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本文主要研究了抹灰石膏的塑性收縮與結(jié)晶膨脹的影響因素，溫度變化對抹灰石膏凝結(jié)時間的影響，溫度變化對抹灰石膏塑性收縮的影響，溫度變化引起的抹灰石膏最終膨脹值的影響，風(fēng)速對抹灰石膏塑性收縮及開裂的影響。抹灰石膏在不同溫度下的塑性收縮不同，溫度越高塑性收縮越大，最終的膨脹率越小。風(fēng)速越大，抹灰石膏失水速率越快，導(dǎo)致抹灰石膏塑性開裂風(fēng)險越大。縮短抹灰石膏的凝結(jié)時間，可以降低抹灰石膏的塑性收縮;控制石膏抹灰現(xiàn)場施工環(huán)境，可以降低抹灰石膏的開裂風(fēng)險。
建筑石膏是一種低能耗的膠凝材料，其膠凝性質(zhì)很早就被人們所發(fā)現(xiàn)。隨著我國對環(huán)保的要求越來越高，抹灰石膏作為一種內(nèi)墻找平材料逐漸被人們所接受。人們常說抹灰石膏是微膨脹材料，是因為抹灰石膏在硬化過程中產(chǎn)生微弱膨脹而不會像水泥抹灰那樣產(chǎn)生硬化收縮。然而隨著抹灰石膏的廣泛應(yīng)用，抹灰石膏在施工過程中經(jīng)常會遇到開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了抹灰石膏的推廣。這種現(xiàn)象主要是由抹灰石膏在塑性階段的收縮而引起。影響抹灰石膏塑性收縮的原因有很多，有施工環(huán)境因素，如溫度、風(fēng)速、濕度等;有材料自身因素，如石膏、添加劑的摻量、添加劑的種類等。
試驗
原材料
建筑石膏：山西潞城石膏礦，303含量40%左右;砂子：河砂，細(xì)度40?70目;纖維素醚：羥丙基甲基纖維素醚，黏度40000mPa?s左右，市在售產(chǎn)品;緩凝劑：蛋白質(zhì)類，市在售產(chǎn)品。
試驗設(shè)備及測試方法
試驗設(shè)備：德國史萊賓格塑性收縮測試儀(圖1)，其不僅可以測試抹灰石膏早期的塑性收縮、膨脹值和失水質(zhì)量，還可以測試料漿的溫度和環(huán)境溫濕度的變化;德國UltraTestLab超聲測試儀，可以測試抹灰石膏凝結(jié)前后的超聲波速及料漿溫度變化。
塑性收縮與膨脹的測試方法：放置一塊平整的玻璃板，在其上鋪一層薄塑料紙，其可與玻璃板自由滑動，然后將抹灰石膏涂抹到塑料紙上，涂抹灰餅的長度2〇〇mm，寬度100mm，厚度5mm，然后將兩個待遇反射板的反射塊放置到灰餅上，將玻璃板和灰餅一起放置到天平上，并調(diào)整塑性收縮儀〇點位置，設(shè)定每隔10s讀取數(shù)據(jù)一次。該儀器不僅可以記錄灰餅的收縮和膨脹值，還可以同時記錄灰餅溫度及灰餅的質(zhì)量變化等。
凝結(jié)時間的測試方法：使用超聲測試儀(圖2)測試凝結(jié)時間，攪拌料漿的同時點擊儀器上的混合時間，然后將攪拌好的料漿裝入到測試儀器中，并刮平表面，設(shè)定每隔1min測試一次，按下開始按鈕。超聲測試儀可以同時記錄抹灰石膏漿體超聲波速變化和抹灰石膏的料漿溫度變化。超聲波速800m/s時，抹灰石膏到達初凝時間，超聲波速16〇〇m/s時，抹灰石膏到達終凝時間。
抹灰石膏的塑性收縮與結(jié)晶膨脹
