建筑石膏砂浆耐水性能提升的途径和方向探讨

引言

建筑石膏，特别是以工业副产石膏为来源的建筑石膏产品近年来成为建筑材料的一个热门领域，典型的建筑石膏产品如石膏板材、砌块、石膏砂浆等。其中，建筑石膏砂浆因其应用广泛、性价比高成为了近年的研究、应用热点，同时也以其快干、轻质、较高粘接性能、不易开裂，以及低碳绿色等特点取得了良好的应用效果。然而由于建筑石膏本身的一些特性，如耐水性能不佳、质量不稳定等特性对石膏砂浆材料的进一步应用发展产生了较大的限制，因此石膏砂浆大多应用在室内非潮湿区域。如何提升石膏砂浆的耐水性，将其轻质、绿色、低碳、不易开裂等特性产品应用于潮湿区域甚至是室外区域，业内诸多技术人员和研究人员开展了大量研究。本文拟从石膏砂浆本身组分出发，汇总分析相关研究技术人员的研究成果，给出建筑石膏砂浆耐水性提高的方法和途径，以期提升建筑石膏砂浆的应用表现，扩展石膏砂浆的应用范围。本文所讨论的石膏砂浆是指以建筑石膏为主要胶凝材料的砂浆产品，包括石膏抹灰砂浆、石膏找平腻子、石膏自流平砂浆、石膏保温砂浆等。

1 石膏砂浆的耐水性能特点

1.1 建筑石膏的耐水性能

石膏砂浆中的主要胶凝材料为建筑石膏，因此石膏砂浆的耐水性能如何与建筑石膏本身的特性直接相关。建筑石膏主要成份为β半水石膏，其在硬化过程中析晶水化机理认为[1-2]，半水石膏加水拌和后，石膏首先在水中溶解形成石膏浆料，半水石膏的溶解度大于二水石膏的溶解度，因此，当石膏浆体中的半水石膏达到饱和溶解度时，其中的二水石膏已经为过饱和状态，所以二水石膏会在石膏浆体中大量析晶，同时，半水石膏在水中的溶解平衡因二水石膏的析晶而破坏，从而导致半水石膏会进一步溶解，去补偿溶液中所消耗的钙离子和硫酸根离子，这个过程不断进行，直至浆体中半水石膏几乎完全溶解形成二水石膏为止。

建筑石膏的主要水化产物为二水石膏，而二水石膏的溶解度[1]为6×10-3mol/L而水化硅酸钙（托贝莫来石）溶解度为1.8×10-4mol/L，可以看出二水石膏的溶解度为水化硅酸钙的33倍以上。也即建筑石膏的主要水化产物是一种相对溶解度较高的物质，与水接触后使得石膏的强度会迅速降低。

1.2 石膏砂浆的耐水性能

石膏砂浆通常由建筑石膏、砂、填料、缓凝剂、保水剂、添加剂等组分构成，其在使用时由石膏砂浆与水混合搅拌均匀后采用相应的施工机具施工成型，最后在一定的环境条件下硬化从而具备使用功能。在施工过程中，为了配合施工的需求，在石膏砂浆实际拌合水的使用量往往会远远超出石膏硬化所需要的水分需求量，通常可达理论需水量的3.5~4.5倍，这部分多余的水分挥发后会使石膏砂浆中留下大量的毛细孔，再结合石膏本身的多孔特性，使得最后形成的砂浆硬化体往往成为一种多孔材料。而这类多孔材料其内比表面积相对较大，其与水接触时，在渗透压的作用下，水分易大量进入石膏砂浆硬化体内部从而导致石膏砂浆不耐水[3]，通常石膏砂浆的软化系数不会超过0.3。

2 石膏砂浆耐水性提升途径

石膏砂浆因为其绿色低碳、固化速度快、收缩小、找平效率高、保温隔音、防火性好等特点，得到了良好的应用和发展，从近几年的石膏砂浆发展情况看，目前应用最为成熟的是石膏砂浆品类为抹灰石膏。此外，石膏基自流平砂浆近几年也得到了良好的发展，虽然没有抹灰石膏砂浆技术成熟度高，但发展潜力巨大。然而，受限于石膏固有的耐水性能不佳，其在建筑领域的应用也受到了很大的限制，如只能用于室内非潮湿区域，不能用于室外或潮湿区域。

