石膏晶须对石膏砌块性能的影响研究

韩龙，高建明，唐永波，杨锋

（东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211189）

0 前言

石膏砌块具有安全、环保、耐火性能好、调节室内湿度等优点，是一种理想的新型墙体材料。质量轻、强度高的石膏砌块具有良好的隔声、隔热性能，同时还具有便于施工、保证墙体质量的优点[1-4]。开发轻质、高强的石膏砌块一直是业界和从事建材研究的专家学者关注的重要课题。

研究选择适宜的轻骨料及其掺量，是实现石膏砌块轻质化的重要手段。目前常用在石膏砌块中的轻骨料主要有2种：膨胀珍珠岩和聚苯乙烯泡沫[5-12]。从目前研究结果来看，效果最好的属膨胀珍珠岩，但是膨胀珍珠岩的掺入，在获得低密度石膏砌块的同时，大大降低了石膏砌块的强度。石膏晶须是具有胶凝性能的针状晶体，堆积密度小、体积蓬松，如将石膏晶须掺入到石膏砌块中，既有效降低了石膏砌块的密度，又因为石膏晶须本身也是胶凝材料，可以水化形成二水石膏，从而使得掺石膏晶须的石膏砌块与传统采用膨胀珍珠岩为轻骨料的石膏砌块相比具有强度高的优势。此外，与膨胀珍珠岩相比，制备石膏晶须的原料来源广泛、成本低。

目前尚未发现将石膏晶须应用于石膏砌块中的相关报道。本文主要以石膏晶须作为轻质胶凝材料，研究不同掺量的石膏晶须对石膏砌块表观密度、断裂荷载、抗压强度和软化系数的影响，采用XL30环境扫描式电子显微镜观察产物的形貌，采用D8-Discover型X射线衍射仪分析产物的成分。针对轻骨料大多存在显著降低石膏砌块强度的缺点，本文着重研究了石膏晶须是否能够有效减少石膏砌块强度损失、降低密度的作用。

1 试验

1.1 试验原料

建筑石膏：来源于四川攀枝花蓝鼎环保科技有限公司，主要成分为CaSO4·0.5H2O，图1为建筑石膏的XRD衍射图谱，表1和表2分别为建筑石膏的化学成分和物理力学性能。

图1 建筑石膏的XRD衍射图谱

表1 建筑石膏的化学成分 %

表2 建筑石膏的物理力学性能

石膏晶须：实验室采用水热法自制，呈纤维状。直径0.4～0.6 μm，长度 40～60 μm，长径比 80～100，堆积密度 120～140 kg/m3，主要成分为CaSO4·0.5H2O，图2和图3分别为石膏晶须的XRD衍射图谱和微观形貌。

图2 石膏晶须的XRD衍射图谱

图3 石膏晶须的微观形貌

膨胀珍珠岩：来源于山东沂蒙珍珠岩厂，粒度分布均匀，颗粒粒径2～5 mm，堆积密度80 kg/m3。

1.2 试样制备

按照确定的配比（石膏晶须和膨胀珍珠岩的掺量均以建筑石膏的质量百分比计）分别称取所需的石膏晶须/膨胀珍珠岩、建筑石膏及水（标准稠度用水量），首先将水倒入人工拌合用搅拌锅中，然后倒入石膏和石膏晶须/膨胀珍珠岩，充分搅拌，使石膏晶须/膨胀珍珠岩与石膏浆体充分粘合。将石膏浆体添加到40 mm×40 mm×160 mm三联模中，抬起模具一边离地面约1 cm轻轻震动，排除料浆中的气泡，然后用刮刀将砌块表面刮平，2 h后脱模，将砌块放在实验室条件下自然养护1 d，随后将砌块放入电热鼓风恒温干燥箱中，在（40±2）℃条件下干燥至恒重，然后测试其表观密度、断裂荷载、抗压强度和软化系数等物理力学性能。

1.3 测试与表征

石膏砌块物理力学性能参照JC/T 698—2010《石膏砌块》进行测试。微观分析：试样水化至规定龄期，用无水乙醇中止水化，真空干燥，分别采用XL30环境扫描式电子显微镜观察砌块断面微观形貌和D8-Discover型X射线衍射仪分析水化产物成分。

2 结果与讨论

2.1 石膏晶须对石膏砌块性能的影响

2.1.1 石膏晶须对石膏砌块表观密度的影响（见图4）

图4 石膏晶须和膨胀珍珠岩对石膏砌块表观密度的影响

由图4可知，未掺石膏晶须和膨胀珍珠岩的石膏砌块表观密度为1190 kg/m3。随着石膏晶须和膨胀珍珠岩掺量的增加，石膏砌块表观密度下降。相对于石膏晶须，掺入膨胀珍珠岩后，砌块表观密度降低更为明显，掺15%膨胀珍珠岩的石膏砌块表观密度为680 kg/m3，掺15%石膏晶须的石膏砌块表观密度为890 kg/m3；石膏晶须掺量为20%时，石膏砌块表观密度为750 kg/m3，相当于掺量为12%膨胀珍珠岩的石膏砌块的表观密度。膨胀珍珠岩可以明显的降低石膏砌块表观密度，主要是因为膨胀珍珠岩的堆积密度只有80 kg/m3，石膏晶须的堆积密度为140 kg/m3，所以相对于相同掺量的膨胀珍珠岩，石膏晶须降低砌块表观密度并不明显。

