石膏制品在建筑中的發展與應用方向探究

伍玉寶, 竇雁輝, 張琦曼， 金理偉

(云南大學城市建設與管理學院，云南昆明 650091)

石膏制品在建筑中的發展與應用方向探究

伍玉寶, 竇雁輝, 張琦曼， 金理偉

(云南大學城市建設與管理學院，云南昆明 650091)

石膏是我國的優勢礦產資源之一，其儲量居世界首位。石膏及其各種制品具有質輕、節能、吸聲、保溫、吸濕性強、防火性能好等諸多特點，但長期以來，我國在石膏科學研究、新產品開發以及技術方面都跟不上發達國家石膏產業發展的步伐。文章介紹了石膏及其各種制品在建筑工業中發展進程、應用現狀、研究與實踐，力從整體上探究石膏材料在我國的應用前景與發展趨勢。

石膏； 建筑行業； 發展； 探究

隨著社會和經濟的快速發展及城市化進程的加快，現代化的建筑對材料的質量要求越來越高，功能要求越來越多樣化，與此同時，生態環境保護，走可持續發展之路也已提到了不容忽視的高度，而這些在很大程度上需要靠建筑功能材料來實現。石膏材料在土木工程中的應用歷史悠久，各種石膏制品具有質輕、耐火、保溫、吸聲、施工性好、制造耗能低等。目前，我國石膏消費結構大致如表1所示，且主要供應國內市場的需求，在亞洲石膏貿易中所占比例很小[1,2]，基本上沒有進入國際市場，這與我國的資源優勢十分不相稱。因此，加快我國從石膏資源大國轉變為石膏制品研發與應用強國迫在眉睫。

表1 我國石膏消費結構

1 發展現狀

1.1 建筑石膏原料

天然石膏是自然界中蘊藏的石膏石，它是一種重要的非金屬礦產資源。我國的石膏資源極其豐富，目前探明總保有儲量礦石約576億t，居世界首位，其中青海、四川、西藏等省份儲量超過10億t[3]。國內現有50多個大中型石膏礦山以及500多個鄉鎮集體礦山，石膏年產量逾千萬噸。

工業副產石膏(主要包括磷石膏、脫硫石膏等)是一種很好的可再生資源，綜合利用工業副產石膏，既有利于保護環境又能節約能源資源，符合我國可持續發展戰略。就工業副產磷石膏而言，2010年全行業副產磷石膏約5 000萬t，且大部分磷石膏以露天堆放和傾入大海兩種方式處理為主，國內堆存的磷石膏渣已經超過1.2億t。而對工業副產脫硫石膏，我國燃煤電廠煙氣脫硫其中90%采用濕式石灰/石灰石-石膏法脫硫工藝，2010年煙氣脫硫約為5 000萬t，2013年7 000萬左右，脫硫石膏大多為露天棄置或用來鋪路、填溝、堆存等，其中堆存方式占據大量的土地，對環境造成了二次污染，也浪費了大量本應可以利用的優質資源。由此可知，在我國工業副產磷石膏和脫硫石膏的量均十分巨大，并且沒有得到很好的利用。工業副產石膏是資源，我們需要珍惜利用。在歐洲幾乎所有脫硫石膏都被應用在建材行業，英國還制定了強制使用脫硫石膏的法令；日本則從1977年起，工業副產石膏90 % 以上用以生產紙面石膏板和纖維石膏板，脫硫石膏近100 %得到應用。

1.2 石膏建筑制品

石膏制品對火災、噪聲、電磁輻射等具有較強的抵御能力，在節能環保、生態平衡等方面具有其獨特的優勢，在制造及使用過程中無毒、無味、無公害，因而是一種非常理想的綠色環保建筑材料。目前，常用的石膏制品主要有紙面石膏板、纖維石膏板、空心石膏板、石膏砌塊等。