如圖3所示，抹灰石膏在凝結(jié)前，會產(chǎn)生失水塑性收縮，在凝結(jié)過程中發(fā)生結(jié)晶膨脹，凝結(jié)終止后還會產(chǎn)生微弱的干燥收縮。圖3中，a—b過程反應(yīng)的是抹灰石膏的塑性收縮，這階段的收縮主要是由于抹灰石膏中的水分蒸發(fā)散失而導(dǎo)致，也是引起抹灰石膏出現(xiàn)開裂的主要原因之一。通過分析圖4的超聲波曲線與溫度曲線，可以觀察到a—b階段，超聲波速未發(fā)生變化，溫度也沒有明顯變化。
變化，溫度也沒有明顯變化。圖3中，b—c階段是抹灰石膏結(jié)晶凝結(jié)的過程，這個過程抹灰石膏由前期的塑性收縮轉(zhuǎn)變?yōu)榧眲∨蛎?，對?yīng)圖4的b—c階段是抹灰石膏凝結(jié)的過程。即塑性收縮到抹灰石膏凝結(jié)時就結(jié)束了，這也表明如果縮短抹灰石膏凝結(jié)時間，就可以減少早期塑性收縮持續(xù)的時間，并進而降低早期的塑性收縮?？寺“蜖柦ㄗh利用石膏凝結(jié)時的升溫來測定其凝結(jié)期，他指出凝結(jié)時的溫度效應(yīng)，可比壓力試驗和抗力試驗更好地鑒定石膏凝結(jié)[1]。半水石膏水化時，由于漿體中的晶體增長，因而體積略有膨脹(1%左右)，但是因為體積的膨脹是漿體未完全失去塑性的時候產(chǎn)生的，因此不會發(fā)生有害脹裂的作用。
溫度對抹灰石膏凝結(jié)時間及塑性收縮的影響
選用同一抹灰石膏樣品在不同溫度下測試抹灰凝結(jié)時間，測試結(jié)果見表1。通過表1可以看到隨著溫度的升高抹灰石膏的凝結(jié)時間變長，這與半水石膏和二水石膏溶解度隨溫度變化不同有關(guān)。如圖5所示，半水石膏隨溫度的升高，溶解度迅速下降，而二水石膏隨溫度的升高，溶解度變化相對較小[3]。半水石膏水化結(jié)晶的動力，源于半水石膏與二水石膏溶解度的差別，即過飽和度。隨溫度升高，半水石膏的過飽和度降低，導(dǎo)致生成的二水石膏的過飽和度降低，因此二水石膏的結(jié)晶能力減弱，使得結(jié)晶速度變慢，宏觀表現(xiàn)為凝結(jié)時間變長，故溫度越高抹灰石膏的凝結(jié)時間越長。
圖6是同一抹灰石膏樣品在不同溫度下測試的失水質(zhì)量變化圖，圖中顯示相同時間下28°C的失水質(zhì)量明顯高于15°C，同時28°C的失水速率也要明顯高于15°C。失水質(zhì)量與時間成正比變化，失水質(zhì)量與溫度高低成正比變化。
圖7是不同溫度下塑性收縮率與時間的關(guān)系圖，隨時間的延長，塑性收縮逐漸變大;相同時間下，溫度越高縮性收縮越大，塑性收縮速度也越快。圖8是不同溫度下塑性收縮率與失水質(zhì)量的關(guān)系圖，可以看到隨著失水量的增加，塑性收縮加大，失水越多，塑性收縮越大;且溫度越高，在相同失水質(zhì)量的情況下，塑性收縮越大。故在高溫條件下不僅抹灰石膏的失水量大，而且相同的失水量產(chǎn)生的塑性收縮比低溫條件下產(chǎn)生的塑性收縮更大。高溫條件對塑性收縮有疊加的影響，即失水率速率快，凝結(jié)時間長，加大抹灰石膏的塑性收縮，增加了抹灰石膏塑性開裂風(fēng)險。
不同溫度對抹灰石膏全過程變形的影響
不同溫度下抹灰石膏的收縮與膨脹，如圖9所示。抹灰石膏在凝結(jié)前主要表現(xiàn)為塑性收縮，溫度越高其塑性收縮越大，抹灰石膏在凝結(jié)過程中主要表現(xiàn)為結(jié)晶膨脹，膨脹值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其塑性收縮值，凝結(jié)硬化以后，抹灰石膏尺寸基本不再有明顯變化。
