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α高强石膏的发展和应用探析

2017-06-29


  石膏作为一种古老的建筑材料在各个领域都有着极其广阔的应用。其中一种是建筑石膏(即β-半水石膏,或称普通石膏粉),它的物理强度低,用途、用量均有限,主要用于石膏砌块、纸面石膏板和部分装饰材料。另外一种是高强石膏(即α-半水石膏),一般情况下它的强度很高,是普通石膏粉的3倍以上,具有良好的力学性能、工作性能、环保性能和生物性能,α高强石膏不仅能够替代传统的建筑石膏以增强产品品质,而且应用的范围变得更加广泛,如精密铸造、高端建材、工艺美术、医疗、航空、船舶等领域。随着经济发展,α型高强石膏需求量不断增加,对其性能要求也越来越高。目前我国部分建材制品对α型高强石膏的应用量较大,其中包括GRG装饰材料、石膏基自流平砂浆以及陶瓷模具的原料等。

  高强石膏的制备工艺主要包括蒸压法、常压水热法和加压液相法等。蒸压法是目前我国应用最广的传统制备方法,国内已建有上百家大大小小的企业,是中国使用最早,厂家最多的传统生产工艺。其生产工艺条件较为成熟,但是存在对原料品位要求高、产品质量不稳定且等级偏低等缺陷。采用蒸压法生产高强度石膏,历经几十年的社会发展,虽然不乏应用成功的先例——这与他们丰富的操作经验和市场能力密切相关,但就整体工艺水平比较,传统工艺已经落后,越来越不能适应新形势下节能、环保、利废、节省、高效、竞争的要求,大部分原有企业将面临结构性的困难。常压水热法工艺条件温和、生产能耗低,是一种较理想的制备工艺,但是其相关技术并不成熟,仍局限于实验室研究,无工业化生产线;加压液相法在国外已有较大发展,产品质量稳定、等级高,但是由于其投资大,目前在国内应用范围不广,仅被少数厂家采用。但产品质量上乘,随着社会需求的提高,液相法生产工艺将得到更充分的关注和发展。当前,影响液相法工艺发展的主要因素是:投资较大、生产成本较高,且具有一定的工艺难度,应用市场也有待培育和开发,掌握液相法生产工艺的人才不多,生产技术客观上还存在许多优化空间。因此,在一定时期内,液相法工艺还只能限于小规模、高端产品的范围内发展。

  α高强石膏在陶瓷模具石膏粉中的应用

  陶瓷模具石膏粉是我国熟石膏应用的一个重要品种。随着国民经济的迅速发展,日用瓷、卫生洁具陶瓷的市场逐步扩大,对陶瓷模具石膏粉的需求量更多、质量要求更高。陶瓷模具因其制作过程、用途及制模方式等的不同,性能各异,对陶瓷模具石膏粉性能要求也就不同。表1、2、3、4分别示出了德国、日本和美国陶瓷模具石膏粉的指标;表5、6分别示出了中国陶瓷模具石膏粉和国内某厂家陶瓷模具石膏粉的技术指标。

  目前国产陶瓷模具石膏粉因设备工艺以及控制技术的限制,产品性能普遍不高,国内外在标准中对产品描述方面表述形式不同,但从表格中的指标可以看出,虽然在我国2014年对陶瓷模用石膏粉标准做出了修订,对抗折强度的要求有所提高,但是国产陶瓷模具石膏粉与国外同行业的差距仍然表现在强度低,关键指标凝结时间及抗折强度不能有效控制等。自2015年以来,国内部分地区迫于环保压力,关闭了部分地下开采石膏矿,陶瓷企业面对日益匮乏的优质天然石膏原材料,出于成本考虑不得不降低对陶瓷模具粉的质量要求。表6为国内某陶瓷企业对陶瓷模具粉降低要求后的技术指标。

