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石膏是一种应用历史悠久的材料，它与石灰、水泥并列为无机胶凝材料中的三大柱。并且石膏是一种多功能气硬性胶凝材料, 根据制作条件的不同, 可获得α型半水石膏或β型半水石膏。其制品的功能和性能均有明显差异，前者为规则的结晶体, 后者与原料原始结晶形态有关。半水石膏的结晶形态是影响其制品强度的关键因素。经大量实验证明，短柱状晶休的α型半水石膏能获得超高强石膏，因为它有极低的水膏比。在某些特定条件下, 人们希望有更高强度的石膏硬化体。一般认为半水石膏在抗压强度2MPa～50MPa时为高强的, 大于50MPa为超高强的。目前, α型半水石膏被广泛地应用于机械、船舶、汽车制造、建筑、建材、陶瓷和医学、齿科学等许多领域。
1 高强石膏材料研究现状
1.1 半水石膏的晶体结构
α半水石膏的化学组成虽然简单, 但其所属晶系尚未定论。研究者按所采用的方法 ( 如NM R、XRD、I R、DT A 等) 不同，提出了六方、三方、斜方和单斜晶系等不同看法。一般认为，α半水石膏属于三方晶系、层状结构。O.W.Florke 根据自已合成的、很大的半水石膏单晶的X 射线衍射结果, 认为当T 318 K 时, α半水石膏为斜方晶系, 只有当T318 K时才属于三方晶系。根据N.N.Vushuer 等人的最新研究结果, α半水石膏为六方晶系, 空间群为P6122。。虽然α半水石膏的精细结构还不十分清楚, 但从其错开的Ca2 SO42-离子层推导出, 失去3/4水分子的水分子层中形成了直径约为0.3nm 的沟道, 水分子可以从此沟道出入, 这是半水石膏容易水化的重要原因。
值得指出的是, 石膏是多相体, 其组成仍不清楚。α半水石膏与β半水石膏只是石膏脱水相一个系统中的2 个极端相, 二者在微观结构即原子排列的精细结构上没有本质的差别, 宏观性能差别较大的原因是由亚微观即晶粒形态、大小及分散度方面的差异决定的。α半水石膏水化速度慢、水化热低、需水量小、硬化体结构密实、强度高, β半水石膏则恰好相反。
1.2 半水石膏的形成机理
关于α半水石膏的形成机理尚无定论, 目前主要有3种观点, 多数学者认为在加热水蒸气压力下按溶解析晶机制形成。V.Statava 认为二水石膏转变为α半水石膏的初期, 按局部化学反应机理进行, 而后期则按溶解析晶机理进行。Й.A彼列捷尔则认为二水石膏先分解成无水硫酸钙和游离水, 当后来结合水分子时, 才生成粗大、密实的结晶α半水石膏。从近几年的研究成果看, 溶液法是主要方向, 增加二水石膏溶解度, 促进半水石膏晶体重新生成及晶形控制方面的研究有了一定的突破。
1.3 半水石膏生产工艺和方法
迄今为止, 国内外生产α半水石膏的方法主要有3 种, 一是加压水蒸气法, 二是加压水溶液法, 三是上述2 种方法联合制取。其它如陈化法、干闷法、液相蒸压法等均为上述工艺方法的改进或变异。这些方法在生产中均已得到应用, 理论研究亦比较成熟, 产品强度比较高。但从生产工艺来看, 都使用压力设备, 投资大, 工业化连续性生产受到限制, 成本较高、产品质量不稳定, 难以满足社会需求。
2 影响α-半水石膏性能的因素
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