在建筑学中，建筑材料的耐水性用软化系数表示，软化系数即材料从绝干状态到饱水状态其强度保留的程度，当软化系数＞0.85时，称为耐水性材料[4]。如何提升石膏砂浆的软化系数，提高其耐水性也成为从业技术人员的主要研究方向之一，从当前的文献资料情况看主要有以下几种途径。

2.1 复合胶凝体系

石膏复合胶凝体系是提升石膏砂浆耐水性的重要途径，近年也是相关专业技术研究人员研究的重点。如赵敏等[5]通过硫铝酸盐水泥增强建筑石膏的耐水性能，其研究表明硫铝酸盐水泥的掺入可以小幅降低石膏的标稠度需水量，加速水化进程，降低硬化体的孔隙率和吸水量，显著提高硬化体的饱水抗折强度，在硫铝酸盐水泥掺入量为10%~20%时软化系数可达0.50以上；易伟等[6]通过铝酸盐水泥提升建筑石膏的耐水性能，研究表明铝酸盐水泥的加入降低了标准稠需水量，增大了密度、强度，提高了耐水性能，随着铝酸盐水泥的加入其软化系数相应的提高，当铝酸盐水泥掺量为30%时，软化系数可达0.51。黄麟等[7]亦研究了高铝水泥对脱硫建筑石膏的性能影响，研究结果表明，高铝水泥的加入可减小脱硫建筑石膏的标稠度用水量，延长凝结时间，提高其力学性能和耐水性，当高铝水泥掺量为20%时，其软化系数为0.70，具有良好的耐水性。郭会师等[8]利用硅酸盐水泥改善建筑石膏的耐水性能，研究结果表明，当硅酸盐水泥用量≤18%，随着水泥用量的增加其吸水率减小，软化系数提升耐水性能增强，当水泥用量为18%时软化系数可达0.71。付建[9]通过在建筑石膏中添加普通硅酸盐水泥增加建筑石膏的耐水性能，硅酸盐水泥可以提高建筑石膏的强度和软化系数，降低建筑石膏的吸水率，研究显示当硅酸盐水泥掺量为15%以内时，石膏的抗压强度、抗折强度、软化系数均可得到提升，当硅酸盐水泥掺量为15%时，其软化系数可达0.65。高育欣等[10]研究了矿粉和普通硅酸盐水泥对磷建筑石膏复合胶凝材料的影响，结果表明水泥和矿粉复掺使用时可显著提高磷石膏的软化系数，当水泥掺量为5.58%，矿粉掺量为20%，石膏掺量为74.42%时，软化系数可达0.87。贺行洋等[11]也从事过水泥、矿粉、磷建筑石膏复合材料的性能类研究，研究结果表明当水泥掺量为5%，矿粉掺量为25%时，其软化系数可达0.85。

根据以上研究成果，通过在建筑石膏中掺入矿渣、普硅水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等组分形成复合胶凝体系均可在不同程度上提高建筑石膏的软化系数，进而改善石膏砂浆的耐水性能，从而使得以建筑石膏为主要胶凝材料的石膏砂浆有了用于潮湿区域或室外的可能性。当然我们也需要注意到，通过复掺这些活性组分的复合胶凝体系在提升耐水性的同时，通常也伴随着建筑石膏轻质、微膨胀等特性的损失，需要我们在制备耐水型石膏砂浆时通过其它技术手段减少或避免这些负面影响。

2.2 憎水剂

使用添加剂改善石膏砂浆的耐水性也是常用的方法之一。典型的添加剂如石膏砂浆中添加脂肪酸盐、有机硅等憎水剂，其主要原理在于通过添加憎水剂物质，使得水向石膏砂浆内部渗透的速度和量减少，提高饱水强度，从而改善耐水性。如朱效甲等[12]研究了有机硅憎水剂对于脱硫石膏耐水性的影响，结果表明有机硅树脂乳液和有机硅粉末均可大幅度提高脱硫石膏的耐水性，降低质量吸水率。当然，我们从研究也可看出，该研究中也体现出，浸水1d、3d、7d随着浸水时间的延长，相应的软化系数也呈较大的降低趋势。单独使用该方案提升耐水性，更多的倾向于短期耐水性的提升，难以通过该方法达到长期耐水性的提升。