  通过对我国主要的石膏粉生产企业的实际考察得知,在市场上,用作卫生陶瓷工作模的石膏粉都属于半水石膏(CaSO4·1/2H2O),从晶型上可分为α半水石膏粉、β半水石膏粉和α半水石膏与β半水石膏的混合型石膏粉三种类型。不同类型的石膏粉,其生产工艺不同。α半水石膏与β半水石膏的混合比例,没有一个固定的模式,视各企业的要求而定。一般来说,要求模具使用时间长,α半水石膏的比例需适当提高,反之亦然。通常情况,α半水石膏与β半水石膏的混合比例为1:1.3。

  对于模具石膏来说,随着中国陶瓷产业的不断发展,模具石膏市场较大,2016年模具石膏总需求约260万吨左右。国内知名陶瓷企业使用部分进口模具石膏,进口价格在2500~3000元/吨。制作浇铸黄金、银铜首饰的模具用石膏售价5600~7600元/吨,但在模具石膏总量中所占的份额非常小。

  我国大部分陶瓷企业对石膏粉的白度不作要求,我国南方的卫生瓷厂要求石膏粉的白度>85%。石膏粉的白度大致反映了石膏粉的纯度, 但也有石膏粉纯度不低,而白度却不高的情况出现,这与所选用的石膏矿石的种类有关。

  山西潞城地区用来加工α高强石膏粉的石膏品位通常在80%~83%之间,白度在63%~65%之间,但是在河南长葛、禹州地区仍然供不应求。只是价格比较低,出厂价大约在350元/吨左右。

  湖北荆门地区白度≥92%,品位≥90%,2小时湿抗折≥6.0MPa的α高强石膏粉出厂价达到1350元/吨。三门峡地区白度≥88%,品位≥88%,2h湿抗折≥5.8MPa的α高强石膏粉出厂价达到1200元/吨。山东枣庄地区白度≥88%,品位≥88%,2小时湿抗折≥5.8MPa的α高强石膏粉出厂价1100元/吨。从市场销售价格看石膏粉价格与品位、白度、强度等呈正相关性,品位越高、白度越高、强度越高的石膏粉价格越高。

  α高强石膏在石膏基自流平砂浆中的应用

  自流平石膏是自流平地面找平石膏的简称,又称为石膏基自流平砂浆,是由石膏材料、特种骨料及多种建筑化学添加剂在工厂配制、混合均匀而成的一种专门用于地面找平的干粉砂浆。20 世纪60 年代起源于欧洲,20 世纪80 年代我国开始研制石膏基自流平砂浆。

  早在20世纪60年代,为了解决地暖系统中水泥混凝土对铜管的腐蚀现象,欧洲开始采用石膏基地坪材料与聚乙烯管。经过20多年的完善与发展,到20世纪80 年代欧美的地暖技术已经非常成熟,80年代后期石膏企业已经开始制定了为地暖应用的石膏基自流平砂浆的规范。
 
  我国石膏基自流平砂浆研究起步较晚,大约起始于20世纪80年代末、90年代初。1986年研制成功以氟石膏废渣为胶凝材料的石膏基自流平材料。近年来有些单位也有石膏基自流平砂浆产品,但大多厂家采用建筑石膏来配制,并靠增加化学添加剂确保达到相应性能要求,而添加剂费用约占自流平石膏生产成本的2/3,致使石膏基自流平砂浆应用成本高于水泥基自流平砂浆,推广应用受阻,发展缓慢。应用技术和施工机具与国外尚有一定的差距。2005年,我国开始研究硬石膏基地面自流平材料。随着国内石膏基自流平产品的逐渐成熟,2007年,我国制定并实施了相应产品标准JC/T 1023—2007《石膏基自流平砂浆》。

  根据石膏种类的不同,石膏基自流平砂浆的胶凝材料主要采用α半水高强石膏、建筑石膏以及硬石膏。α高强石膏基自流平材料的强度相对于水泥基自流平材料低,耐水性较差,主要以“底层自流平材料”的形式用于室内。采用α-高强石膏作为自流平材料的基材,可显著提高材料强度。目前工业副产石膏采用丁二酸、马来酸酐和丁二酸钠等制备α-高强石膏的技术日益成熟,而将高强石膏用于自流平材料已普遍成熟,主要还是归功于高强石膏优异的力学性能。用 2h 抗压和抗折强度分别为35.1、6 MPa 的高强石膏为胶凝材料,在缓凝剂、保水剂等作用下可制备出性能优异的石膏自流平砂浆。

