半干法石膏空心砌块的工业化生产.docx
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半干法石膏空心砌块的工业化生产
半干法石膏空心砌块的工业化生产
安徽森科新材料有限公司
教授级高工、董事长张庚福
一、石膏砌块浇注法
目前国际上和中国国内石膏砌块的生产工艺均为：
以建筑石膏为主要原料（亦可加入轻集料）、纤维增强材料、发泡剂等辅助材料，经加水搅拌、浇注成型和干燥而制成的块状轻质建筑石膏制品，其生产设备除部分手工式外，大部分为机械成型，即“立模成型、液压顶升”。
建筑石膏粉（磷石膏和脱硫石膏等）未粉碎的颗粒级配不好，颗粒分布比较集中，比表面积小，20-200μm的颗粒高达60%，导致石膏粉加水后的流变性差，颗粒离析、内摩擦角大、分层现象严重。
为使石膏胶凝材料的流动性，现有石膏砌块的成型方法，不论手工式或机械式均为浇注法，为确保建筑石膏粉等与水的混合物的流动性，提出了石膏的标准稠度需水量，一般在0.7左右，而实际生产中的水膏比远大于“标稠”，即0.8-0.9：
1.0，德国石膏砌块生产的水膏比在0.9左右，某些石膏（如钛石膏）的水与石膏的比甚至达到110-120：
100。
而建筑石膏水化反应结晶的需水量仅为18.62%（理论值），多余的自由水（60-70%）需要干燥（人工或自然）后方可出厂。
自然干燥要求堆场大（年产100万平米石膏砌块堆场约需60-80亩地），干燥时间一般在30天左右，如遇雨天和湿度大的天气，干燥时间更长，且需人工搬运码垛，增加工时费等，且破碎率高。
人工干燥（即热源烘干），烘干窑投入成本大（一般100万平米/年产），约需300万元左右，耗能成本一般在8元/㎡左右。
浇注法石膏砌块由于水膏比大，除去结晶水18.62%（理论值），多余的60-70%的水存在石膏硬化体中，干燥后形成孔隙，孔隙率约在60%左右，其晶体形貌图如下（磷石膏）：
浇注法磷石膏砌块2000倍SEM照片
从晶体形貌看，晶体结构细长不粗壮，且端头尖细、毛刺，排列不规则，孔隙率大，其物理力学性能：
抗折一般在2.00MPa左右，软化系数小于0.6，物理力学性能比现有市场墙材差，搬运过程破碎率较高，密度轻（一般小于1050kg/m3）。
为降低水膏比，国内在石膏砌块生产和实验中，采用如下方法：
1、手工浇注：
由于手工生产，石膏浆体的流动性要求小，其水膏比可大大降低，一般在0.6：
1.0左右，降低了干燥压力。
2、高效减水剂，国内不少助剂厂在探索用减水剂来降低水膏比，据说可降低水膏比10-20%，但生产中至今未遇到真实的减水剂，同时价格昂贵，生产实用价值不高。
3、球磨粉碎，通过球磨处理，可改变颗粒级配和形貌，增加石膏胶体流动度，降低水膏比约10%（实验室实验），但生产实践上未见。
4、在石膏胶凝材料中增加改性剂，增加流动度，这是很好的途径，笔者经过长期实践，其水膏比也仅降低10%左右，未能彻底改变水膏比多的现状。
由于石膏砌块干燥压力大（堆场大、烘干成本高，生产周期长），不能形成工业化生产。
长期以来，为解决高水膏比的干燥问题，业内石膏砌块企业从生产实践中总结出如干燥下方法：
1）芯孔水平放置法：
利用风的水平方向流动的特点，把砌块芯孔水平放置，便于通风，加快干燥速度；
2）建干燥楼，把砌块放到楼房上，增加高度，增加风力，因高度增加，高开湿度大的地面，便于去湿。
3）建干燥窑，通过加热干燥。
上述干燥方法虽有一定效果，但未根本解决石膏砌块的干燥瓶颈，且成本高，占地面积大，搬运成本高，由于物理力学性能差，破碎率高，虽然是绿色建材，但严重的制约了石膏砌块的发展。
二、半干法石膏砌块的提出
应用研究是为生产第一线服务的，市场的需求是应用研究的方向，石膏砌块浇注法多余自由水的干燥制约了其发展，能否有一种半干法石膏砌块的生产工艺彻底解决其发展瓶颈问题。
为此，依据对石膏材性的多年研究和其工艺实践，我们提出了半干法石膏砌块的研究课题。
半干法石膏砌块的研究的基本原则是：
1、半干法石膏砌块的各项指标仍执行JC/T698-2010；
2、半干法石膏砌块的水化与浇注法一法，只是加水量大大减少，即熟石膏（半水石膏）CaSO4.1/2H20+水→水化反应（空气中）→二水石膏（CaSO4.2H20）；
