2.2　石膏

石膏是以硫酸钙为主要成分的传统气硬性胶凝材料。我国石膏资源丰富，兼之石膏具有轻质、高强、保温隔热、耐火、吸声、美观及容易加工等优良性质，因此石膏制品发展很快，已成为极有发展前途的土木工程材料。

2.2.1　石膏的原料、生产及品种

生产石膏的原料是天然二水石膏，又称软石膏或生石膏。含有二水石膏（CaSO4·2H2O）或含有CaSO4·2H2O与CaSO4的混合物的化工副产品及废渣（如磷石膏、氟石膏、硼石膏等）也可作为生产石膏的原料。

石膏的生产工序主要是原料破碎、加热与磨细过筛。因原材料质量不同、煅烧时压力与温度不同，可生产得到不同性质的石膏品种，统称熟石膏。

将天然二水石膏加热，随温度的升高，将发生如下变化：温度为65～75℃时，CaSO4·2H2O开始脱水；至107～170℃时，生成半水石膏；当加热至170～200℃时，石膏继续脱水，成为可溶性硬石膏，与水调和后仍能很快凝结硬化；当温度升高到200～250℃时，石膏中残留很少的水，凝结硬化慢，强度低；加热高于400℃时，成为不溶性硬石膏，即死烧石膏；当温度高于800℃时，部分石膏分解出的氧化钙起催化作用，所得产品又重新具有凝结硬化能力，常称为地板石膏。石膏常见的品种主要有：

（1）建筑石膏

将天然二水石膏置于炉窑煅烧（107～170℃），得到β型结晶的半水石膏，再经磨细得到的白色粉状物，称为建筑石膏。

纯净的建筑石膏为白色，密度2.50～2.70g/cm3，松散堆积密度800～1000kg/m3。多用于建筑抹灰、粉刷、砌筑砂浆及各种石膏制品。

（2）模型石膏

模型石膏组成为β型半水石膏，但生产所用原料杂质少，磨细后颜色白。主要用于陶瓷的制坯工艺，少量用于装饰浮雕。

（3）高强石膏

将天然二水石膏置于相当于0.13MPa（125℃）压力的蒸压釜内蒸炼，生成比β型半水石膏晶粒粗大的α型半水石膏，磨细即为高强石膏。高强石膏晶粒粗大，比表面积小，调制浆体需水量少（35％～40％，只是建筑石膏的一半左右）。因此这种石膏硬化后具有较高的密实性，7d抗压强度可达15～40MPa。高强石膏的密度为2.60～2.80g/cm3，松散堆积密度为1000～1200kg/m3。由于其生产成本较高，因此主要用于要求较高的抹灰工程、装饰制品和石膏板。另外掺入防水剂还可制成高强度防水石膏，可用于湿度较高的环境中；加入有机材料如聚乙烯醇溶液、聚酯酸乙烯乳液等，可配成无收缩的黏结剂。

（4）硬石膏

硬石膏是天然石膏在较高温度下煅烧后经磨细而得到的产品。高温下（大于800℃），无水石膏中的部分CaSO4分解成CaO，成为硫酸钙与水进行反应的激发剂。硬化后有较高的强度和耐磨性，抗水性也较好。

硬石膏可调制抹灰、砌筑及制造人造大理石的砂浆，也可用于铺设地面。

石膏的品种虽然较多，但在土木工程中应用最多的为建筑石膏。下面重点介绍建筑石膏的技术性质及用途。

2.2.2　建筑石膏的凝结硬化

建筑石膏与适当的水拌和，开始形成可塑性浆体，但很快就失去塑性并产生强度，发展为坚硬的石状体，这种现象称为凝结硬化。凝结硬化的实质是浆体内部发生了一系列物理化学变化。

建筑石膏加水后，首先半水石膏溶解于水，与水进行水化反应，生成二水石膏。

由于二水石膏在水中的溶解度（20℃时为2.05g/L）较半水石膏在水中的溶解度（20℃时为8.16g/L）小很多，所以二水石膏不断从过饱和溶液中沉淀而析出胶体微粒。二水石膏的析出，破坏了原有半水石膏的平衡浓度，这时半水石膏会进一步溶解和水化。如此循环往复，直到半水石膏全部转化为二水石膏为止；随着水化的进行，二水石膏胶体微粒的数量不断增多，它比原来的半水石膏颗粒细得多，即总表面积增大，可吸附更多的水分；同时浆体中的水分因水化和蒸发而逐渐减少，表现为石膏的凝结。

