輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的工藝優(yōu)化

肖俊華， 賴德明， 李衍春， 海凌超， 趙 斌

(廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院， 廣東 順德 528300)

0 引言

在我國能源消耗結(jié)構(gòu)中，建筑能耗約占全社會(huì)能源總消耗比例的30%[1]，建筑節(jié)能已迫在眉睫.中國建筑材料聯(lián)合會(huì)在《建材工業(yè)“十三五”發(fā)展指導(dǎo)意見》中就曾指出：重點(diǎn)發(fā)展應(yīng)用于復(fù)合夾芯墻板的超輕質(zhì)泡沫混凝土，加快發(fā)展輕質(zhì)高強(qiáng)保溫的建筑用各種板材，引導(dǎo)發(fā)展利廢節(jié)能的輕質(zhì)內(nèi)隔墻板[2].通過發(fā)泡法制備的鎂水泥隔墻板，由于內(nèi)部含有大量密閉氣孔，使得隔墻板具有較高的保溫性能，研究結(jié)果表明，每一噸保溫材料的使用可每年節(jié)約煤炭約3～7噸[3].多孔的輕質(zhì)鎂水泥隔墻板還能使建筑物的自重降低約25%[4]，從而提高構(gòu)件的承載能力.建筑物自重降低的同時(shí)，結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)費(fèi)用也隨之減少，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場前景.

Wang F等[5]用骨蛋白水解物作為發(fā)泡劑通過物理發(fā)泡法制備了輕質(zhì)鎂水泥泡沫板，發(fā)現(xiàn)鎂水泥泡沫板具有優(yōu)異的保溫隔熱性能，但是力學(xué)強(qiáng)度較低，無法將其用作墻體材料使用，而且需要使用發(fā)泡機(jī)械預(yù)先制備氣泡，氣泡的穩(wěn)定性和均勻性較差.輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的力學(xué)強(qiáng)度主要取決于膠凝材料的組成、發(fā)泡劑的類型和添加量等[6,7].通過控制水灰比和發(fā)泡劑添加量，可以控制鎂水泥的強(qiáng)度和凝固時(shí)間.穩(wěn)定劑的主要功能則是穩(wěn)定氣泡，以免氣泡破滅或者逸出.增稠劑可顯著提高漿料的稠度，提高材料的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，并減小孔徑.這些添加劑可以使制備出的輕質(zhì)鎂水泥隔墻板性能更加優(yōu)異.

本研究采用化學(xué)發(fā)泡法，通過改變水灰比、發(fā)泡劑添加量、穩(wěn)定劑添加量、增稠劑添加量來調(diào)節(jié)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的體積密度和力學(xué)強(qiáng)度，從而獲得簡單制備高強(qiáng)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的最佳工藝，為化學(xué)發(fā)泡輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支持.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

輕燒氧化鎂(MgO)，工業(yè)級(jí)，遼寧省發(fā)達(dá)礦業(yè)有限公司；六水氯化鎂(MgCl2·6H2O)和七水硫酸鎂(MgSO4·7H2O)，工業(yè)級(jí)，山東裕豐化工有限公司；雙氧水，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；二氧化錳，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硬脂酸鈣，化學(xué)純，溫州市化學(xué)用料廠；聚丙烯酰胺，陰離子型，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

1.2 試驗(yàn)儀器

數(shù)顯直流無級(jí)調(diào)速攪拌器，SXJQ-1，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；精密推臺(tái)鋸，MJ-90，沈陽新宇木工機(jī)械廠；恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DZF-300，北京恒豐場偉科技有限公司；電子天平，DJ-3002型，福州華志科學(xué)儀器有限公司；微機(jī)控制萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，MWW-100，濟(jì)南耐而試驗(yàn)機(jī)有限公司.

1.3 輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的制備

以水灰比(拌和時(shí)鹽水用量與氧化鎂粉質(zhì)量之比)、發(fā)泡劑(雙氧水)添加量、穩(wěn)定劑(硬脂酸鈣)和增稠劑(聚丙烯酰胺)的添加量作為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)四因素三水平的L9(34)正交試驗(yàn)，如表1所示.將六水氯化鎂、七水硫酸鎂和水按照1∶0.5∶1.3的質(zhì)量比配成鹽水備用，氧化鎂粉與硬脂酸鈣混合均勻后加入鹽水并攪拌均勻，再加入二氧化錳和聚丙烯酰胺攪拌5 min后，迅速加入雙氧水發(fā)泡劑，高速攪拌10 s即制得發(fā)泡膠料；將制得的發(fā)泡膠料倒入模具中，并將模具置于恒溫恒濕箱中(溫度25 ℃，相對(duì)濕度大于60%)進(jìn)行靜停發(fā)泡，24 h后脫模取出，再在室溫下養(yǎng)護(hù)7天即制得輕質(zhì)鎂水泥隔墻板.然后在85 ℃左右干燥箱中干燥至恒重再進(jìn)行性能測試.以體積密度、壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度作為考核指標(biāo)，優(yōu)選出制備輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的較佳制備工藝.其中所有涉及的百分比均是相對(duì)于鎂水泥膠料的質(zhì)量百分比.