3、半干法石膏砌块的机械化生产仍是模腔成型，但工艺流程与浇注法不同，浇注改为布料。
研究表明，半干法石膏砌块与浇注法石膏砌块的结晶理论基本一致，但水化过程和水化反应速率大不一样。
从溶解析晶理论看，建筑石膏浇注法在高水膏比时初始水化反应快，但晶体产生后，由于水包裹晶核，阻碍了晶体的析晶和晶体结构的生成，延缓了水化、析晶过程（实践中，水膏比的高低可调节石膏的初终凝时间），由于多余自由水在晶体中的存在，使晶体结构致密性差，空隙率大，晶体结构形貌不粗壮，凝结硬化体力学性能差。
而半干法在低水膏比的时候，由于无多余自由水迟缓水化反应，其晶核产生，晶体形成反应速率快，其水化热高于浇注法5-10℃（初终凝时间远短于浇注法），由于无多余自由水，再加上添加SK半干法石膏助剂，晶体结构粗壮，致密，硬化密度大，力学性能高，由于配方中除供给结晶的需水量外，还有多余的少量的自由水，可确保完全水化反应，只是生产中最好水化反应一致，不要因水与石膏粉的界面接触不均匀而影响同步水化，因此加入分散剂非常重要。
通过大量实验，半干法石膏砌块有如下技术问题需解决：
1、由于水膏比低，水化反应激烈，一般水化热高出浇注法5-10℃，某些建筑石膏粉甚至高出10℃，由于反应激烈，易造成硬化体产生细微裂缝；
2、初终凝时间比浇注法缩短1-2min；
3、在水膏比低的情况下如何确保水与石膏的完全结合，完全水化；
4、密度大，如何降低密度以满足标准要求；
5、半干法石膏胶凝材料粘性极大，选择好不粘的界面材料；
6、半干法石膏胶凝材料对环境温度、水温、粉体温度等敏感性极强，其配方如何满足生产要求；
7、同类石膏，但不同品质，不同类石膏其配方均不一致，其工业化生产时候通过大量的实验以最终确定其配方；
8、调整好初终凝时间与现有浇注法基本一致，使石膏砌块高生产效力保持；
在解决好上述技术问题后，与其配套的机械设备设计必须满足如下技术要求：
1、浇注法石膏砌块是在静态的状态下水化、硬化，而半干法石膏砌块是在动态的状态下水化、硬化，其动态的应力、速率应不破坏其水化时晶体结构；
2、在配方中分散剂的配合下，如何确保水与石膏粉体的充分结合；
3、机械工艺流程时段必须与石膏胶凝体的初终凝时间一致；
4、满足石膏砌块标准控制尺寸时，芯孔率的最大化与石膏胶凝材料添加轻质材料协同，满足表观密度的要求；
5、半干法石膏砌块的石膏浆体敏感性极强，其机械生产的自动控制和动力等如何适应其要求；
6、模腔布料均匀，成型砌块硬化体力学性能一致。
7、如何确保上榫口光滑标准。
8、配料精准，无废料。
三、半干法石膏砌块工业化生产的成功
半干法石膏砌块提出后，得到现有石膏砌块企业和即将上该项目的仁人志士的广泛认同，给了我们研究的力量和动力。
经过近两年来的研发、小试、中试、工业化生产终于成功，现将相关情况介绍如下：
经过小试、中试半干法石膏砌块的基本配方已研制成功，即SK半干法石膏砌块助剂，其功能包含：
调晶、调凝、分散、增粘、防潮等功效，针对不同的石膏适度调整其组合以满足生产和性能要求。
半干法磷石膏（庐江锦龙新型环保建材有限公司）小试的典型配方各项性能测试表如下：
2h干法石膏砌块各项参数测试表（样块160*40*40mm）
水膏比
抗折
抗压
软化系数
表观密度
0.7
1.65
3.23
0.61
1095
0.6
2.13
4.58
0.67
1184
0.5
2.62
5.93
0.72
1273
0.45
2.86
6.60
0.75
1318
0.4
3.10
7.27
0.78
1362
0.35
3.34
7.95
0.80
1407
0.3
3.58
8.62
0.83
1451
0.25
——
——
——
——
1、水膏比0.5、0.45、0.4较大，水膏比0.25因水太小无法成型，
2、因水膏比小，初凝时间非常短，多次反复试验选择调凝剂、调晶剂、分散剂、粘结剂等后方可满足工艺要求。
由上表可知，水膏比0.3时干法石膏砌块2h抗折、抗压及软化系数最高，但表观密度也是最高，需加入适当的轻质材料进行填充才可降低其表观密度。
小结：
1、干法石膏在水膏比0.3左右各项指标最好，远高于水膏比0.7.
2、干法石膏水膏比0.3的密度最大，超过标准要求；
3、干法石膏水膏比0.3的软化系数最佳，远大于水膏比0.7；
结论：
