2.2　石膏

石膏是以硫酸鈣為主要成分的傳統氣硬性膠凝材料。我國石膏資源豐富，兼之石膏具有輕質、高強、保溫隔熱、耐火、吸聲、美觀及容易加工等優良性質，因此石膏制品發展很快，已成為極有發展前途的土木工程材料。

2.2.1　石膏的原料、生產及品種

生產石膏的原料是天然二水石膏，又稱軟石膏或生石膏。含有二水石膏（CaSO4·2H2O）或含有CaSO4·2H2O與CaSO4的混合物的化工副產品及廢渣（如磷石膏、氟石膏、硼石膏等）也可作為生產石膏的原料。

石膏的生產工序主要是原料破碎、加熱與磨細過篩。因原材料質量不同、煅燒時壓力與溫度不同，可生產得到不同性質的石膏品種，統稱熟石膏。

將天然二水石膏加熱，隨溫度的升高，將發生如下變化：溫度為65～75℃時，CaSO4·2H2O開始脫水；至107～170℃時，生成半水石膏；當加熱至170～200℃時，石膏繼續脫水，成為可溶性硬石膏，與水調和后仍能很快凝結硬化；當溫度升高到200～250℃時，石膏中殘留很少的水，凝結硬化慢，強度低；加熱高于400℃時，成為不溶性硬石膏，即死燒石膏；當溫度高于800℃時，部分石膏分解出的氧化鈣起催化作用，所得產品又重新具有凝結硬化能力，常稱為地板石膏。石膏常見的品種主要有：

（1）建筑石膏

將天然二水石膏置于爐窯煅燒（107～170℃），得到β型結晶的半水石膏，再經磨細得到的白色粉狀物，稱為建筑石膏。

純凈的建筑石膏為白色，密度2.50～2.70g/cm3，松散堆積密度800～1000kg/m3。多用于建筑抹灰、粉刷、砌筑砂漿及各種石膏制品。

（2）模型石膏

模型石膏組成為β型半水石膏，但生產所用原料雜質少，磨細后顏色白。主要用于陶瓷的制坯工藝，少量用于裝飾浮雕。

（3）高強石膏

將天然二水石膏置于相當于0.13MPa（125℃）壓力的蒸壓釜內蒸煉，生成比β型半水石膏晶粒粗大的α型半水石膏，磨細即為高強石膏。高強石膏晶粒粗大，比表面積小，調制漿體需水量少（35％～40％，只是建筑石膏的一半左右）。因此這種石膏硬化后具有較高的密實性，7d抗壓強度可達15～40MPa。高強石膏的密度為2.60～2.80g/cm3，松散堆積密度為1000～1200kg/m3。由于其生產成本較高，因此主要用于要求較高的抹灰工程、裝飾制品和石膏板。另外摻入防水劑還可制成高強度防水石膏，可用于濕度較高的環境中；加入有機材料如聚乙烯醇溶液、聚酯酸乙烯乳液等，可配成無收縮的黏結劑。

（4）硬石膏

硬石膏是天然石膏在較高溫度下煅燒后經磨細而得到的產品。高溫下（大于800℃），無水石膏中的部分CaSO4分解成CaO，成為硫酸鈣與水進行反應的激發劑。硬化后有較高的強度和耐磨性，抗水性也較好。

硬石膏可調制抹灰、砌筑及制造人造大理石的砂漿，也可用于鋪設地面。

石膏的品種雖然較多，但在土木工程中應用最多的為建筑石膏。下面重點介紹建筑石膏的技術性質及用途。

2.2.2　建筑石膏的凝結硬化

建筑石膏與適當的水拌和，開始形成可塑性漿體，但很快就失去塑性并產生強度，發展為堅硬的石狀體，這種現象稱為凝結硬化。凝結硬化的實質是漿體內部發生了一系列物理化學變化。

建筑石膏加水后，首先半水石膏溶解于水，與水進行水化反應，生成二水石膏。

由于二水石膏在水中的溶解度（20℃時為2.05g/L）較半水石膏在水中的溶解度（20℃時為8.16g/L）小很多，所以二水石膏不斷從過飽和溶液中沉淀而析出膠體微粒。二水石膏的析出，破壞了原有半水石膏的平衡濃度，這時半水石膏會進一步溶解和水化。如此循環往復，直到半水石膏全部轉化為二水石膏為止；隨著水化的進行，二水石膏膠體微粒的數量不斷增多，它比原來的半水石膏顆粒細得多，即總表面積增大，可吸附更多的水分；同時漿體中的水分因水化和蒸發而逐漸減少，表現為石膏的凝結。

