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奥格斯堡-弗赖堡:抹灰石膏的市场发展与技术进展

奥格斯堡对沃尔夫斯堡比赛结果 www.obl3.com 抹灰石膏的市场发展与技术进展

摘要本文论述了抹灰石膏这种古老的建筑材料在国内外应用的历史及市场发展情况,介绍了抹灰石膏在煅烧石膏的陈化、新型化学外加剂及机械化施工方面的最新技术进展。分析了与水泥抹灰相比抹灰石膏的优点,展望了抹灰石膏在室内家装市场的应用前景。

1. 抹灰石膏应用的历史

石膏是一种世界上最古老的建筑材料之一,直到现在石膏仍然是一种最常用的建筑材料。据欧洲石膏组织(Euro Gypsum Organization)的相关资料报道[1],抹灰石膏的最早应用可以追溯到距今1万年1千以前,如考古学家发现,在公元前9000年左右,位于土耳其中部的加泰土丘休于古城(Catal Huyuk) 的远古居民就已经开始采用抹灰石膏作为装饰壁画的基底[1]。公元前7000年左右的以色列人就开始采用石膏作为一种地面找平材料[1]。公元前3000年左右的埃及人在修建金字塔的过程中就开始采用石膏抹灰材料对石料进行修补、填缝、砌筑、抹灰及地面找平等应用[1,2,3]。公元前700年希腊人将石膏材料广泛应用于雕塑、各种艺术品及建筑中,很明显希腊人利用石膏胶凝性能的技术源于埃及,在实际应用中希腊人还发现与石灰石相比,石膏抹灰摸上去更温暖而且更容易溶解[2]。

古罗马作家Pliniusthe Elder在他的《自然史》中提到,罗马人从希腊人及古巴比伦人那学习到了石膏的技术[3]。当时罗马人不仅已认识到石膏抹灰与石灰抹灰的区别,而且还首次认识到石膏材料只能用于室内非结构承重部位,如他们将石膏用于庞贝古城建筑的内墙抹灰;在实际抹灰中罗马人还开发了多层石膏抹灰工艺,而且从底到面的抹灰石膏中的砂子数量及砂子颗粒尺寸逐次减少,这无疑对于提高抹灰石膏的抗裂性有重要意义。关于石膏的应用技术古罗马人Vitruvius在他的《建筑十书》(公元前80- 70)中已有简要论述。后来罗马人通过对欧洲的征服战争将他们的石膏技术带到了中欧与北欧,现在人们通过对罗马人统治时代一些欧洲建筑物的考察发现,当时罗马人已知道在石膏抹灰中掺加麦杆与马毛进行增强。

随着西罗马帝国在公元476年的灭亡,石膏技术似乎一下子失传了,因而人们对中世纪石膏抹灰的应用知之甚少。中世纪早期德国哈茨山脉(Harz)地区的人们采用不可溶硬石膏进行城墙及建筑物内墙的抹灰,公元9-13世纪的一些修道院、教堂及宫殿建筑中都有石膏抹灰的应用,到文艺复兴时代石膏抹灰更多用于艺术品创造。到15世纪末随着城镇的扩建,石膏技术好像又复活了,到17-18世纪的巴洛克及洛可可时期,石膏抹灰在宫殿及教堂的内墙应用已非常流行,由于熟练的石膏抹灰工匠较为缺乏,在德国及意利甚至出现一些专门培训石膏抹灰工匠的学校。欧洲人在多次的大火灾中开始认识到了石膏抹灰的防火性能,1667年英国国王路易十四颁布法令,要求所有的木结构建筑内外墙都要进行石膏抹灰,以达到提高木结构房屋防火的目的。

我国的石膏技术运用较晚[4],最早可追溯到2000多年前的秦汉时期,石膏用于古万里长城的砌筑中,但技术水平较低,目前基本已完全风化。在长沙马王堆汉墓的建造中,也发现了石膏运用在砌筑灰浆中,但同样存在技术水平较低的问题。

2. 抹灰石膏的市场发展

尽管抹灰石膏有非常久远的应用历史,但由于缺乏科学的煅烧装备及工艺、也没有现代的加外剂技术及配方技术,古代的煅烧石膏及用煅烧石膏与砂子现场配的抹灰石膏的品质及稳定性也不会得到较好的保证。