2.1.2 石膏晶须对石膏砌块断裂荷载的影响（见图5）

图5 石膏晶须和膨胀珍珠岩对石膏砌块断裂荷载的影响

由图5（a）可知，未掺石膏晶须和膨胀珍珠岩的石膏砌块断裂荷载为2599 N。石膏晶须和膨胀珍珠岩的掺入会降低石膏砌块的断裂荷载，其中掺入膨胀珍珠岩的石膏砌块断裂荷载下降较明显。对相同掺量的石膏晶须和膨胀珍珠岩，掺入石膏晶须的石膏砌块断裂荷载损失相对较小。石膏晶须掺量为15%时，石膏砌块断裂荷载为1561 N，相同掺量的膨胀珍珠岩的石膏砌块断裂荷载仅为684 N。由图5（b）可知，在相同的表观密度下，掺石膏晶须的石膏砌块断裂荷载高于掺膨胀珍珠岩的，主要是由于石膏晶须的水化产物呈片状或纤维状，掺入到石膏砌块中可以增加其断裂荷载。

2.1.3 石膏晶须对石膏砌块抗压强度的影响（见图6）

图6 石膏晶须和膨胀珍珠岩对石膏砌块抗压强度的影响

由图6（a）可以看出，未掺石膏晶须和膨胀珍珠岩的石膏砌块抗压强度为19.7 MPa，随着石膏晶须和膨胀珍珠岩掺量的增加，石膏砌块抗压强度呈下降趋势。对相同掺量的石膏晶须和膨胀珍珠岩，掺膨胀珍珠岩的石膏砌块抗压强度下降更明显，掺入15%石膏晶须时，石膏砌块抗压强度为7.3 MPa，相同掺量的膨胀珍珠岩石膏砌块抗压强度仅为3.7 MPa。由图6（b）可知，在相同的表观密度下，掺石膏晶须的石膏砌块抗压强度高于掺膨胀珍珠岩的石膏砌块，主要是由于石膏晶须先起到轻骨料的作用，随后又和建筑石膏一起水化形成二水石膏，从而使得掺石膏晶须的石膏砌块与膨胀珍珠岩为轻骨料的石膏砌块相比具有了强度高的优势。

2.1.4 石膏晶须对石膏砌块软化系数的影响（见图7）

图7 石膏晶须和膨胀珍珠岩对石膏砌块软化系数的影响

由图7（a）可知，未掺石膏晶须和膨胀珍珠岩的石膏砌块软化系数为0.39，随着石膏晶须和膨胀珍珠岩掺量的增加，石膏砌块的软化系数降低，其中加入膨胀珍珠岩的石膏砌块软化系数降低较明显，对相同掺量的石膏晶须和膨胀珍珠岩，掺入石膏晶须的石膏砌块软化系数损失相对较小。石膏晶须掺量为15%时，石膏砌块软化系数为0.34，相同掺量的膨胀珍珠岩石膏砌块软化系数仅为0.24。由图7（b）可知，在相同的表观密度下，掺石膏晶须的石膏砌块软化系数高于掺膨胀珍珠岩的石膏砌块。主要是由于掺石膏晶须的石膏砌块内部晶体之间搭接相对紧密，空隙小，水不容易进入砌块内部；掺膨胀珍珠岩的石膏砌块内部晶体之间搭接疏松，空隙大，水容易进入砌块内部，溶解部分石膏晶体。

2.2 石膏砌块断面微观形貌分析

图8（a）～（c）分别为未掺轻骨料、掺6%膨胀珍珠岩和掺15%石膏晶须的石膏砌块断面形貌。

图8 未掺轻骨料、掺6%膨胀珍珠岩和15%石膏晶须的石膏砌块断面形貌

由图8可知，石膏砌块内部二水石膏晶体呈针状、纤维状和薄片状，未掺轻骨料的石膏砌块内部二水石膏晶体紧密搭接在一起，形成网状结构体，结构致密，掺6%膨胀珍珠岩和15%石膏晶须的石膏砌块内部二水石膏晶体之间搭接减少，晶体之间存在较大孔隙，且晶体较为散乱，接触点较少，结构疏松，相对于掺6%膨胀珍珠岩的石膏砌块，掺15%石膏晶须的石膏砌块内部二水石膏晶体之间搭接相对较多，结构相对致密。这也说明了掺石膏晶须的石膏砌块抗压强度高于同密度下掺膨胀珍珠岩的石膏砌块的抗压强度。

2.3 石膏砌块水化产物物相分析（见图9）

图9 未掺轻骨料、掺6%膨胀珍珠岩和15%石膏晶须石膏砌块的XRD图谱

由图9可以看出，掺入6%膨胀珍珠岩、15%石膏晶须和未掺轻骨料的石膏砌块，内部水化产物都是CaSO4·2H2O。掺入石膏晶须的砌块中水化生成的CaSO4·2H2O的（020）晶面的衍射强度与（121）晶面的衍射强度之比较不掺晶须的砌块要高。这很可能是因为掺入晶须后，建筑石膏的水化产物中呈薄片状的二水石膏晶体的比例增加导致。

3 结论

（1）石膏晶须可以作为一种轻质胶凝材料用于制备石膏砌块，随着石膏晶须掺量的增加，石膏砌块表观密度、断裂荷载、抗压强度和软化系数降低。

（2）相同表观密度下，掺石膏晶须的石膏砌块比掺膨胀珍珠岩的石膏砌块断裂荷载、抗压强度和软化系数高，相对于膨胀珍珠岩，石膏晶须可有效减少砌块强度损失。

（3）石膏晶须掺入到石膏砌块中不仅可以起到降低石膏砌块密度的作用，而且本身也具有胶凝性能，可以水化生成二水石膏晶体，晶体之间搭接相对紧密，而膨胀珍珠岩仅仅起到轻骨料的作用，并不发生水化反应。在不水化的膨胀珍珠岩与CaSO4·2H2O晶体之间形成了弱界面结合区。且不水化的膨胀珍珠岩间隔了CaSO4·2H2O晶体间的交叉结晶生长，这种结构降低了石膏砌块的强度。