国在1995年的SO?排放量就高达2370万吨，成为世界SO?排放量第一大国。SO,是形成我国狡雨的主要原因。由SO?、NOx等造成的酸雨是当今世界重大环境问题，是全球三大危害之一。我国的酸雨降水面积已经从1983年的约175万平方公里扩展到国土面积的40%⑼左右，造成严重的经济损失和生态破坏。酸雨已经严重制约我国经济和社会发展，危及我国今后的改革开放与国际合作。控制、降低SO?排放量早已势在必行。我国煤炭工业用煤占煤消费总量的90%,主要集中在电力、建材、钢铁和化工行业。目前，我国火力发电用煤量最大，其SO?排放量约占全国总量的50%左右，而且是集中排放；控制火电厂的SO2排放量对控制我国大气SOz污染具有极其重要的意义°叫烟气脱硫是控制控制火电厂S&排放量最有效和应用最广的技术。部分地区进行脱硫后，大气环境改善效果明显。gypsum图1-1火电厂烟气脱硫示意图Figure1-1diagrammaticrepresentationoftheformationofFGDgypsuminacoal-firedpowerstation脱硫石膏是火电厂对排放的烟气中所含的S&进行湿法脱硫后产生的工业副产物，故又称烟气脱硫石膏，见图1-1叫主要成分是二水硫酸钙，其品位高低与所采用的具体脱硫工艺有关19321:有效成分含量通常在80%以上，有的高达95%以上；重庆地区的脱疏石膏的纯度在gypsum图1-1火电厂烟气脱硫示意图Figure1-1diagrammaticrepresentationoftheformationofFGDgypsuminacoal-firedpowerstation成的，结晶较为完整、均匀,颗粒主要集中在20-60um之间，因此不需要磨细,成的，结晶较为完整、均匀,但级配较差，配制成浆料后其流变性较磨细天然石膏差；脱硫石管是经过洗涤后真空脱水得到的，通常含有10-20%左右的游离水，在其炒制过程中因需要烘干而消耗更多的能量。如果把重庆地区的脱硫石膏用于碱性土壤改良，一是浪费，二则无用武之地;脱硫石膏的建材资源化是必经之路，可以直接用做水泥缓凝剂，也可以炒制成石膏粉或者进一步加工成石膏条板、纸面石膏板以及石膏砌块等最终产品。其中，加工成石膏砌块是解决火电厂的脱硫石膏如何处理问题的最佳方法：因为石膏用量大而可以及时转化掉大量的脱硫石膏，且具有较高的附加值"MB%1.3.2粉煤灰火电厂产生了大量的S02,更产生了巨量的粉煤灰。早在1997年，粉煤灰的年排放量就超过1亿吨。粉煤灰是从火电厂排放的烟气中通过电收尘收集下来的微小粉末。粉煤灰按照排放方式分为干排灰和湿排灰两种,其中干排灰活性较高;粉煤灰按照化学成分可分为高钙粉煤灰和低钙粉煤灰，常用的粉煤灰是低钙粉煤灰；国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-91）将粉煤灰分为一、二、三级灰和等外级粉煤灰。一、二级粉煤灰由于数量少、质量好而充分地为建筑行业等所用，许多地方已经呈供不应求状态；三级和等外级粉煤灰由于量大、质次，利用技术水平低、珠舍利用率低等原因而绝大部分被排往堆场，占用大量的土地，严重影响、污染甚至破坏周围环境。由于粉绿灰的主要有效成分Si、Al和两的各种氧化物，这些成分在急冷过程中来不及结晶而主要以玻璃态物质存在而具有一定的火山灰活性：在一定的条件下（特别是在有硫酸盐存在的碱性条件下），粉煤灰与Ca（OH）2发生反应，生成水化硅酸钙和水化硫铝酸钙等水化产物卬•$叫由于在粉煤灰颗粒表面是结构致需的富硅和富铝的玻璃态物质，且聚合度较高，一般情况下，玻璃相网络结构的解体速度很慢：因此，粉煤灰的早期强度低，特别是低等级粉煤灰，其活性也较低。加强对低等级粉煤灰的性能研究和应用研究是解决我国粉煤灰问题的重要途径：目前已经有大量这方面的文献，基本上集中在粉煤灰-水泥熟料系统方面。粉煤灰也可以适当地应用在石膏材料中。在石膏制品中，掺入一定量的粉煤灰，能够改善石音固有的一些缺点，如脆性大、耐水性差等：并降低其生产成本，且完全符合政策导向。有效利用火电厂排放的脱硫石膏和粉煤灰生产石膏粉煤灰制品是解决脱硫石膏和粉煤灰的最佳途径。