如圖9所示，試驗溫度分別為15°C、17°C、18°C、28°C，其中他們的塑性收縮值大小依次是15°C<17°C<18°C<28°C，而凝結(jié)過程的結(jié)晶膨脹絕對值幾乎相同，均在Sprn/mm左右，這是因為結(jié)晶膨脹與半水石膏多少有關(guān)。相同的配方中半水石膏含量相同，因此結(jié)晶產(chǎn)物量也相同，所以未凝結(jié)前的塑性收縮值越大，與結(jié)晶膨脹值抵消后最終凝結(jié)后膨脹值越小。
通過圖9可以看到抹灰石膏在未受到約束的情況下，總體表現(xiàn)為膨脹，故人們常說抹灰石膏是微膨脹的抹灰材料。抹灰石膏受溫度的影響，其最終表現(xiàn)膨脹率不同，溫度越低抹灰石膏的膨脹值越大。抹灰石膏的結(jié)晶膨脹絕對值幾乎不受溫度影響，而抹灰石膏的塑性收縮值隨溫度的升高，塑性收縮值變大，在抹灰石膏凝結(jié)硬化的整個過程中，第二階段的結(jié)晶膨脹過程彌補了前面的塑性收縮值，因此使得抹灰石膏整體表現(xiàn)為膨脹，且隨溫度的升高，最終的膨脹值降低。
風(fēng)速對抹灰石膏開裂性的影響
從前面的試驗中了解到，抹灰石膏在凝結(jié)前表現(xiàn)為塑性收縮，而凝結(jié)過程中表現(xiàn)為結(jié)晶膨脹，且絕對膨脹值遠(yuǎn)大于塑性收縮值，總體表現(xiàn)為膨脹。那么為什么有的抹灰石膏還會表現(xiàn)為開裂現(xiàn)象呢?這個主要是由于以上的試驗是基于抹灰石膏與底板可以自由滑動，不受粘結(jié)力影響。而實際的使用過程中，抹灰石膏與底層是有很強的粘結(jié)性能，就使得抹灰石膏受到粘結(jié)力約束，而大大降低了其膨脹值。抹灰石膏在施工后，與墻面有一定的粘結(jié)性，由于在未凝結(jié)前抹灰石膏漿體自身的內(nèi)聚力小于其與墻面的粘結(jié)力，當(dāng)失去一定的水分后，就會使得漿體出現(xiàn)裂紋。而在石膏凝結(jié)過程中，雖然膨脹值很大，但是其受到基底的約束而不能自由膨脹，故不能將前期的收縮裂縫填實。如圖10所示。抹灰石膏出現(xiàn)第一條裂縫的時間大約在60mm，然后在60?120min內(nèi)不斷出現(xiàn)裂縫，且先前出現(xiàn)的裂縫逐漸變寬變長。而120min時，抹灰石膏開始凝結(jié)，以后就沒有再出現(xiàn)裂縫，且前期的裂縫也保持不變。
抹灰石膏在施工過程中，不僅受到溫度影響，還受風(fēng)速影響。試驗取同一樣品抹灰石膏將其抹成楔形，最薄處3mm，最厚處15mm，長300mm，寬120mm，分別放置溫度相同，風(fēng)速小于〇.lm/s、風(fēng)速0.1?0.2m/s、風(fēng)速2?3m/s的環(huán)境下，每隔15min觀察一次抹灰石膏表面的開裂情況并記錄，同時每隔30min測試一次試件質(zhì)量并記錄。
通過圖11可以看到在不同風(fēng)速的情況下，抹灰石膏的開裂情況不同，風(fēng)速越大抹灰石膏表面出現(xiàn)裂縫的時間越早，且裂紋越多越大。在風(fēng)速2?3m/s的情況下，30min時就可以明顯觀察到，而風(fēng)速小于O.lm/s的情況下，表面出現(xiàn)的裂縫時間是75min，且裂縫細(xì)小。在風(fēng)速大的情況下，抹灰石膏的發(fā)白處面積大，這主要是由于抹灰石膏在凝結(jié)前失去大量水分，而使抹灰石膏中的半水石膏在凝結(jié)時結(jié)晶水化的水分不足，致使半水石膏不能充分水化轉(zhuǎn)變成二水石膏，這將大大降低抹灰石膏的抗折抗壓強度及粘結(jié)強度，影響抹灰石膏的使用安全性能。