在漿體變稠的同時，二水石膏膠體微粒逐漸變為晶體，晶體逐漸長大、共生和相互交錯，使凝結的漿體逐漸產生強度。隨著干燥，內部自由水排出，晶體之間的摩擦力、黏結力逐漸增大，石膏強度隨之增加，一直發展到最大值，這就是硬化過程，如圖2.2所示。

2.2.3　建筑石膏的技術要求

根據國家標準《建筑石膏》（GB/T 9776—2008），建筑石膏組成中β半水硫酸鈣（β-CaSO4·O）的含量（質量分數）應不小于60.0％。建筑石膏的物理力學性能應符合表2.7要求。

2.2.4　建筑石膏及其制品性質

建筑石膏與其他膠凝材料相比具有以下性質：

（1）凝結硬化快。建筑石膏易溶于水，加水拌和后，漿體在幾分鐘內便開始失去可塑性，30min內完全失去可塑性而產生強度。由于初凝時間短，對成型帶來困難，為了延緩其凝結時間，可加入緩凝劑，如0.1％～0.2％動物膠或1％的亞硫酸鹽酒精溶液，或0.1％～0.5％的硼砂以及酒精、聚乙烯醇、檸檬酸、蘋果酸等。緩凝劑的作用在于降低半水石膏的溶解度和溶解速度。

（2）凝結硬化時體積微膨脹。石膏凝結硬化時，會產生微膨脹（膨脹率約1％），而且不開裂，這一性質使得石膏可單獨使用。尤其在裝飾材料中，利用其微膨脹性塑造各種建筑裝飾制品，形體飽滿密實，表面光滑細膩。

（3）孔隙率大、密度小。建筑石膏在拌和時，為使漿體具有施工要求的可塑性，需加入建筑石膏質量60％～80％的用水量，而建筑石膏水化的理論需水量為18.6％，所以大量的自由水在蒸發時，在建筑石膏制品內部形成大量的毛細孔隙，其孔隙率達50％～60％。因此，密度較小，屬于輕質材料。

（4）保溫性和吸聲性好。建筑石膏制品的孔隙率大，且均為微細的毛細孔，所以導熱系數小，一般為0.12～0.20W/（m·K）。大量的毛細孔隙對吸聲有一定的作用，特別是穿孔石膏板（板中有貫穿的孔徑為6～12mm的孔眼）對聲波的吸收能力強。

（5）強度較低。建筑石膏的強度較低，但其強度發展較快，2h的抗壓強度可達3～6MPa，7d抗壓強度為8～12MPa，接近最高強度。

（6）具有一定的調濕性。由于石膏制品內部的大量毛細孔隙對空氣中的水蒸氣具有較強的吸附能力，所以對室內的空氣濕度有一定的調節作用。

（7）防火性好。建筑石膏具有防火性，遇到火災時，二水石膏的結晶水蒸發，吸收熱量，表面生成的無水石膏是良好的絕熱體，因而在一定的時間內可阻止火勢蔓延，起到防火作用。

（8）耐水性、抗滲性、抗凍性差。建筑石膏制品孔隙率大，且二水石膏可微溶于水，遇水后強度大大降低，其軟化系數只有0.2～0.3，是不耐水的材料。

2.2.5　建筑石膏的應用

建筑石膏常用于室內抹灰，粉刷，油漆打底層，也可制作各種建筑裝飾制件和石膏板等。

石膏板具有輕質、保溫、隔熱、吸聲、不燃，以及熱容量大，吸濕性大，可調節室內溫度和濕度，施工方便等性能，是一種有發展前途的新型板材。

（1）紙面石膏板

以建筑石膏為主要原料，加入適當的輕質填料、纖維、發泡劑、緩凝劑等，加水攪拌、澆注、輥壓，以石膏做芯材，兩面用堅韌的紙做護面，經切斷、烘干可制成紙面石膏板。主要用于內墻、隔墻、天花板等處。

（2）纖維石膏板

以建筑石膏為主要原料，摻加適量玻璃纖維、紙漿或礦棉等纖維材料而制成。這種板抗彎強度較高，可用于內墻和隔墻，也可代替木材制作家具。

（3）裝飾石膏板

以建筑石膏為主要原料，加入少量纖維增強材料及膠料，加水攪拌，澆注成型，脫模修邊，干燥后而制成。主要有平板、多孔板、花紋板及浮雕板等，造型美觀，品種多樣，主要用于公共建筑的內墻及天花板。

（4）空心石膏板

以建筑石膏為主要原料，摻入適量輕質填充料和少量纖維材料（提高板的抗折強度和減輕質量），經加水攪拌振動成型、抽芯、脫模、烘干而成。這種板組裝時不用龍骨，施工方便，強度較高，可做內墻和隔墻。

此外，還有石膏蜂窩板、石膏礦棉復合板、防潮石膏板等，分別用作絕熱板、吸聲板、內墻隔墻板及天花板等。