1.2.1 石膏板材

紙面石膏板，它韌性好，可以鋸割，易于施工操作，主要用于內隔墻、內墻貼面、天花板、吸聲板以及室內鋼梁和鋼柱的防火被覆等，但其耐水性差，不宜用于潮濕的環境中。目前在我國，從材料單價來看，用紙面石膏板的隔墻每平方米的造價要高于傳統材料內墻，但事實并非如此，由于它具有上述諸多優點，其用于高層建筑物中不僅使結構更加合理，而且總的造價也可以降低，其綜合效益非常顯著。2008年我國紙面石膏板年產11.5億m2，2010年16億m2，年增長率在20 %～30 %。纖維石膏板，在石膏建材中摻入纖維材料不僅可以提高石膏建材的抗拉、抗裂、抗疲勞等性能，而且還能賦予其特殊功能，如補償收縮、耐水、抗裂、耐磨、保溫隔熱、防止高溫爆裂，其抗彎強度較高，主要用于內隔墻、天花板、吸聲板等。用于石膏的纖維主要包括有機合成纖維、玻璃纖維、植物纖維、碳纖維。石膏刨花板屬于植物纖維石膏板的一種，它不僅具有紙面石膏板的優點，也具有普通刨花板的優點，如經濟性和很多物理性能都比較優越，它不會像普通刨花板那樣釋放游離甲醛，是一種綠色環保板材(表2)。裝飾石膏板，常用作裝飾墻面和天花板，如昆明安雅達公司的特種裝飾板塊已用于北京奧體中心——鳥巢的接待大廳，這說明新型、品質優良的石膏裝飾板具有很大的發展潛力。綜觀國外石膏墻體材料的發展，石膏板材是主流，其中又以紙面石膏板為主，21世紀以來世界總產量近80億m2，表3是中商情報網數據的顯示國內石膏板年產量，表明石膏板的年產量在逐年增長。石膏板材能以較高的增長率快速發展，一方面得益于房地產市場的快速發展且市場空間足夠大，另一方面得益于石膏板材優異的產品性能，使其能夠快速推廣且牢牢占據一定市場份額。

表2 一年生植物原料制石膏刨花板

表3 中商情報網數據顯示國內石膏板年產量

1.2.2 石膏塊材

石膏砌塊，國際上已公認它是可持續發展的綠色建材產品，它可以大量使用火電廠的脫硫石膏及磷肥廠的磷石膏等工業副產石膏來生產，而且具有抗震、耐火、調濕等優點，常用作非承重內隔墻，其發展比較成熟?！妒嗥鰤K》的新行業標準已于2010年發布實施，它已經推動石膏砌塊成為建筑行業很有發展前景的墻體材料。全世界有60多個國家生產與使用石膏砌塊，其中歐洲是世界范圍內石膏砌塊發展和應用較多的地區，石膏砌塊占內墻材料總用量的30%以上，主要用于住宅、辦公樓、旅館等作為內隔墻。表4是歐洲石膏砌塊應用較多國家的年產量，我國與俄羅斯、法國等還有較大的差距。據不完全統計，目前我國石膏砌塊年生產能力約2 000萬m2左右。

表4 歐州部分國家石膏砌塊產量

總的來看，石膏板材和石膏砌塊近幾年在我國都得到了較好的應用和發展，但總體水平、特別是人均水平仍較低；石膏板材和石膏砌塊的應用仍然集中在以非承重內隔墻、天花板、吸聲板等為主，在承重隔墻領域幾乎沒有開拓。

2 石膏制品研究與實踐

2.1 科學研究

隨著濕度的增加石膏制品的強度急劇降低和蠕變性增大[4]，因此長期以來石膏制品在使用上受到了很大的限制，以此近幾年國內外學者進行了一系列研究。曲烈、趙素寧等發表“高強度脫硫石膏復合材料制備與力學性能”一文指出[5]，在干熱-室溫養護程序為室溫靜停1 d脫模后40℃養護2 d，然后再室溫養護至試驗日期，密封-室溫養護程序為室溫靜停1 d，脫模后70℃密封養護2 d，然后再室溫養護至試驗日期，測得7 d、28 d的抗折強度和抗壓強度分別為7.33 MPa、11.29 MPa和29.51 MPa、39.94 MPa。張東翔及黃曉軍[6]等“石膏基植物纖維板的吸水性及防水措施”指出，在石膏基植物纖維制品中摻入適量水泥或火山灰膠結材、施加乳化石蠟或有機硅等防水劑、M1500為代表的無機防水劑、摻入有機高分子聚合物、熱處理、表面噴涂防水材料等方式方法都起到了很好的防水和耐水處理。