砂漿表面的水分蒸發(fā)是導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生塑性收縮應(yīng)力的重要因素，而水分蒸發(fā)總量和水分蒸發(fā)速度與塑性收縮應(yīng)力的大小和增長速度直接相關(guān)，因此砂漿表面的水分蒸發(fā)越快，蒸發(fā)量越大，砂漿就越容易出現(xiàn)裂縫，且裂縫總量也較大[4]。在石膏抹灰層未凝結(jié)硬化前，應(yīng)盡可能地遮擋門窗口，避免通風(fēng)使石膏失去足夠水化的水。但當(dāng)粉刷石膏凝結(jié)硬化以后，應(yīng)保持通風(fēng)良好，使其盡快干燥，到達使用強度
抹灰石膏的塑性收縮，主要是水分蒸發(fā)而引起，通過改善抹灰石膏的配方可以降低抹灰石膏的塑性收縮。如添加不同種類的纖維以及保水劑等，都能在一定程度上改善抹灰石膏的塑性收縮性能，降低抹灰石膏開裂的風(fēng)險。如添加纖維等，纖維降低塑性開裂的原因主要是因為纖維呈三維分布，形成三維支撐體系，可搭接在裂縫處，阻止或阻礙裂紋的發(fā)展，緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中現(xiàn)象，減少裂縫源[5]。一般的砂漿中隨著纖維素醚摻量的增大，塑性收縮呈減小趨勢，但當(dāng)纖維素醚達到一定量時，這種減縮效果減弱。同時纖維素醚種類不同，對砂漿塑性收縮的影響也不同
表2抹灰石膏不同風(fēng)速下失水百分比，可以看到風(fēng)速越大失水速率越快，而到了3d以后，抹灰石膏基本已經(jīng)達到自然干燥，而風(fēng)速大的失水率仍明顯高于低風(fēng)速條件下的失水率。因此在抹灰石膏施工過程中，要嚴(yán)格避免強制通風(fēng)，從而降低抹灰石膏的開裂風(fēng)險，并避免因失水快導(dǎo)致水化不充分引起的粘結(jié)強度的降低。關(guān)于風(fēng)速對砂漿收縮開裂的影響.我們的研究結(jié)果與國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)的研究結(jié)果比較一致。
綜上所述，抹灰石膏的塑性收縮是導(dǎo)致抹灰石膏開裂的主要原因，而塑性收縮主要是由抹灰石膏凝結(jié)前水分的蒸發(fā)所導(dǎo)致，降低抹灰石膏凝結(jié)前的水分蒸發(fā)，可以減少抹灰石膏的塑性收縮，進而降低抹灰石膏的開裂風(fēng)險。通過重點分析影響抹灰石膏塑性收縮的相關(guān)因素，我們可以找到減少抹灰石膏早期開裂的解決方案。
(1)抹灰石膏在凝結(jié)之前一直是塑性收縮的過程，因而凝結(jié)時間越長，最終的塑性收縮也越大。通過縮短抹灰石膏的凝結(jié)時間可以很好地減少抹灰石膏的塑性收縮量，降低抹灰石膏的塑性收縮開裂的風(fēng)險。
(2)溫度越高不僅使抹灰石膏的水分蒸發(fā)加快，而且單位失水量引起的塑性收縮也越大;溫度高延長抹灰石膏的凝結(jié)時間，從而加大了抹灰石膏在塑性階段的失水量，增加了抹灰石膏在塑性階段的收縮值，所以在實際施工過程中應(yīng)盡可能避免高溫條件下的施工。
(3)抹灰石膏的塑性收縮受風(fēng)速影響較大，風(fēng)速越大，抹灰石膏的失水速率越快，引起的塑性收縮值就越大，增加開裂風(fēng)險，所以抹灰石膏在實際施工中也要避免強制通風(fēng)。
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