①干法石膏水膏比在0.3左右通过添加调凝剂、调晶剂、分散剂、粘结剂等助剂的协同作用，通过外力是可以成型石膏硬化体，且力学性能与防水性能大大提高。
②扫描电镜其晶体结构形貌，水膏比0.3时晶体排列致密，粗状。
10000倍电镜SEM照片
干法石膏空心砌块中试及成果
1、构思、设计、制造：
石膏砌块单模腔（666*500*150mm）立式试验平台；
主要包括：
成型、搅拌、计量、配料，分料等。
2、选择各种助剂：
调凝剂、调晶剂、分散剂、粘结剂、玻璃纤维、膨胀珍珠岩等：
a）选择庐江锦龙新型建材有限公司建筑磷石膏粉、普通自来水；
b）以水膏比0.3为基点，向上、向下调整水膏比；
c）磷石膏粉加料量从10kg开始，延增至25-30kg，经过数百次试验，得出各项测试数据如下：
干法石膏砌块各阶段测试记录（样块666*500*150mm）
水膏比
磷石膏粉%
水%
玻璃
纤维%
分散剂%
调晶剂%
粘结剂%
缓凝剂%
抗折（MPa）
抗压（MPa）
软化
系数
0.25
98.89
25
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
3.02
7.27
0.69
0.26
98.89
26
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
3.12
7.52
0.71
0.27
98.89
27
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
3.23
7.78
0.73
0.28
98.89
28
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
3.34
8.05
0.75
0.29
98.89
29
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
3.46
8.33
0.77
0.30
98.89
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
3.58
8.62
0.79
0.31
98.89
31
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
3.37
8.11
0.75
0.32
98.89
32
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
3.17
7.64
0.72
0.33
98.89
33
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
2.99
7.19
0.68
0.34
98.89
34
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
2.81
6.77
0.65
0.35
98.89
35
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
2.65
6.37
0.62
0.30
99.14
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.25
3.15
7.57
0.64
0.30
99.09
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.3
3.23
7.78
0.69
0.30
99.04
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.35
3.32
7.99
0.72
0.30
98.99
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.4
3.40
8.19
0.73
0.30
98.94
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.45
3.49
8.40
0.78
0.30
98.89
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