表1 正交試驗(yàn)因素水平

1.4 性能測試或表征

(1)體積密度：制備40 mm×40 mm×40 mm試件，按照GB/T 11969-2008標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行，每組試樣測試5個(gè)，取平均值.

(2)壓縮強(qiáng)度：制備尺寸為40 mm×40 mm×40 mm的試件，按照GB/T 5486-2008標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行，每組試樣測試5個(gè)，取平均值.

(3)彎曲強(qiáng)度：制備尺寸為160 mm×40 mm×40 mm的試件，按照GB/T 5486-2008標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行，每組試樣測試5個(gè)，取平均值.

2 結(jié)果與討論

檢測了各組輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的體積密度、壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，具體試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.1 輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的體積密度

體積密度是輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的重要物性指標(biāo)，體積密度的大小直接影響到隔墻板的物理力學(xué)性能.為研究各因素對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板體積密度的影響程度，根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果如表3所示.

表3 各因素對(duì)體積密度影響的顯著性分析

由表3可知，各因素的F比均小于F0.05，說明各因素對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的體積密度影響均不顯著，其中四個(gè)因素中按影響程度由大到小依次為：發(fā)泡劑添加量、水灰比、增稠劑添加量、穩(wěn)定劑添加量，即BADC.因此，可以通過控制發(fā)泡劑添加量的大小控制輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的體積密度.

圖1是各因素水平對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板體積密度影響的效應(yīng)曲線.從圖1可以看出，水灰比從1.35增大到1.45時(shí)，體積密度逐漸下降，主要是因?yàn)樗冶仍龃螅z凝材料的粘稠度降低，對(duì)發(fā)泡產(chǎn)生的氣泡阻力變小[8]，導(dǎo)致氣泡變大而體積密度增大.發(fā)泡劑添加量從7‰增大到9‰，體積密度顯著降低，是因?yàn)榘l(fā)泡劑添加量會(huì)影響氣泡的內(nèi)動(dòng)力大小，發(fā)泡劑添加量的增加，使氣泡核增加，導(dǎo)致分解產(chǎn)生的氣泡增多，從而氣泡所產(chǎn)生的內(nèi)動(dòng)力就逐漸增大[9]，宏觀上表現(xiàn)為鎂水泥的氣孔增大，體積密度降低.穩(wěn)定劑可降低氣泡表面的表面張力，有效提高氣泡的穩(wěn)定性[10,11]，而增稠劑對(duì)體積密度的作用與穩(wěn)定劑類似，增大了漿體稠度，使氣泡不易破滅或者從漿體溢出，添加量的增大也會(huì)造成輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的體積密度減小.體積密度的降低減少了相同體積保溫板中的基體物質(zhì)，必然會(huì)影響其力學(xué)強(qiáng)度，因此，為強(qiáng)度考慮，本研究選擇體積密度較大的配比組合：B1A1D1C1.

圖1 各因素對(duì)體積密度影響的效應(yīng)曲線

2.2 輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的壓縮強(qiáng)度

輕質(zhì)鎂水泥隔墻板作為潛在的保溫墻體，在應(yīng)用時(shí)承壓性能是最重要的一項(xiàng)考究指標(biāo)，表4為各因素對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板壓縮強(qiáng)度影響的顯著性分析.

表4 各因素對(duì)壓縮強(qiáng)度影響的顯著性分析

由表4可知，各因素的F比均小于F0.05，說明各因素對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的壓縮強(qiáng)度影響均不顯著，其中FB>FA>FD>FC，說明發(fā)泡劑添加量對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響最為明顯，而且影響因素由大到小排序依次為：發(fā)泡劑添加量、水灰比、穩(wěn)定劑添加量、增稠劑添加量，即BADC.