在浆体变稠的同时，二水石膏胶体微粒逐渐变为晶体，晶体逐渐长大、共生和相互交错，使凝结的浆体逐渐产生强度。随着干燥，内部自由水排出，晶体之间的摩擦力、黏结力逐渐增大，石膏强度随之增加，一直发展到最大值，这就是硬化过程，如图2.2所示。

2.2.3　建筑石膏的技术要求

根据国家标准《建筑石膏》（GB/T 9776—2008），建筑石膏组成中β半水硫酸钙（β-CaSO4·O）的含量（质量分数）应不小于60.0％。建筑石膏的物理力学性能应符合表2.7要求。

2.2.4　建筑石膏及其制品性质

建筑石膏与其他胶凝材料相比具有以下性质：

（1）凝结硬化快。建筑石膏易溶于水，加水拌和后，浆体在几分钟内便开始失去可塑性，30min内完全失去可塑性而产生强度。由于初凝时间短，对成型带来困难，为了延缓其凝结时间，可加入缓凝剂，如0.1％～0.2％动物胶或1％的亚硫酸盐酒精溶液，或0.1％～0.5％的硼砂以及酒精、聚乙烯醇、柠檬酸、苹果酸等。缓凝剂的作用在于降低半水石膏的溶解度和溶解速度。

（2）凝结硬化时体积微膨胀。石膏凝结硬化时，会产生微膨胀（膨胀率约1％），而且不开裂，这一性质使得石膏可单独使用。尤其在装饰材料中，利用其微膨胀性塑造各种建筑装饰制品，形体饱满密实，表面光滑细腻。

（3）孔隙率大、密度小。建筑石膏在拌和时，为使浆体具有施工要求的可塑性，需加入建筑石膏质量60％～80％的用水量，而建筑石膏水化的理论需水量为18.6％，所以大量的自由水在蒸发时，在建筑石膏制品内部形成大量的毛细孔隙，其孔隙率达50％～60％。因此，密度较小，属于轻质材料。

（4）保温性和吸声性好。建筑石膏制品的孔隙率大，且均为微细的毛细孔，所以导热系数小，一般为0.12～0.20W/（m·K）。大量的毛细孔隙对吸声有一定的作用，特别是穿孔石膏板（板中有贯穿的孔径为6～12mm的孔眼）对声波的吸收能力强。

（5）强度较低。建筑石膏的强度较低，但其强度发展较快，2h的抗压强度可达3～6MPa，7d抗压强度为8～12MPa，接近最高强度。

（6）具有一定的调湿性。由于石膏制品内部的大量毛细孔隙对空气中的水蒸气具有较强的吸附能力，所以对室内的空气湿度有一定的调节作用。

（7）防火性好。建筑石膏具有防火性，遇到火灾时，二水石膏的结晶水蒸发，吸收热量，表面生成的无水石膏是良好的绝热体，因而在一定的时间内可阻止火势蔓延，起到防火作用。

（8）耐水性、抗渗性、抗冻性差。建筑石膏制品孔隙率大，且二水石膏可微溶于水，遇水后强度大大降低，其软化系数只有0.2～0.3，是不耐水的材料。

2.2.5　建筑石膏的应用

建筑石膏常用于室内抹灰，粉刷，油漆打底层，也可制作各种建筑装饰制件和石膏板等。

石膏板具有轻质、保温、隔热、吸声、不燃，以及热容量大，吸湿性大，可调节室内温度和湿度，施工方便等性能，是一种有发展前途的新型板材。

（1）纸面石膏板

以建筑石膏为主要原料，加入适当的轻质填料、纤维、发泡剂、缓凝剂等，加水搅拌、浇注、辊压，以石膏做芯材，两面用坚韧的纸做护面，经切断、烘干可制成纸面石膏板。主要用于内墙、隔墙、天花板等处。

（2）纤维石膏板

以建筑石膏为主要原料，掺加适量玻璃纤维、纸浆或矿棉等纤维材料而制成。这种板抗弯强度较高，可用于内墙和隔墙，也可代替木材制作家具。

（3）装饰石膏板

以建筑石膏为主要原料，加入少量纤维增强材料及胶料，加水搅拌，浇注成型，脱模修边，干燥后而制成。主要有平板、多孔板、花纹板及浮雕板等，造型美观，品种多样，主要用于公共建筑的内墙及天花板。

（4）空心石膏板

以建筑石膏为主要原料，掺入适量轻质填充料和少量纤维材料（提高板的抗折强度和减轻质量），经加水搅拌振动成型、抽芯、脱模、烘干而成。这种板组装时不用龙骨，施工方便，强度较高，可做内墙和隔墙。

此外，还有石膏蜂窝板、石膏矿棉复合板、防潮石膏板等，分别用作绝热板、吸声板、内墙隔墙板及天花板等。