2.3 减水剂

石膏砂浆中添加减水剂[13]也是一种常用的改性方法，最典型的应用为石膏自流平砂浆中添加减水剂。添加减水剂的目的是减少砂浆用水量即降低水膏比，也即在砂浆固化后，减少由于水分挥发留下的空隙，一定程度上增加砂浆的密实程度，从而达到提升耐水性的目的。如朱效甲等[14]研究了减水剂对于脱硫石膏性能的影响，结果表明，萘系FDN-X减水剂和聚羧酸系PC-NF减水剂均能降低吸水率，从而提高脱硫建筑石膏的耐水性。

2.4 其他添加剂

根据资料研究表明，其他一些添加剂也可增加建筑石膏的耐水性。如廖仕雄等[15]通过微晶纤维素的添加提高建筑石膏的耐水性能，其研究表明微晶纤维素掺量为0.09%时，磷建筑石膏的软化系数可达0.61，同时显著提升了磷建筑石膏绝干抗压抗折强度。季敏等[16]通过在建筑石膏中添加短切玻璃纤维、甲基硅醇钠来改善磷建筑石膏的耐水性，研究结果表明短切玻璃纤维和甲基硅醇钠复合改性可有效提高磷建筑石膏的耐水性能，当短切玻璃纤维长度为9mm，掺量为2%，甲基硅醇钠掺量为1.5%时，其软化系数达到最佳。赵红艳等[17]通过硅溶胶提升石膏制品的耐水性能,该研究表明硅溶胶可以显著提高石膏制品的耐水性能，降低吸水率，硅溶胶掺量为8%时，抗折软化系数可达0.99，但其对石膏制品的强度有不利影响。曹文湘等[18]通过不同长度的PVA纤维提升建筑石膏的软化系数和饱水强度，研究结果表明，PVA纤维的加入可以显著增加其抗折强度，提高软化系数，当纤维加入量为0.8%时，其软化系数均可达0.8以上。

3 石膏砂浆组分设计对于耐水性的影响

石膏砂浆是由建筑石膏为主要胶凝材料制备而成的，其主要成份为建筑石膏、骨料、添加剂等，除了关注其各组成成份的耐水特性外，也需要关注组分设计对于砂浆耐水性能的影响，合理的组分设计可以达到提升石膏砂浆耐水性的目的，而不合理的组分设计则会在很大程度上劣化砂浆的耐水性能。从前述我们得知通常石膏砂浆耐水性能不佳除了石膏作为胶凝材料其固有的特性外，还有一点非常值得关注，就是砂浆的实际需水量会远远大于砂浆硬化所需的理论用水量，造成这一点的主要原因是石膏砂浆产品需要通过一定的施工方法施工到基面上从而达到使用功能，施工完成后，多余的游离水分必然要从石膏砂浆表面和底面散失挥发，从而留出了大量孔洞，造成硬化后的石膏砂浆成为一种多孔状的材料，虽然优点是造就了石膏砂浆轻质等特性，但同时也很大程度导致硬化后的石膏砂浆成为了一种吸水率较高，不耐水的材料。因此需要考虑石膏砂浆使用功能和组分设计之间的关系。比如，在达到使用性能要求的前提下，是不是可以将石膏砂浆尽量设计较低的水灰比。考虑到建筑石膏硬化体本身耐水性能不佳，是否可以在砂浆组分设计时尽量设计较低的胶砂比，从而避免引入过多耐水性能不佳的胶凝材料。

结语

石膏砂浆因石膏胶凝材料固有的不耐水的特性，目前只能应用于非潮湿区域。随着改性技术的发展，尤其是复合胶凝材料技术的发展和建筑石膏原材料质量稳定性的提升，也必将在耐水性的改善方面取得良好的应用效果。

整体而言，若想改善石膏砂浆的耐水性能，需要在组分设计时采用多种技术手段，从组分设计开始的设计思路，到各个组分的搭配平衡，在性能方面达到一种平衡，才能扩展石膏砂浆的应用范围。

将来石膏砂浆预期可以有室内装修全场景下提供多类型的产品。以其低碳环保、轻质隔音、不易空鼓开裂等特性大范围的取代目前高能耗的水泥砂浆产品，取得良好的社会效益，以及提升室内的居住环境。

文章来源：中国建材联合会预拌砂浆分会