圖2是各因素水平對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板壓縮強(qiáng)度影響的效應(yīng)曲線.從圖2可以看出，隨著水灰比和發(fā)泡劑添加量增大，輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的壓縮強(qiáng)度下降，其中發(fā)泡劑添加量變化對(duì)壓縮強(qiáng)度的降低明顯要高于水灰比.水灰比增大時(shí)，漿體流動(dòng)度增加，對(duì)氣泡長大的阻力下降，氣泡孔徑會(huì)隨之變大.發(fā)泡劑添加量增加同樣會(huì)導(dǎo)致保溫板的氣孔直徑增大，研究表明無機(jī)發(fā)泡材料的孔徑每增大1 mm，則強(qiáng)度減小25%～30%[12].硬脂酸鈣穩(wěn)定劑具有穩(wěn)定氣泡的能力，可以減少內(nèi)部氣泡的不均勻分布、不規(guī)則和并泡等缺陷[13]，從而提高機(jī)械強(qiáng)度.然而，硬脂酸鈣也會(huì)在漿料中形成疏水膜，過量添加硬脂酸鈣會(huì)阻礙鹽水與氧化鎂顆粒的接觸[14,15]，不利于漿體的水化，導(dǎo)致試樣的機(jī)械強(qiáng)度降低.因此，穩(wěn)定劑添加量增加，壓縮強(qiáng)度先增大后減小.聚丙烯酰胺增稠劑添加量增大，壓縮強(qiáng)度則是先減小后增大.聚丙烯酰胺分子上的酰胺基水解轉(zhuǎn)化為羧基，同漿體中的Mg2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定的絡(luò)合物[16,17]，從而增大了材料的粘結(jié)力和整體性.綜上所述，得到輕質(zhì)鎂水泥隔墻板壓縮強(qiáng)度高的最佳配比組合為B1A1D3C2.

圖2 各因素對(duì)壓縮強(qiáng)度影響的效應(yīng)曲線

2.3 輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的彎曲強(qiáng)度

彎曲強(qiáng)度是指材料在彎曲負(fù)荷作用下破裂或達(dá)到規(guī)定彎矩時(shí)能承受的最大應(yīng)力，它反映了材料抗彎曲的能力，是材料力學(xué)性能的重要指標(biāo).表5為各因素對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板彎曲強(qiáng)度影響的顯著性分析.

表5 各因素對(duì)彎曲強(qiáng)度影響的顯著性分析

由表5可知，各因素的F比均小于F0.05，說明各因素對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的彎曲強(qiáng)度影響均不顯著，但是發(fā)泡劑添加量的F比明顯高于其他三個(gè)因素，說明對(duì)于輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的彎曲強(qiáng)度來說，發(fā)泡劑添加量影響最為明顯，影響因素由大到小排序依次為：發(fā)泡劑添加量、水灰比、穩(wěn)定劑添加量、增稠劑添加量，即BADC.

圖3是各因素水平對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板彎曲強(qiáng)度影響的效應(yīng)曲線.從圖3可以看出，水灰比和發(fā)泡劑添加量的增加對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板彎曲強(qiáng)度的影響與壓縮強(qiáng)度相同，由于基體物質(zhì)的減小和氣孔尺寸的增大使得彎曲強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的降低.穩(wěn)定劑添加量和增稠劑添加量的增加對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響甚微，穩(wěn)定劑添加量從7‰增大到8‰時(shí)，彎曲強(qiáng)度僅增大了0.02 MPa，從8‰增大到9‰時(shí)，彎曲強(qiáng)度沒有變化，增稠劑添加量從1.3‰增大到1.5‰時(shí)，彎曲強(qiáng)度也僅增加了0.05 MPa.因此，為制得彎曲強(qiáng)度較高的輕質(zhì)鎂水泥隔墻板，本研究選擇B1A1D3C2較為適宜.

圖3 各因素對(duì)彎曲強(qiáng)度影響的效應(yīng)曲線

綜合以上結(jié)果，通過綜合平衡分析法(次服從主，少服從多)，本研究確定制備輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的最佳工藝配比為：A1B1C2D3，即水灰比為1.35，發(fā)泡劑添加量為7‰，穩(wěn)定劑添加量為7‰，增稠劑添加量為1.5‰.

2.4 最佳工藝驗(yàn)證試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)正交試驗(yàn)結(jié)果，采用上述最佳制備配比進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，制備了5組輕質(zhì)鎂水泥隔墻板，測試其體積密度平均值為0.60 g/cm3，壓縮強(qiáng)度平均值為9.86 MPa，彎曲強(qiáng)度平均值為2.65 MPa，與正交試驗(yàn)結(jié)果一致.

3 結(jié)論

(1)對(duì)輕質(zhì)鎂水泥隔墻板體積密度、壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度影響大小依次為：發(fā)泡劑添加量、水灰比、穩(wěn)定劑添加量、增稠劑添加量.

(2)制備高強(qiáng)的輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的最佳工藝配比為：水灰比1.35，發(fā)泡劑添加量7‰，穩(wěn)定劑添加量7‰，增稠劑添加量1.5‰.

(3)最佳工藝驗(yàn)證試驗(yàn)得到輕質(zhì)鎂水泥隔墻板的體積密度為0.60 g/cm3，壓縮強(qiáng)度平均值為9.86 MPa，彎曲強(qiáng)度平均值為2.65 MPa.