3.58
8.62
0.79
0.30
98.84
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.55
3.41
8.21
0.76
0.30
98.29
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.6
3.25
7.82
0.69
0.30
98.04
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.65
3.09
7.45
0.67
0.30
98.89
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.7
2.95
7.09
0.65
0.30
98.885
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.75
2.81
6.76
0.63
0.30
98.88
30
0.5
0.025
0.010
0.05
0.5
2.89
6.95
0.68
0.30
98.9
30
0.5
0.025
0.015
0.05
0.5
3.02
7.26
0.73
0.30
98.85
30
0.5
0.025
0.020
0.05
0.5
3.15
7.58
0.76
0.30
98.8
30
0.5
0.025
0.025
0.05
0.5
3.28
7.91
0.78
0.30
98.75
30
0.5
0.025
0.030
0.05
0.5
3.43
8.26
0.78
0.30
98.7
30
0.5
0.025
0.035
0.05
0.5
3.58
8.62
0.79
0.30
98.6
30
0.5
0.025
0.040
0.05
0.5
3.29
7.92
0.75
0.30
98.55
30
0.5
0.025
0.045
0.05
0.5
3.02
7.28
0.72
0.30
98.7
30
0.5
0.025
0.055
0.05
0.5
2.78
6.69
0.67
0.30
98.55
30
0.5
0.025
0.060
0.05
0.5
2.55
6.14
0.64
0.30
98.55
30
0.5
0.025
0.065
0.05
0.5
2.34
5.65
0.62
由上表可知，水膏比0.3其物理力学性能最高。
电镜对比（SEM）对比
浇注法磷石膏砌块2000倍干法磷石膏砌块5000倍
干法石膏砌块（水膏比0.3）与浇注法石膏砌块（水膏比0.8）
从扫描电镜上看：
干法石膏砌块晶体结构粗短、排列致密，晶体大小不等。
浇注法石膏砌块晶体结构细长，且端头细小，毛糙空隙大，水化均匀；
中试小结：
1、通过中试，原设计的工艺流程和技术配方是可行的，完全可以实现干法石膏砌块工业化生产；
2、干法石膏对环境温度、粉体温度、水温、大气温度敏感性很强，要总结其规律；
3、不同石膏粉体、不同粒径分布石膏粉其水膏比皆不一致；
4、助剂添加量的选择至关重要，否则会产生开裂、表面结粉、水化不均匀等现象；
5、成型设备的系统协调工况非常重要，一定要满足石膏初、终凝时间要求，外力大小和速度要符合石膏粉体水化均匀要求。
干法石膏空心砌块工业化生产
干法石膏砌块照片
干法石膏砌块照片1干法石膏砌块照片2
砌块一般规格为：
厚80、100、120、150、180、200mm，长500、600、666mm，高度：
235、245、255mm。
规格也可依据用户要求设计。
半干法与浇注法石膏砌块指标对比
项目
半干法
浇注法
国标
欧标
1
原料
建筑石膏β
1.8-2.5mpa
＞1.8mpa
2
水膏比
28-34
60-90
3
抗压强度mpa
10-25
3-5
4
抗折强度KN
8-12
2-4
≧2.0
1.7-4.0
5
自然干燥时间
1d-3d
20d-30d
含水率＜8%
含水率6-8%
6
表观密度
空心800-100
实心110-1400
空心≦800
实心≦1000
空心≦800
实心≦1100
≦1500
7
软化系数
＞0.8
≦0.6
＞0.6
半干法石膏砌块工业化生产的试产成功，颠覆了传统的浇注法生产工艺，表现了其众多优点：