上世纪50年代末,随着德国干混砂浆的快速发展,德国可耐福集团开发了单层石膏基抹灰干混砂浆产品,上世纪60年代中期他们又发明了单层石膏抹灰砂浆喷涂机PFT-G5C及机喷用抹灰石膏产品MP75,并在随后开启了抹灰石膏机械化施工的革命,从此抹灰石膏的技术及市场发展进入了一个新的发展阶段[5]。在一些工业发达的国家,抹灰石膏的总用量已达到全部抹灰用量的50%以上,有的甚至达到70%,抹灰石膏的研究、生产、标准、装备及施工等已形成体系[6]。根据欧洲石膏协会的数据表明[7],现在欧洲有65 个抹灰石膏的供应商,每年有300-400m2的抹灰石膏应用到建筑的内墙及顶棚,其中仅德国的抹灰石膏就占到200m2。与欧洲的砖、石或混凝土实体墙不同,北美的建筑形式多采用柱板式房屋,因而他们会更多地选用石膏板而不是石膏抹灰砂浆,据统计,2005年美国生产了建筑石膏2600万吨,而绝大部分都被用来生产石膏板,其中仅1%用于生产抹灰石膏[3]。

我国抹灰石膏的研究与发展相对较晚,直到上世纪80年代初期相关科研院所才开始进行抹灰石膏的研究。如冶金部武汉冶金建筑研究所与湖北应城石膏制粉厂研制出了最早的石膏抹灰材料,并于198312月通过湖北省科委组织的鉴定[8];北京建筑材料科学研究院在19831989年,先后承担国家建材局“六五”攻关项目“粉刷石膏研究”、“七五”攻关项目“粉刷石膏系列产品开发”两个课题,被评为建设部科技成果推广项目,并获得北京市科委“新产品、新技术推广证书”及国家建材局科技进步三等奖[9];1990年初《石膏基粉刷材料成套技术》被列为建设部“八五”攻关重点项目,主要由重庆建筑大学、江苏建科院和山东建科院承担,重点研究了脱硫石膏、天然石膏和氟石膏制取粉刷石膏的工艺、配方、性能及施工工艺[7];随着相关技术问题的不断解决,抹灰石膏开始逐渐进入市场,北京建筑材料科学研究院于1995年开始立项,总投资数千万元,从国外引进了年产6万吨的双筒回转窑石膏煅烧生产线,该生产线采用法国OCI公司的设计,生产设备由西班牙MONTERDA公司提供,生产控制由计算机自动控制,并于2002年建成并正式投入使用[10]。

进入本世纪以来,由于抹灰石膏的研究、生产、应用技术已趋于完善,而且其性能优点也开始被施工人员接受,抹灰石膏在国内进入了较快速的发展。根据中国硅酸盐学会石膏专业委员会专家估计,2004年国内的抹灰石膏用量已达到100万吨[11]。泰山石膏2004年对国内粉刷石膏的情况进行过较详细的市场调研,当时大型全自动化粉刷石膏生产线在国内非常少,仅在北京、宁夏、新疆有几条,全国几百家企业中绝大多数企业的规模都较小,一般产量也就在两千吨左右,最小的产量仅几百吨,而且生产装备简陋,基本没有什么质量控制,产品质量也不太稳定,应用的地区主要在北京、天津、上海、新疆、河北、山东等地。

经过近10年的发展,国内抹灰石膏的用量已得到了非??焖俚卦龀?。根据中国砂浆网的统计[12],2012年抹灰石膏的用量已达到260万吨。近两三年随着机喷应用的快速发展,抹灰石膏的增长已经进入一个加速期。根据中国建筑材料联合会预拌砂浆分会的统计资料,2014年抹灰石膏的用量已达到350万吨[13]。如果对比我们与欧洲的抹灰石膏的绝对用量不难发现,我们抹灰石膏的绝对用量已远超过欧洲总用量,但通过我们对市场的了解及相关市场产品的测试与分析发现,国内抹灰石膏的品质与欧洲产品相比还存在一些差距。石膏原材料的稳定性一直是制约抹灰石膏性能充分发挥的一个主要障碍,而原材料的稳定又与石膏煅烧装备及煅烧工艺密切相关,要提高国内抹灰石膏的品质还需在装备与工艺上进行更多的研究与投入;另外由于我们在机喷方面才刚刚真正起步,而欧洲已发展了50-60年,在产品、施工工艺等方面已积累了大量的实际应用经验,显然未来在这方面我们要做的工作还不少。如果我们将石膏原材料的稳定性及机喷技术完全解决并掌握好了,未来抹灰石膏的市场将会有更大的发展。

