田艷超（河南理工大學 材料科學與工程學院 河南 焦作 454000）

0 引言

石膏膠凝材料及其制品生產成本低，具有一定的強度，工藝簡單，且防火隔熱性能好，是一種廣泛應用的建筑材料。石膏膠凝材料及其制品應用越來越廣，并向承重構件過渡。石膏有許多優(yōu)點，如質輕、微膨脹性等。它可以制作各種板材、砌塊、天花板、隔墻板、飾面板及隔熱防火隔音板等。但石膏是一種氣硬性膠凝材料，即耐水性差，限制了其應用。石膏的機械性能，即硬度，壓縮性強度，彎曲強度和彈性模量在潮濕環(huán)境中性能很差。在潮濕環(huán)境靜態(tài)載荷下，石膏會發(fā)生蠕變[1-4]，從而導致了石膏基建筑材料的變形。為了提高石膏性能，有學者在石膏中加入防水材料或者納米材料來增加石膏膠凝材料的耐水性能和力學性能，這種方法成本較高，不利于大規(guī)模應用，且性能提高程度有限。在石膏中加入固廢類的摻合料優(yōu)勢明顯，不僅提高了石膏的性能，且降低了生產成本，固廢資源得到再利用。

石膏類固體廢棄物的堆積也極大影響了生態(tài)環(huán)境，不僅占用土地資源，且污染土壤，如果能將其充分利用，不僅固體廢物資源化，還改善環(huán)境，節(jié)約自然資源，利用石膏廢棄物的特點，將其應用在建筑、裝飾等方面。

1 石膏基復合膠凝材料研究進展

石膏復合膠凝材料是由石膏和摻合料按比例混合而成，在激發(fā)劑作用下兼具氣硬性和水硬性的膠凝特點。其中摻合料有水泥、生石灰、礦渣、粉煤灰等。石膏大多為建筑石膏、磷石膏、脫硫石膏和鈦石膏等種類。

1.1 建筑石膏復合膠凝材料研究進展

建筑石膏是性能優(yōu)良的建筑材料，比如：良好的施工性、耐火性好、凝結較快以及居住舒適等，但是一般建筑石膏的軟化系數(shù)在0.2～0.4，耐水性差，且強度不高，這個缺點限制了建筑石膏的應用。為了提高或改善建筑石膏的耐水性能和強度，有學者用礦渣、稻殼或硅粉與石膏形成復合材料，建筑石膏復合材料的抗壓強度能達到15.9MPa，軟化系數(shù)能達到1.09[5]。還有余海燕[6]在建筑石膏里加高強石膏來提高建筑石膏制品的抗壓強度。一些學者在石膏中加入防水材料或者納米材料來增加石膏膠凝材料的耐水性能和力學性能。

建筑石膏和硅酸鹽水泥復合時，水泥中的鋁酸三鈣能與石膏發(fā)生反應生成具有膠凝性且耐水性較好的鈣礬石，3CaO·Al2O3+3（CaSO4·0.5H2O）+29.5H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O。水泥水化反應生成具有凝膠性能的水化硅酸鈣凝膠更提高了石膏的力學性能和耐水性能。易偉、王雪林[7,8]等發(fā)現(xiàn)：在石膏中加入鋁酸鹽水泥，能降低石膏的孔隙率、漿體黏度和標準稠度需水量，使晶體網(wǎng)絡結構更加緊密，提高了硬化體的體積密度、力學性能和軟化系數(shù)。黃世麟、李利軍[9]研究了建筑石膏對堿式硫酸鎂水泥性能的影響。水灰比為0.270～0.280，建筑石膏摻量為30%～40%時，建筑石膏的摻量較大、凝結時間合適，且流動度、力學性能、軟化系數(shù)較好。為了提高其耐水性能，可以在硬化體外表面噴淋甲基硅酸鈉水溶液。

為了提高建筑石膏制品的韌性，王春、郭偉[10]把生石灰、水泥、鎳渣、煤矸石摻進建筑石膏中，用濕熱養(yǎng)護方式得到自增韌建筑石膏基制品的抗折強度可達到4.05 MPa，抗沖擊性能達到10.13 kJ/m2。而且微觀測試中發(fā)現(xiàn)大量交叉生長的針狀鈣礬石相、絮狀凝膠。朱教群、秦維高等[11]人將偏高嶺土摻入鋼渣-石膏復合材料中，隨著偏高嶺土摻量的增加，初、終凝時間縮短，表觀密度增大，吸水率降低，鋼渣-石膏復合材料最好的力學強度與耐水性是當偏高嶺土的摻量為5%。