1、水膏比在0.3左右，远低于浇注法，砌块成型后1-2天即可出厂，无需干燥，节约大量堆场；
2、砌块成型速度快，浇注法8-10min，半干法仅需5-6分钟，效率高；
3、砌块的各项性能：
抗折、抗压、软化系数、隔音、硬度、吸水率优于浇注法；
4、上榫口不用刮槽，压制成型，无废料产生；
5、无需烘干，节能；
6、由于其某些性能已达到a石膏的水平，可代替部分a石膏制品；
7、生产过程无灰尘，环保；
8、生产工艺流程简单，节省投资；
9、由于其力学性能大大提高，而某些杂质含量高的工业副产石膏（如磷、钛等）经煅烧可提高其使用量。
.半干法石膏制品的发展与展望
由于考虑其生产工艺的流动性，a和β石膏制品（板、块、条、模型等）均用浇注法，强度低（抗折、抗压）硬度低，相关指标（防潮性、吸水率等）均低，制约了其应用领域和发展空间，而β石膏采用半干法生产后，其各项性能均达到或接近a浇注法，且成本低，为β石膏拓展了新的发展空间。
如近期发现，半干法石膏制品技术可于如下领域应用：
1、各类标砖240×115×53，其抗压强度要求＞15mpa，而半干法石膏砌块的抗压强度远大于15mpa，密度又低，且成型后无需煅烧与蒸氧，生产工艺流程简单；
2、各类空心砌块390×190×190，抗压强度远大于标准要求，密度小，且成型后无需煅烧与蒸氧，生产工艺流程简单；
3、抗静电地板芯材等：
半干法β石膏力学性能基本达到a石膏的水平，经过改性可代替铝基、钢基、复合基等做抗静电地板及其它高强板材，且价格低廉；
4、组合式条板：
现在条板规格（宽600，长2800-3000，厚900、1200、2000），大多为模具成型（组合式，七块），也有平铺式，由于板长，运输和垂直吊运、安装方便；
5、防火板：
石膏的二水占20.0%，是很好的无机防火材料；
6、纸面石膏板：
现有纸面石膏板生产全部采用浇注法，水膏比0.65-0.7，如采用半干法生产，水膏比按0.3计算，有0.35-0.4的水无需烘干，如按年产5000万平米纸面石膏板计算，可省煤36万吨，，费用1.8亿元，省电1600万度，可大幅度降低纸面石膏板生产线烘干设备投资。
.半干法石膏制品的技术进步
技术的进步是永恒的，半干法石膏制品虽已突破了浇注法胶体流动、水化、硬化机理，无“标准稠度”需水量的概念，但形成半干法的技术机理应予总结，形成规律，指导生产；
①不同β石膏最佳水膏比与其强度、抗折、防潮、吸水率、密度、干缩值、防水、保温、隔音等规律关系；
②不同β石膏最佳水膏比与其设备的规律关系；
③不同β石膏最佳水膏比与各助剂（调凝、调晶、分散等）规律关系；
④不同β石膏最佳水膏比的规律定量和实验方法；
⑸选择调整密度的最佳规律和助剂。
.投资概况
以年产100万平米石膏砌块（10mm计），半干法和浇注法主要投资成本对比：
一、浇注法：
（露天晾晒）
1、土地：
80亩（53360㎡），每亩地平均20万，1600万元；
2、土地硬化与道路：
200元/㎡*53360＝1067.2万元；
3、成品厂房或简易防雨措施：
200万元；
4、土地购置税（年）
5、围墙：
1300m，120元/m*1300＝15.6万元；
6、成型设备费：
300万元（建筑石膏粉外购）；
7、附属设备：
储料罐、输送设备、运输设备：
150万元；
8、附属设施：
配电、供水、通讯、试验室等：
50万元；
9、不可预见费：
50万元；
10、合计：
3432.8万元。
二、半干法：
1、土地：
15亩（10005㎡），每亩地平均20万，300万元；
2、土地硬化与道路：
200元/㎡*10005＝200万元；
3、成品厂房：
150万元；
4、土地购置税（年）
5、围墙：
500m，120元/m*500＝6万元；
6、成型设备费：
400万元（建筑石膏粉外购）；
7、附属设备：
储料罐、输送设备、运输设备：
150万元；
8、附属设施：
配电、供水、通讯、试验室等：
50万元；
9、不可预见费：
50万元；
10、合计：
1306万元。
四、结束语
半干法石膏砌块的工业化生产终于试产成功，技术进步是永恒的，我们一定会在其基础上，不断进取，不断提高。
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