3.抹灰石膏的技术进展

3.1原材料的陈化技术

目前市场上的绝大多数抹灰石膏都是采用由天然或脱硫石膏煅烧制备的以β半水石膏相为主的建筑石膏作为主要原材料,由于煅烧装备及煅烧工艺的特点,实际煅烧出来的建筑石膏中往往存在一定的过烧产物,即可溶性III型无水石膏。由于III型无水石膏在水蒸汽或水作用下会快速转化为半水石膏,通常煅烧出来的建筑石膏在经过一段时间自然陈化后,建筑石膏中的III型无水石膏会吸收空气中的水蒸汽而逐渐自然转变为β半水石膏,进而建筑石膏的需水量也会相应地逐渐降低、凝结时间和抗压强度也会逐渐有所延长和增长,最后建筑石膏的性能不仅趋于稳定而且也趋于优化。国内一些抹灰石膏的生产企业在实际的生产与研究中也发现了陈化对抹灰石膏性能的影响[14-16],他们都提出煅烧后的石膏必须经过有效陈化将III无水石膏的量降低到可控范围后才能保证抹灰石膏的品质及性能稳定。

事实上,关于石膏的陈化问题不仅是我们存在,欧美发达国家在煅烧石膏时也存在同样的问题。尤其是为了提高生产效率并实现节能,快速沸腾闪烧及粉磨煅烧一体化的煅烧方式在欧美已越来越普遍,采用这种快速煅烧的一个主要问题就是煅烧石膏中存在较多的过烧III型无水石膏;另外由于抹灰石膏的包装、储存及运输装备的发展与进步,煅烧好的建筑石膏实际上多数情况下存放在大包或筒仓内,在这种相对密闭的条件下,煅烧好的石膏基本上很难得到充分陈化,进而石膏的品质也得不到较好的保证。针对这个问题,德国石膏煅烧装备供应商Claudius Peter公司在几年前推出一种加速石膏陈化的装置,如图1,并在保加利亚AD公司的石膏煅烧生产线上进行了安装与测试评估[17]。

陈化装置的基本工艺是将刚烧好的石膏通过气流导入到一个圆柱形陈化筒内,陈化器需要的湿度由煅烧石膏的相组成确定,带有一定湿度的热空气(155℃左右)由Peter磨的尾气提供到均化器内,煅烧好的石膏粉在有湿度的热空气作用下形成悬浮状态,并可以充分与空气中的水汽反应,这种条件下过烧的III无水石膏可以快速转化为半水石膏,而半水石膏变化不大,而欠烧的二水石膏也会在高温下转变为半水石膏,进而达到加速陈化的目的。煅烧好的石膏在陈化前及经过陈化器强制陈化后的性能统计值。

实验结果表明,煅烧好的石膏经过陈化器强制陈化后,石膏粉中的III 型无水石膏吸收水汽转变为半水石膏, III型无水石膏的含量已从5-10%降低1%左右;而且由于III无水石膏转化为半水石膏首先发生在无水石膏的裂隙内部,进而使石膏粉的BET比表面积降低22-42%,石膏的相组成及比表面积的改变最终导致经过陈化后的石膏需水降低及强度的大幅提高。