曹文湘、彭家惠等[12]人在建筑石膏中摻入不同長度的聚乙烯醇（PVA）纖維，隨著PVA 纖維長度和摻量的增加凝結時間和擴展度降低；摻量為1.2%的6 mm 和9 mm 纖維抗折強度達到最大值。溫久然、耿飛等[13]人用氯化鋇和聚乙烯醇（PVA）復摻改性石膏復合膠凝材料，PVA 摻量為3%，氯化鋇摻量為15%，水膠比為0.53 時，石膏基復合膠凝材料28 d 抗折軟化系數(shù)最高；PVA 摻量為2%，氯化鋇摻量為20%，水膠比為0.53 時，石膏基復合膠凝材料28 d 抗壓軟化系數(shù)最高。再生石膏的研究也頗受關注，再生石膏強度顯著降低的因素是水分蒸發(fā)，使其孔隙率增加和孔徑增大，Cong Zhu、Jianxin Zhang 等[14]人用天然石膏礦石制備再生石膏，還研究了再生石膏力學性能的退化機理：二水石膏的晶體形態(tài)特征對再生半水石膏顆粒的球形度有決定性影響，短柱狀晶體只會對彎曲強度有輕微的不利影響。

Mohamed Lachheba 等[15]開發(fā)一種新的被動式太陽墻集成組件，以實現(xiàn)建筑材料的高熱能儲存潛力，建筑石膏中放入填充石蠟的銅管，這種復合材料熱容量高，石蠟石膏基復合材料具有良好的熱穩(wěn)定性，減少內部的熱流，可以減少熱量的散發(fā)和建筑的能耗。

1.2 磷石膏復合膠凝材料研究進展

磷石膏是比較難處理的主要原因是：磷石膏強度低、耐水性能較差；磷石膏再處理成本較高，且性能較低；磷石膏中的雜質的顏色使其白度不高，不能應用在高檔石膏制品中；磷石膏產量大，運輸費用和制造成本限制其利用。很多學者還是對磷石膏進行了大量研究。馬金波[16]用磷石膏生產建筑石膏制紙面石膏板、石膏空心砌塊或條板。喻萍、楊尋等[17]人將磷石膏和水泥制成磷石膏試件并發(fā)現(xiàn)：摻加有機硅油能有效提升磷石膏試件的耐水性，2h 吸水率可減低到3%左右；磷石膏試件中摻有水泥的條件下，摻加有機硅油會使磷石膏試件產生膨脹裂紋，從而降低磷石膏試件的強度。喻萍、王星等[18]人還研究了磷石膏復合膠凝材料在不同環(huán)境條件下體積的變化規(guī)律：水泥-磷石膏復合膠凝材料在濕度高的養(yǎng)護環(huán)境下或者水泥摻量高于10%時體積膨脹，在濕度較低的養(yǎng)護環(huán)境或水泥摻量低于5%時體積收縮。

水泥、石灰等激發(fā)劑為礦渣提供了堿性條件，礦渣解離出大量的活性二氧化硅和三氧化鋁，進而水化反應生成C-S-H，石膏激發(fā)生成AFt，這些產物提高了材料的強度和耐水性。曹寶棟[19]以磷石膏、礦渣粉、水泥熟料和生石灰為主要原料，CaCl2、Na2SO4、NaF 和水玻璃為外加劑，制備了磷石膏基復合膠凝材料，發(fā)現(xiàn)：磷石膏的加入降低了抗壓強度；生石灰和水泥熟料摻量分別為4%和15%時，抗壓強度最高；4 種外加劑復摻，當CaCl2、Na2SO4、NaF 和水玻璃摻量分別為0.5%、0.2%、0.2%和0.6%時，抗壓強度最高。為了提高磷石膏在建材方面的利用率，制備出性能更優(yōu)的磷石膏水泥砂漿，龔曉強、劉杰勝等[20]人研究了磷石膏和生石灰混合物水泥砂漿基本力學性能的變化規(guī)律，磷石膏摻量為2%時改性磷石膏活化指數(shù)最佳，生石灰加入磷石膏水泥基材料大大增加了砂漿的最大稠度用水量和水泥水化反應的凝結時間；磷石膏摻量為2%時砂漿力學性能較好。

2.3 脫硫石膏復合膠凝材料研究進展

美國和德國較早地對脫硫石膏進行了研究，他們解決了脫硫石膏的改性、應用等技術難題，他們對脫硫石膏的利用主要是生產石膏板。我國主要將脫硫石膏用作建筑材料，如作石膏砌塊、水泥緩凝劑、建筑石膏、紙面板石膏等。還可以用作修復重金屬污染土壤的穩(wěn)定劑等[21]。美國[22]還用脫硫石膏生產α-石膏，進一步將脫硫石膏應用到礦井石膏、自流平石膏等方面。Dong-Yi Lei等[23]人發(fā)現(xiàn)未經(jīng)處理的脫硫石膏基高強度建筑材料具有良好的機械性能，耐水、抗凍、收縮率低、水化程度高、密實微觀結構。Habib Tabatabai 等[24]人評估了與煙氣脫硫石膏混合的不飽和聚酯樹脂的機械和熱重性能，高達50%脫硫石膏含量可提高聚酯樹脂的環(huán)境力學性能，質量保持率與石膏含量成比例地顯著提高，脫硫石膏可以在樹脂的外表面形成保護性物理屏障。脫硫石膏可能是一種有效且低成本的聚合物耐火添加劑。