  α高强石膏在玻璃纤维增强石膏装饰制品中的应用

  装饰石膏板是以建筑石膏为主要原料,掺加少量纤维材料等制成的多种图案。花饰的板材,如光面板、花纹板、微孔板、穿孔吸音、镂空透光等,是一种新型的室内装饰材料。玻璃纤维增强石膏装饰制品(以下简称GRG制品)是采用高强度α石膏粉、增强玻璃纤维,以及一些微量环保添加剂制成的预制式新型装饰材料,具有强度高、抗冲击强、柔韧性好、密度高且质轻、防火、环保、声学效果好的优点,在欧美等发达国家被广泛应用,主要应用于剧院、报告厅、酒店等场所。GRG制品自上世纪70年代研发成功以来,逐渐成为国际建筑装饰材料界最流行的、更新换代的主打产品。

  从国内第一个GRG制品项目于2004年成功应用在上海东方文化艺术中心项目到现在,我国石膏装饰行业发展日趋成熟。主要表现在以下两个方面:(1)产业规模持续扩大。2013年石膏板材天花墙体产量为30亿m2,石膏线为25亿米,3D艺术墙板与GRG高档产品占有一席之地,特别是应用在一些城市的重点标志建筑上。(2)产品研发技术不断创新,装备水平不断提升,其中GRG已达到发达国家水平,且具有自主知识产权,生产工艺已由手工制作向机械流水线生产转变,节能减排成效显著,三废污染极少,是绿色建筑(建材)首选。

  随着国内文化产业的迅速发展及高档场所的装饰需要,大部分的剧院、报告厅及对造型有要求的场所都会优先选用GRG制品作为装饰材料,目前GRG产品全国年产值估计在10亿元以上。近年来GRG制品国内市场发展十分迅速且需求有不断增加之势,国内生产企业也在不断发展壮大。

  工艺美术品用高档α高强石膏发展空间大

  工艺美术品用高档α高强石膏粉,其主要市场在我国广东及福建两省,其制得的工艺美术品主要售往欧美国家做成圣诞礼物馈赠亲友。这种产品目前所用的原料主要为不饱和环氧树脂,其价格为8000~10000元/吨,而且制作过程中有产生有害气体,同时这种树脂不易降解,对环境造成一定危害。因此西方国家纷纷要求采用其他无污染、易降解的材料来代替。α高强石膏粉完全可替代部分树脂产品,生产出符合玩具要求和环保要求的产品。据不完全统计,广东及福建的这种工艺美术厂达400家以上,三年内市场需求量将增加至10~15万吨。

  α型高强石膏应用于3D打印的市场情况

  3D打印用石膏三年内市场需求量将从目前的几百吨增加至2万吨。3D打印,即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属/塑料等易凝固、可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,现正逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

  α型高强石膏由于初凝块、强度高,已经应用于3D打印领域。武汉光谷创意园的“3D记梦馆”目前所使用的3D打印材料均为石膏。传统建筑材料石膏在现有的3D打印材料中是最安全和环保的。据估测,2020年中国的3D打印产值将超过1000亿元市场规模。未来石膏在3D打印材料中必将占有重要一席。

  α高强石膏材料经过近几年的研究和发展应用,生产工艺与设备得到了相应的完善和改进,但与国外的发展状况相比我国还处于相对落后的状况。随着α高强石膏的应用领域越来越广,需求量逐步增长,开辟具有实际应用价值并具有突破性的工艺路线和生产方法, 采用先进技术, 大力研发和生产优质的α高强石膏制品,同时积极开拓石膏制品的高端市场,填补高附加值石膏制品的市场空白,为社会和经济发展提供多功能、高质量、技术性能优良的新型绿色建筑材料,具有深远意义。

来源:中国建材联合会石膏建材分会

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