其实关于石膏加速陈化的技术一直都在不断地发展中,也一直是石膏研究与应用的一个重要话题。我们能了解到的最早的建筑石膏强制陈化技术的专利是由美国人Harry EsmondBroookby192038日提出申请,并于192138日获得权的[18],他的思路是在煅烧石膏中引入1%左右的易吸潮的氯化物,以加快煅烧石膏的吸潮与陈化;随后1926104日美国人Samuel G. Mcanally申请一项加速石膏陈化的发明专利,并于19295月份取得授权,他的思路更简单有效,只接向刚煅烧好的石膏中引入1.2%~1.5%的水或水蒸汽,并同时搅拌煅烧石膏与水或水蒸汽5-6分钟,即可实现煅烧石膏的陈化[19];美国石膏公司的Frank L. Marsh19391031日也获得一项关于石膏加速陈化的专利,其原理也是用大量的温度略低于42℃、湿度为60%的湿空气处理刚煅烧好的石膏,使III型无水石膏转化为半水石膏[20];因为在常温下加水或水蒸汽强制陈化石膏时,除了III无水石膏转化为半水石膏外,如果工艺条件不合适时,半水石膏也会转变为二水石膏,显然二水石膏含量较高也不利于抹灰石膏的性能,如凝结时间大幅缩短,需要更多的缓凝剂,而缓凝剂过多会让抹灰石膏的强度损失较大?;诖?,1968年美国石膏公司的William A.kinkade等又申请一项关于石膏陈化的专利,他们先向刚煅烧好的石膏中加入不超过3%的水,一方面使煅烧石膏降温,另一方面也使石膏进行了陈化,降温到82-100后再进行加热升温到100℃以上,这样就可以防止因引入水份过多而且温度低而产生较多的二水石膏[21]。两年后William A. Kinkade又将他1968年的专利进行了小的修改,前面加水将煅烧石膏降温到沸点以下82-100℃并加快III无水石膏陈化的步骤不变,只是后面干燥时在另一个低气压的仓内完成,为了快速让石膏粉中的游离水蒸发掉,除了升温,还可以采用微波加速水的逸出[22];美国石膏公司的Eugene E. O’neill1979年申请了一项可用于煅烧石膏连续陈化的圆筒形装置,这个装置底部有一个大的搅拌浆叶,转速可以达到100-500转,通过它可以将从圆筒上部进入的温度为150-180℃煅烧石膏搅拌成流动态,石膏进口处上方有一个加水装置,即石膏边进入陈化筒边搅拌成流态,并从另外一边的筒侧边略低于进料口高度的地方出料[23,24]。法国Larfage Platres公司的Jeorg Bold 2008年及2010年也申请了一项石膏陈化的工艺与装置[25,26],他们的陈化装置类似一个分段回转窑,回转窑外部下方有加热火头,以保证回转窑内部温度不低于100度,煅烧好的石膏进入回转窑的第一段,计算好量的水及水蒸汽加均匀地加入到石膏中,随转窑的自转,物料被窑壁的刮刀翻转并向窑的第二段运动,第二段只是加热脱去过多的自由水,最后从第二段进入料仓或冷却段。

总体而言,石膏的加速陈化对石膏的性能有重要的影响,欧美国家有关煅烧石膏的陈化工艺与陈化装置的技术发明已发展了近100年,但我们国家的石膏陈化基本绝大多数厂家都是靠自然陈化。自然陈化虽然也有一定效果,但随着将来抹灰石膏的普及、用量增大以及人们对抹灰石膏性能要求的提高,自然陈化显然并不能达到最优的效果,在国外已有研究与应用基础上开发出适合于我们煅烧石膏的陈化工艺与装置对于提升目前建筑石膏的品质有明显的意义。

3.2新型化学外加剂

除了稳定的石膏原材料外,配制性能优异的抹灰石膏还需要各种新型的化学外加剂,如缓凝剂、速凝剂、保水剂、增稠剂及憎水剂等。

通常的石膏缓凝剂是可溶性角质蛋白,这种材料可以用强碱(如氢氧化钠或氢氧化钙)水解动物的蹄子或角制备,这种制备工艺可以得到带羧基、氨基、磺基及酰胺基长链的大分子,Richard R. Kuntze博士的研究结果显示[3],如果这种官能团处于合适的位置,短分子链的可溶性角质蛋白的缓凝效率更高。