2.2 實踐

圖1 結構網格布置

近些年馬克儉院士[7]在現澆石膏住宅方面的研究與實踐頗有建樹，值得廣大學者深思和總結。相繼提出與實踐了現澆石膏高層鋼網格盒式節能住宅結構體系、 預埋工業石膏模殼鋼筋混凝土正交空心大板樓蓋(降低自重50%左右)、現澆工業石膏外墻鋼筋混凝土盒式結構、新型現澆工業石膏(磷石膏、脫硫石膏)承重墻的農村節能住宅等。如現澆磷石膏(外墻、分戶墻)大開間靈活劃分居室小高層節能住宅(混凝土盒式結構)，石膏、混凝土正交正放網格式空心大板，結構網格布置如圖1所示；如現澆脫硫石膏(外墻)鋼筋混凝土網格框架與核心筒的盒式筒中筒高層寫字樓建筑，標準層結構布置如圖2所示。

圖2 正立面標準層窗劃分

3 應用與實踐方向探究

美國的民用建筑中石膏制品已占墻體材料的85 %，近年來以復合墻體材料為主，主要有石膏板與玻璃棉材料的復合以及石膏板與聚苯乙烯、聚氨酯等泡沫塑料的復合等[8-9]。美國住宅80 %以上墻體和吊頂材料均采用紙面石膏板，每1 m2建筑面積使用石膏板達4 m2。而我國的墻體材料中，鋼筋混凝土墻、磚墻、土胚墻仍占據著絕對大的比例。因此，要加大石膏板材的研發力度，力從降低其成本，使之得到更廣泛的應用。

根據目前的研究和實踐成果，現澆石膏可以提到作為農村新建低層(主要指不超過3層)房屋的承重墻日程上來，筆者認為，通過包覆鋼絲網片(圖3)來提高現澆石膏墻體的抗剪以及整體性能，但有一個缺陷是兩者的線性膨脹系數相差較大，這還需要一些實驗來驗證這種做法的可靠性。但是在高烈度區其抗震性能仍需更多研究加以改善。 建議：研發效率高、質量高、成本低、能耗低的石膏板材與砌塊自動化生產線；利用工業廢料，開發多種配方，在提高各種石膏制品技術性能和使用性能的同時，降低制造成本；進行系列研發，開發各種規格、形狀及性能的產品，形成比較完整的石膏產品系列；進一步完善石膏砌塊墻體的多種適用的配套施工機具及配件、輔助材料系列；開發及完善石膏板材與砌塊的配套件及施工機具，完善施工方法，出臺施工規程。

圖3 石膏包覆鋼絲網片

4 結束語

根據建筑材料制品的輕質高強、節能環保等發展趨勢和要求，天然石膏以及多種工業副產石膏將逐步從內墻向外墻，從非承重隔墻向承重隔墻領域發展，其各種石膏板材和塊材必將會有更加廣泛的應用領域。

[1] 楊榮華.石膏資源的綜合利用現狀及發展方向探討[J].無機鹽工業，2008,40(4)：5-7.

[2] 喻小平,李書琴. 新型石膏基墻體材料原料的研究進展[J].硅酸鹽通報,2011,30(6)：1349-1351.

[3] 陳燕，岳文海，董若蘭. 石膏建筑材料[M].2版.北京：中國建材工業出版社，2012.

[4] 谷巖，姜忻良.不同間距設置芯柱-纖維石膏速成板組合墻體抗震性能有限元分析[J].天津大學學報，2010，43(7)：568-572.

[5] 曲烈、趙素寧.高強度脫硫石膏復合材料制備與力學性能[J].粉煤灰綜合利用，2012(3)：2-8.

[6] 張東翔，黃曉軍，袁昭慧，等.石膏基植物纖維板的吸水性及防水措施[J]. 重慶大學學報(自然科學版)，2001,24(1)：151-154.

[7] 馬克儉.建筑結構“循環經濟”三原則(減量化、再利用、資源化)報告[R].2012.

[8] FRAIRE—LUNA P E．Composite system fluorgypsum-blastfur-naceslag-metakaolin，strength andmicrostructures[J]．Cem Concr Res，2006，36(6)：1048-1055．

[9] ESCALANTE—GARCIA J I，MAGALLANE§RlVERA R X，GOROKHOVSKY A．Waste gypsum-blast furnace slag cement in mortars with granulated slag and silica sand as aggregates[J]．Constr Build Mater，2009，23(8)：2851-2855．

云南大學研究生科研創新基金(項目編號：ynuy201201)

伍玉寶(1987～),男，結構工程碩士研究生，研究方向：結構抗震和結構加固;竇雁輝(1987～),男，市政工程碩士研究生;張琦曼(1986～),女，人文地理碩士研究生;金理偉(1988～)； 男，巖土工程碩士研究生。

TU55+1.39

A

[定稿日期]2015-04-01