1.建筑石膏的凝結(jié)硬化
建筑石膏與水拌和后，能夠調(diào)制成可塑性漿體，經(jīng)過一段時(shí)間反應(yīng)后，會失去塑性，并凝結(jié)硬化成具有一定強(qiáng)度的固體。實(shí)踐證明，石膏膠凝材料在水化過程中，僅形成水化產(chǎn)物，漿體并不一定能夠形成具有強(qiáng)度的人造石，而只有當(dāng)水化物晶體互相連生形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)時(shí)，才能硬化并形成具有強(qiáng)度的人造石。
建筑石膏的凝結(jié)和硬化主要是由于半水石膏與水相互作用，還原成二水石膏:
CaSO4·1∕2H2O十3∕2H2O →CaSO4·2H2O

半水石膏在水中發(fā)生溶解，并很快形成飽和溶液，溶液中的半水石膏與水化合，生成二水石膏。由于二水石膏在水中的溶解度比半水石膏小得多 (僅為半水石膏溶解度的1∕5)，所以半水石膏的飽和溶液對二水石膏來說，就成了過飽和溶液。因此二水石膏從過飽和溶液中以膠體微粒析岀，這樣促進(jìn)了半水石膏不斷地溶解和水化，直到半水石膏完全溶解。在這個(gè)過程中，漿體中的游離水分逐漸減少，二水石膏膠體微粒不斷增加，漿體稠度增大，可塑性逐漸降低，此時(shí)稱之為 “凝結(jié)”；隨著漿體繼續(xù)變稠，膠體微粒逐漸凝聚成為晶體，晶體逐漸長大、共生并相互交錯(cuò)，使?jié){體產(chǎn)生強(qiáng)度并不斷增長，這個(gè)過程稱為 “硬化”，如圖6‐22所示。實(shí)際上，石膏的凝結(jié)、硬化是一個(gè)連續(xù)的、復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程。

2.天然硬石膏的凝結(jié)硬化及其活性激發(fā)
天然硬石膏磨成細(xì)粉，也能較緩慢地水化硬化，在25-30℃的室溫干燥條件下強(qiáng)度不斷增長，28d抗壓強(qiáng)度能達(dá)14.3-17.1MPa。研究發(fā)現(xiàn)約有20%的硬石膏水化生成二水石膏。這是由于天然硬石膏往往含有其他成分，可能有活化作用；同時(shí)磨細(xì)過程能使硬石膏部分活化，促進(jìn)水化能力。
天然硬石膏的活性激發(fā)有粉磨、熱處理和摻人激發(fā)劑三種。前兩種方法有時(shí)也并稱為物理活性激發(fā)，其基本原理是通過改變硬石膏的晶體結(jié)構(gòu)，增加結(jié)構(gòu)內(nèi)部的晶格畸變和缺陷，提高比表面積，改善表面性能，從而提高其水化活性。但僅靠物理活性激發(fā)，仍不能使天然硬石膏達(dá)到實(shí)際使用要求，因此需要在天然硬石膏中摻人激發(fā)劑進(jìn)行化學(xué)活性激發(fā)。
硬石膏的激發(fā)劑可定義為在硬石膏中摻人的、用來激發(fā)其活性、提高其水化與硬化能力的化學(xué)物質(zhì)。硬石膏在激發(fā)劑的作用下，水化硬化能力增強(qiáng)，凝結(jié)時(shí)間縮短，強(qiáng)度提高。根據(jù)激發(fā)劑性能的不同，分為:硫酸鹽激發(fā)劑 [Na2SO4、NaHSO4、K2SO4、KHSO4、Al2(SO4)3、FeSO4及KAl(SO4)2·12H2O等]和堿性激發(fā)劑 (石灰2%-5%、煅燒白云石5%-8%、堿性高爐礦渣10%-15%、粉煤灰10%-20%)等。
作為一種有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的硬石膏激發(fā)劑，需要同時(shí)能夠滿足三個(gè)性能的要求，即大幅度縮短漿體凝結(jié)時(shí)間、顯著提高硬化體的早期強(qiáng)度和不返霜或者返霜不明顯。
圖6‐23是部分激發(fā)劑對天然硬石膏水化率的影響。從圖中可以看岀，幾種激發(fā)劑的加人，都得到相似的水化率曲線線型，即1d之內(nèi)水化較快，3d之后水化較慢。在激發(fā)劑中以KAl(SO4)2、煅燒明礬石、明礬和 NaHSO4效果較好，其硬石膏凈漿試件的7d干燥強(qiáng)度都在60.0MPa以上。從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用來看，以煅燒明礬石為優(yōu)。
前蘇聯(lián)的布德尼可夫認(rèn)為硬石膏具有組成絡(luò)合物的能力，在有水和鹽存在時(shí)，硬石膏表面生成不穩(wěn)定的復(fù)雜水化物，然后此水化物又分解為含水鹽類和二水石膏。正是這種分解反應(yīng)生成的二水石膏不斷結(jié)晶，使?jié){體凝結(jié)硬化。其反應(yīng)式為
mCaSO4十鹽(活化劑)十nH2O →mCaSO4·鹽·nH2O(復(fù)鹽)
mCaSO4十鹽·nH2O十2-H2O →m(CaSO4·2H2O)十鹽·nH2O
純硬石膏的溶解度比二水石膏的溶解度大，所以硬石膏可以水化成二水石膏。但硬石膏的溶解度速度很慢，一般要40-60d才能達(dá)到平衡溶解度。加人激發(fā)劑后，因先與硬石膏生成不穩(wěn)定的復(fù)鹽，再分解生成二水石膏，并反復(fù)不斷地通過中間水化物(復(fù)鹽)轉(zhuǎn)變成二水石膏，因而加速了硬石膏的溶解。
當(dāng)摻有硅酸鹽水泥熟料、堿性高爐礦渣、石灰等堿性激發(fā)劑時(shí)，除起到活化作用外，硫酸鹽與礦渣玻璃反應(yīng)，結(jié)果能生成水化硫鋁酸鈣，當(dāng)反應(yīng)速度控制適當(dāng)時(shí)，可使硬化石膏漿體強(qiáng)度進(jìn)一步提高，抗水性也有所增強(qiáng)。
經(jīng)過激發(fā)并改性的天然硬石膏，具有良好的力學(xué)性能及耐水性能。有研究表明[22]①硫酸鉀激發(fā)劑的最佳摻人量為1.0%-1.5%，低于該摻人量時(shí)，激發(fā)效果隨著硫酸鉀的摻人量增大而顯著提高；高于該摻人量時(shí)，激發(fā)效果隨著硫酸鉀摻人量的增大而減弱。②硅酸鹽水泥的摻人能夠提高硬石膏的強(qiáng)度，改善耐水性能，但基于充分利用硬石膏資源及保證材料安定性考慮，其摻人量以不高于5%為宜。③半水石膏對縮短硬石膏的凝結(jié)時(shí)間效果明顯，且在一定的摻人量范圍內(nèi)能夠提高硬石膏的強(qiáng)度，但對硬石膏的耐水性能有不利影響，其摻人量不宜超過8%，并應(yīng)根據(jù)材料使用環(huán)境對耐水性能的要求確定半水石膏的適宜摻人量。

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