陶氏化学的A.Hecker, R.Baumann博士采用超声波测试凝结时间的方法,研究了酒石酸、苹果酸和多聚磷酸三种缓凝剂对抹灰石膏凝结时间的影响,他们认为酒石酸是缓凝效率最好的缓凝剂,但这种缓凝剂要发挥缓凝效率需要系统有碱性环境,在PH12时才能发挥最好的效率,基于此,欧洲很多抹灰石膏中都会掺入一定量的石灰以提高系统的缓凝性能;苹果酸的缓凝效率低于酒石酸,且掺苹果酸的抹灰石膏的初凝与终凝时间间隔较短,这种特性决定了苹果酸比较适合于手工抹灰;多聚磷酸盐也可以作为石膏缓凝剂,但它通常用于辅助的缓凝剂,其主要特点是延长终凝的时间,对于后续表面处理工序较多的特殊石膏抹灰,通过引入多聚磷酸盐是一个很好的选择。另外,他们在研究中还发现在抹灰石膏中引入一定量的速凝剂,如超细二水硫酸钙,与常规缓凝剂复合使用,抹灰石膏的凝结时间及其它性能的稳定性能会更好,所以虽然表面上看在抹灰石膏配方中引入速凝剂会增加缓凝剂的用量并进而增加成本,但从提高产品的稳定性,减少用户实际应用过程中的投诉方面考虑,这种技术手段还是很有意义的。Richard A. Kuntze博士在他的最新著作中也有相似的观点[3],他认为硫酸铝与石灰就是抹灰石膏的稳定剂,是抹灰石膏中的必要组份。其实这种复掺速凝剂的配方设计虽然对稳定性有好处,但速凝剂的掺量必须精确控制在一个范围内,这不仅要求产品研发设计人员对配方要精心设计,也要求生产装备能支持这种原料的精确计量,否则不仅不会提高稳定性,反而使体系性能更差更不稳定。

石膏基抹灰用的保水剂与水泥基干混砂浆产品通常所用的保水剂基本相同,通常都是各种羟乙基(羟丙基)甲基纤维素醚,合适粘度及改性度的纤维素醚产品对于保证石膏早期的保水性能及施工性能非常重要?;缒ɑ沂嘁蟊K龀聿纺茉诜浅6淌奔淠谌苡谒⒔⑵鸪矶?,但如果建立稠度时间过快,石膏粉料可能会因为来不及与水润湿而产生结团,并导致抹灰表面出现小的颗粒。陶氏化学的李建等针对这种情况近几年推出一种新型的纤维素醚产品[27],主要解决机喷抹灰砂浆中结团的问题。

由于抹灰石膏的水化产物二水石膏的溶解度与普通水泥的水化产物相比较大,因而石膏基材料的耐水性一直是人们所担心的问题,但随着化学外加剂技术的进步,石膏基材料的耐水性可以得到较大的提升。瓦克化学的Dr. Daniel Schildbach近几年针对石膏基材料开发出一种新型憎水剂Silres BS powder S[28,29],他们在抹灰石膏中掺入0.2%的新型Powder S后,按EN520进行吸水率测试的结果表明,抹灰石膏的吸水率从35%左右降低到4%左右,即吸水率减少了90%;掺有0.3%Powder S的抹灰石膏在室外经过一个秋冬季的曝晒后仍保持完好,而没有掺Powder S的样品表面已严重剥落;而且这种新型材料本身无VOC排放,在砂浆与水搅拌时也不会产生灰尘,也不影响施工性能,这种新型憎水产品可以使石膏基产品可用于室内的任何区域。

3.3机械喷涂技术

干混砂浆代替传统砂浆不仅改变了搅拌方式,提高了配合比的精确性,更重要的是通过配方技术可以实现更好的施工性能,并提高施工效率,抹灰石膏的机械化施工技术就是一个最明显的例证。由于石膏基抹灰比水泥基抹灰材料的湿密度更低,凝结时间更短,强度发展更快,所以石膏基抹灰产品更利于大面积机喷施工,提高施工效率。前文已介绍最早的抹灰石膏干混砂浆在上世纪50年代末由德国可耐福公司推出,到上纪世60年代中期抹灰石膏机喷设备及机喷抹灰石膏产品就进入了市场,经过50多年的发展,目前德国的建筑工地抹灰石膏的机械化喷涂几乎达到100%。

石膏抹灰的机械喷涂技术无疑可以降低环境污染、降低劳动力消耗、提高施工效率并提高施工质量,尽管机械化施工存在这么多的优点,但在我国抹灰石膏的机械化施工普及度仍较低,直到近两三年随着建筑工地的人工成本上涨的压力越来越大,石膏抹灰的机械化施工才有了较快速的发展,下面我们通过一个实际案例对比分析抹灰石膏机械喷涂施工与手工施工的人工成本差异。