原重庆建筑大学在石仔粉煤灰胶结材方面作了系统的研究和一些产品开发应用研究U6』7」8」920］：采用水化热测定，XRD和PH值测定以及SEM/EDXA分析，研究了（二水）脱硫石膏粉煤灰胶结材的水化、硬化机理；对脱硫石膏粉煤灰体系胶结材的配方、外加剂、激发剂、养护制度进行了研究，分析了其硬化体的结构差异（见下表1-4）,找到了合理的配方与养护制度，测试了干缩率等参数，并进行了脱硫石膏粉煤灰砌块的试生产。但是，关于石膏粉煤灰胶结材体系的文献并不多见，其性能既不同于纯石膏，也完全不同于熟料-粉煤灰胶结材。熟料-粉煤灰体系是一个碱高硫低的硬化体强度高的一类体系，其组成决定了其产物的类型和相对数量的多少：以活性SiOz的贡献为主，由于缺少so：-而限制了具有一定破坏性的钙矶石的形成数量，后期的体积稳定。而石膏粉煤灰体系的组成决定了它是一个碱低硫高的体系，在相同配合比情况下的水化产物相对数量受原材料变化影响显著。石膏制品由于强度较低而一般不用于主要考虑强度、耐久性的结构部位，其主要用途是具有一定装饰效果的室内材料。石膏粉煤灰胶结材的性能研究应该借助水泥-粉煤灰性能研究的方法、成果；但是关于石*粉煤灰胶结材在使用过程中的性能和耐久性方面的应用研究少见相关报道。我国缺乏对石膏粉煤灰胶结材从材性到生产、应用的完整、系统研究。表1-4 石膏粉煤灰胶结材硬化体中各组分的作用table1-4functionofconstituentsingypsum-flyashbinder组分二水石膏未水化粉煤灰钙帆石硅酸钙二水石膏粉煤灰集料集料骨架胶结材无水石膏粉煤灰骨架组分集料骨架组分胶结材半水石膏粉煤灰骨架集料填充组分填充组分《建材工业“十五”规划》和《墙体材料革新“十五”规划》是指导我国建筑材料业特别是墙体材料业发展方向的纲领性文件。“适应建筑结构体系的发展、建筑节能与建筑功能的改善的要求，大力发展新型墙体材料”是《建材工业“十五“规划》对墙体材料工业指明的方向；在《墙体材料革新“十五”规划》中，明确要求“积极发展利用当地资源，低能耗、低污染、高性能、高强度、多功能、系列化，能够提高施工效率的新型墙体材料产品。”我们研制的高精度、多功能石膏砌块正是完全符合并部分超前这些要求的一种新型墙体材料e缺乏创新能力和没有完善的创新体系是《墙体材料革新“十五”规划》中关于我国墙体材料行业目前现状的认识；现有的绝大部分新型墙体材料的技术和装备都是从国外引进的。研究、开发出具有国际先进水平的石膏砌块生产线、完善石膏砌块的技术系统从而形成具有自主知识产权的技术体系是我国石膏砌块行业的当务之急，具有强烈的时代和现实必要.创新可以是个人或集体的创新，但是要形成一个完善的技术创新体系仅仅靠个人的力量是绝对不行的，必须以系统的观念来考虑和规划、实施，以大系统工程的协作运行方式来解决。在石膏粉煤灰制品的大工业化生产中，材料性能的研究和应用是重点，关键设备的研制、生产是核心，各个环节的协调和匹配是灵魂。石膏制品完全符合这两个“十五”规划的精神要求；面临空前的发展机遇。其优势主要体现在1、资源优势；天然石膏储量世界第一和各种大量的可利用化工石膏。2、市场优势：得到设计、施工和用户的认可。国内市场占有率远低于国外，这是由于我国的石膏消费结构很落后〔巾22】：90%以上用做水泥的缓凝剂，用于石膏制品的仅占1%左右；而发达国家中，用做水泥的缓凝剂的仅占20%左右，用于石膏制品的占70%左右。3、政策优势：墙体改革政策、建筑节能政策和环保政策鼓励对各种可利用工业废渣进行建材资源化，大力推广轻质、保温的新型墙体材料。我国2000年新型墙体材料产量为2100亿块标砖，占墙体材料总量的28%；规划要求在2005年全国新型墙体材料产量达到3000亿块标砖，占墙体材料总量的40%。巨大的市场需求和强有力的政策导向为石膏制品提供了快速扩张的空间和条件。我国环保政策鼓励充分利用各种工业废渣、开展奥源综合利用，并出台了相关鼓励政策，特别是优惠的税收政策。因此、石膏粉煤灰制品极具性价比优势,具有很强的市场竞争力。石膏制品主要有石膏板、石膏条板、石膏砌块、装饰石痔板和粉刷石膏等。石膏砌块墙体比纸面石膏板、加气混凝土砌块以及