基于木結構建筑的防火耐水石膏板制備實驗研究★

周述桂 楊德意 郭 智 劉 虎 羅雄文

(湖南科技學院，湖南 永州 425000)

1 概述

目前，木結構建筑憑借其輕巧、節能、防震性能好、工期短的特點在各類公共建筑及個人別墅建筑方面被廣泛運用。但在木結構應用越來越廣泛的同時，其弊端也愈加明顯——即耐火性能極差。2017年12月10日，號稱亞洲第一高的木塔四川九龍靈官樓在一場大火后變成一片廢墟，給社會和人們的生命財產安全造成巨大隱患。目前很多國外建筑采用粘貼石膏板的方式來提高木結構防火性能。石膏板的主要成分是二水硫酸鈣，在燃燒時釋放出水分子從而達到耐火的效果。

石膏材料具有許多優良的建筑性能如節能、安全舒適等等，但是石膏材料遇水極易發生霉變，影響美觀和使用效果[1]，它的強度也會因此降低，安全性能變差，安全風險提高，嚴重地制約了它在建筑墻體材料方面的應用和發展，因此，研究既防火、又耐水防潮的石膏板具有較強的現實意義。

2 防火耐水石膏板的制備方法分析

提高材料耐水性的措施，一般來說有三種：第一種是進行表面處理；第二種是在制作石膏板時在石膏漿中加入有機防水劑，降低吸水率；第三種是在石膏中加入無機改性劑，達到提高耐水性的目的。

2.1 表面處理

在材料的表面給其涂憎水材料，或者也可以將材料放在憎水材料里浸泡一段時間，使其表面覆蓋有足夠的憎水材料，然后放置一段時間，待其干燥后，表面會形成一種致密的防護膜，從而將水分子與材料隔離開來，從而讓其耐水性得到改善。石膏板表面處理簡單易行，但是若處理不當，則防水性會大大降低。比較常見的憎水材料有石蠟、丙烯酸、水玻璃等。賈興文[2]通過實驗指出，表面處理會使石膏板的早期強度降低。Colak[3]對丙烯酸對石膏板的作用作出了研究，發現丙烯酸對石膏板的抗折強度的改變尤為明顯。

2.2 加入有機防水劑

在加入有機防水劑后，會在石膏板內部形成防水層，阻止外部水分子晶體向內部蔓延，從而達到提高石膏板耐水性的目的；常用的防水劑有松香防水劑，石蠟乳液等。石蠟乳液的穩定性很好，適于長時間儲藏，可以降低石膏的吸水率。石蠟乳化后會形成很小很小的顆粒狀物體，這些顆粒在經過一系列的反應后，從而在石膏表面形成一層防水膜，這層防水膜很好的阻礙了外部水分子的進入，成功降低了石膏的吸水率。但是加入石蠟乳液也有很多明顯的缺點，第一，它會導致石膏板的耐高溫性質變差；第二，它會導致石膏板后期耐水性質變差；第三，它本身會老化，加入它的石膏制品在使用時間較久以后，會喪失防水作用，因此本項目采用添加有機硅來進行實驗[4]。

2.3 加入無機改性劑

無機改性劑可以讓石膏中的結晶結構變成晶膠結構，使石膏內部結構發生改變，生成的耐水性物質對制品構成保護作用，改善了強度和耐水性[5]。市面常見的無機改性劑有生石灰等。

3 實驗過程與分析

3.1 表面處理實驗

采取以建筑石膏板為主要材料，水玻璃為輔助材料的方式，利用水玻璃對石膏板表面進行噴涂處理制備耐水性石膏板，同時進行一組對照實驗，將兩組石膏板進行泡水處理，結果如表1所示。

表1 實驗數據分析(一)

通過對實驗數據的分析，我們可以得知對石膏板進行表面處理能在很大程度上改善石膏板的耐水性。

3.2 加入有機防水劑實驗

以建筑石膏粉為主要材料，有機硅為輔助材料的方式，在石膏板制作時添加有機硅，制備耐水性石膏板材料，以有機硅摻量為自變量進行了6組對照實驗，參照GB/T 17669.3—1999建筑石膏力學性能的測定制備40 mm×40 mm×160 mm的石膏試塊6塊，兩塊為一組分別加入不同量的有機硅BS94(見表2)。

我們以石膏試塊的吸水率、強度和耐火極限為參數對實驗進行分析驗證，我們將6組試塊分別泡在水里4 h后，測定其吸水率、抗壓強度、耐火極限，記錄每組數據，得到表3。

表2 摻入不同含量有機硅實驗分組

表3 實驗數據分析(二)

對實驗數據進行對比分析，我們可以得出如下結論：在有機硅摻入量為0.38%時，石膏試塊的吸水率、抗壓強度和耐火極限都達到了最佳。

3.3 加入無機改性劑實驗

以石膏粉為主要材料，水泥、粉煤灰、生石灰等為輔助材料，利用無機改性劑對石膏進行改性處理，制備耐水性的石膏板，根據石膏與水泥水化反應后會生成難溶于水的鈣礬石等物質的原理[5]，通過多次的實驗和實驗數據分析，可知往石膏粉中分別加入復合硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥對石膏進行無機改性，參照GB/T 17669.3—1999建筑石膏力學性能的測定制備40 mm×40 mm×160 mm的石膏試塊10塊[6]，五組分別加入不同量的復合硅酸鹽水泥，五組分別加入不同量的鋁酸鹽水泥。分別將每組試塊泡水4 h，對每個試塊的力學性能(抗壓強度、抗折強度、耐火極限、吸水率)進行測驗，得到表4，表5。

表4 加入復合硅酸鹽水泥

表5 加入鋁酸鹽水泥

由以上數據分析得知：兩者對石膏試塊的耐水性能和其他力學性能都有改善效果，其中復合硅酸鹽水泥的改善效果更佳；當復合硅酸鹽水泥的摻量為20%時，各方面的性能都達到最佳；石膏的抗壓強度為9.49 MPa，相比提高了72.2%；石膏的抗折強度為4.38 MPa，相比提高了48.47%；石膏的耐火極限為46 min，相比提高了21.05%；石膏的吸水率為13.52%，相比降低了57.55%。

4 結語

通過以上多組對照實驗和實驗結果分析不難得到，加入無機改性劑的石膏試塊再進行表面噴涂的混合處理方法是其中最好的方法。

1)表面涂抹水玻璃能一定程度上改善石膏板的耐水性和防潮性能。同時還能增加石膏板的耐火極限。

2)添加0.4%有機硅BS94即可使得石膏板吸水率降到4.33%，增加有機硅的含量降低效果不明顯。

3)添加20%復合硅酸鹽水泥使石膏試塊的各方面力學性能改善到最佳，增加復合硅酸鹽水泥的摻量降低效果不明顯。

4)兩種添加外加劑的方式在一定程度上能改善其防火耐水性能，但改性后的石膏板重量會增加。