20个工人进行一个6m2的内墙粉刷工程为例,机械化喷涂需要将工人分成四组,即每台喷涂机配5名工人进行石膏喷涂施工,每台设备每天的施工量为600m2,即每天可以完成2400m2的施工面积,完成6m2的施工只需要25天就能完成;而如果采用人工施工,目前熟练抹灰工每天平均能完成45 m2的石膏抹灰施工,20个工人每天可以完成900m2的施工面积,完成6m2的抹灰20个工人需要67天才能完成。即完成这项抹灰工程需要多给工人支付42天的人工工资,假定一线城市每个熟练抹灰工人的日平均工资是350元,则完成这个抹灰工程需多支出350×20×42=29.4万元。目前进口品牌的喷涂机价格一般约在7万元/台,四台设备也只需要28万元。所以说采用机械化喷涂技术,做完一个6m2的石膏喷涂抹灰施工就可以将增加设备的成本收回,后面的施工就可以直接节省更多的人工成本了。

基于以上分析,很多建筑施工单位都看到了石膏喷涂施工的经济效益与巨大商机,石膏的机械化喷涂施工在国内,尤其是在华东地区得到非??焖俚姆⒄?。据某喷涂设备供应商的估计,仅华东地区2013年的机喷抹灰石膏施工面积已达到150m2,2014年的施工面积约为250-300m2,绝对施工面积已超过德国的200m2/年。在机械化喷涂快速发展的同时,我们也必须看到目前也存在一些问题,除了材料、设备外,主要是施工人员的技术培训及施工组织与管理,由于欧洲的建筑工人都会受到专门机构充分的免费培训,他们可以通过机喷将抹灰效率提高到最大化,而我国由于机械化施工对于实际操作的农民工而言还是一个新事物,他们接受并掌握这种新技术与新工艺还需要时间,关键是不同操作环节间的配合与衔接,需要一个不断学习、磨合与熟练的过程。为了更好地规范抹灰石膏的机械化喷涂应用,近几年相关行业协会已经开展了一些标准的起草与施工的培训工作,如中国建材联合会石膏分会已于20146月开始起草《机喷抹灰石膏》的材料标准,201412月中国建材联合会砂浆分会与上海建科院也开始起草《机械抹灰石膏应用技术规程》的施工规范, 20159月石膏分会与同济大学联合组织了首届“石膏建材生产控制和机械施工技能培训”的生产与施工培训,随着这些工作的推进,未来抹灰石膏的机械化施工将会朝着更健康的方向发展。

4.抹灰石膏的发展前景

抹灰石膏作为一种最古老的建筑材料之一,已经历了上万年的应用与发展,这足已证明其顽强的生命力,尤其是近50-60年干混砂浆技术的快速发展,以及各种配方技术与施工技术的发展,抹灰石膏这种传统的建筑材料又迎来了一个最佳的发展时期。特别是随着抹灰石膏憎水技术的发展,抹灰石膏的耐水性能得到了一个较大的提升,抹灰石膏在室内装饰装修中将会得到最大范围的应用。

根据发达国家抹灰石膏的发展经验及石膏抹灰在室内抹灰中占的比例,抹灰石膏在国内仍有非常大的发展空间,未来抹灰石膏在室内抹灰中占的比例会越来越高。与传统的水泥抹灰相比,抹灰石膏有着非常明显的优势:

1)由于煅烧温度仅是水泥煅烧的十分之一左右,不仅生产能耗低,而且二氧化碳排放也少;

2)抹灰石膏凝结硬化快、施工周期短,可节省大量的时间成本;

3)收缩比水泥低一个数量级、开裂风险非常低,施工质量非常好;

4)密度轻、施工性能好且更适合于机械化施工;

5)室内使用过程中优异的热工性能、调湿性能、隔音及防火性能让室内居住的人感到更舒适、更安全。

如前文,2012年与2014年全国抹灰石膏的产量分别为260万吨与350万吨,即近两年石膏抹灰的年平均增长率为15.7%,在房地产行业发展放缓及一些传统建筑材料增速普遍减慢的大背景下,抹灰石膏确实有非常好的表现。根据抹灰石膏自身的特点、国外的发展规律、相关技术的进展及最近两年在国内市场的快速发展趋势,我们有理由相信未来抹灰石膏将会有更大的发展空间。