針對脫硫石膏煅燒能耗高及其建材耐水性差的缺點，錢耀麗[25]利用干法脫硫灰激發(fā)脫硫石膏活性，摻加礦粉、粉煤灰、鋼渣等水硬性礦物摻合料，研究出的石膏復合膠凝材料耗能低，并顯著提高了石膏膠凝材料耐水性，軟化系數(shù)達到0.8 以上。耿飛、桂敬能[26]等人以β 型脫硫石膏為基材，混摻水泥、粉煤灰和硅灰等膠凝材料，其28d 抗壓強度為12.1 MPa，吸水率為17.6%，軟化系數(shù)為0.81，提高了脫硫石膏基復合膠凝材料結構的致密性和耐水性。陳蜜蜜[27]采用超細鋼渣-礦渣-電石渣（SGC）復合膠凝劑和廢玻璃鋼纖維對脫硫建筑石膏進行改性研究，復合膠凝劑適宜摻量為20%~25%，廢玻璃鋼纖維最佳長度為10~15 mm，適宜摻量為1.0%，改性后石膏制品的軟化系數(shù)提高到0.91，抗折強度為7.6 MPa，抗壓強度為23.4 MPa。桂佑杰[28]將脫硫石膏、粉煤灰和水泥按照3:3:14的配合比成型復合膠凝材料的軟化系數(shù)最大達到0.81，摻量為90%的水泥碳化后抗壓強度80MPa。

在脫硫石膏復合膠凝材料減水劑的應用研究中，龐敏、孫振平等[29]人為制備石膏基水硬性復合膠凝材料，將脫硫石膏與礦渣粉、硅酸鹽水泥混合，發(fā)現(xiàn)石膏基復合膠凝材料與萘系減水劑合作性好，蒸養(yǎng)強度發(fā)展良好，砂漿流動度穩(wěn)定性好；脂肪族系減水劑的匹配性較差，聚羧酸系減水劑適減水作用亦較為顯著。江嘉運、畢菲等[30]人研究了石膏原料煅燒溫度、減水劑、養(yǎng)護條件等因素對石膏基復合膠凝材料性能的影響。脫硫建筑石膏、粉煤灰、水泥、熟石灰用量分別為52%、25%、20%、3%，水膠比0.40 時，該石膏基復合材料28d 養(yǎng)護軟化系數(shù)達到0.816，抗壓強度達到24.25MPa。李曉東、康永康等[31]人在脫硫石膏-礦渣-粉煤灰復合膠凝材料中加入NaOH、水泥和生石灰制成的復合堿性激發(fā)劑，來研究激發(fā)劑對復合膠凝材料力學性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)：NaOH、水泥、生石灰的摻量分別為0.5%，10%，8%時，水膠比為0.38 時，用苧麻纖維（摻量2%）和萘系減水劑（摻量1%）時材料性能最好。楊賀、陳偉等[32]人研究了脫硫石膏和鈦礦渣粉兩種工業(yè)固體廢棄的綜合利用，制備脫硫石膏-鈦礦渣粉復合膠凝材料。在脫硫石膏-鈦礦渣粉復合膠凝材料中，鈦礦渣粉適宜摻量為10%～20%，鈦礦渣粉鑲嵌在二水石膏晶體之間，起到了骨架支撐作用，比單一的脫硫石膏的絕干抗壓強度提高10%～27%。

3 石膏基復合膠凝材料存在的問題

很多石膏基復合膠凝材料的研究進行了強度和耐水性能的測試，但并未增加碳化性能、抗凍性、抗?jié)B性等的試驗。研究考慮標準養(yǎng)護條件下復合膠凝材料的性能研究，而外部實際環(huán)境變化莫測，實驗很難模擬真實環(huán)境條件，所以，各因素對石膏基復合膠凝材料影響的規(guī)律也需要進行研究探索。研究大都停留在實驗層面，沒能結合企業(yè)生產，或者企業(yè)生產成本高，欠缺實際大規(guī)模應用方案。大量研究探討復合膠凝材料在28 天內性能的變化，但大多材料是需要長時間使用的，石膏基復合膠凝材料在長時間養(yǎng)護的性能變化需要進一步研究。

4 結語

石膏制品廣泛運用在建筑行業(yè)，但化工副產石膏廢棄物排放量非常大，大多企業(yè)采用堆積處理，環(huán)境壓力和巨額排污費大大約束了化工生產企業(yè)的發(fā)展。目前，石膏廢棄物復合材料主要用于板材、砌塊、粉刷石膏等建筑材料。作為一種新型綠色環(huán)保材料，石膏改性方法有多種，各方法有各自的優(yōu)缺點，石膏復合材料制備工藝成熟、成本低，不僅能將石膏廢棄物資源化利用，還能為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益，改善周邊環(huán)境起到很大作用價值。石膏基材料經(jīng)過改進，對環(huán)境保護作出貢獻，促進石膏廢棄物的資源化利用。