石膏基保溫板的制備及性能研究

周 海，薛紹秀，張 文，胡 宏，晏 波

（甕福（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

石膏是一種氣硬性無機(jī)膠凝材料，主要成分為CaSO4，按照來源可分為天然石膏和工業(yè)副產(chǎn)石膏，天然石膏主要包括二水石膏和硬石膏，工業(yè)副產(chǎn)石膏有磷石膏、脫硫石膏等，天然石膏和工業(yè)副產(chǎn)石膏經(jīng)加工后均可用來生產(chǎn)建筑石膏［1-3］。全球每年排放磷石膏約1億t，其資源化利用成為一項(xiàng)技術(shù)難題［4］。隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)行，新型建筑材料的需求不斷增加。石膏材料與其他建筑材料相比，具有輕質(zhì)、微孔、凝結(jié)硬化快和導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)［5］，制備得到的石膏產(chǎn)品無毒、易加工，具有良好的保溫、隔熱和隔聲性能［6-7］。

磷石膏通過特殊工藝制成綠色建筑材料，可以解決磷石膏堆存問題，緩解環(huán)境壓力，節(jié)約資源［8-10］。目前國內(nèi)外很多學(xué)者從發(fā)泡劑種類、發(fā)泡方式、外加添加劑、磷石膏預(yù)處理等方面對石膏制建筑材料進(jìn)行了大量研究［11-15］。

筆者以α高強(qiáng)石膏為原料，采用物理發(fā)泡方法制備石膏基保溫板，探索發(fā)泡劑濃度、緩凝劑摻入量和水膏質(zhì)量比對石膏基保溫板干密度、流動(dòng)度、力學(xué)強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

α高強(qiáng)石膏，甕福（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，其基本性能見表1；緩凝劑，蛋白類石膏緩凝劑，河北申輝石膏緩凝劑有限責(zé)任公司；發(fā)泡劑，植物蛋白類發(fā)泡劑。

表1 α高強(qiáng)石膏基本性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

配制一定濃度的發(fā)泡劑，用發(fā)泡機(jī)發(fā)泡完全。稱取一定量的α高強(qiáng)石膏，按一定水膏質(zhì)量比和緩凝劑摻入量加入水、緩凝劑后，加入發(fā)泡劑并攪拌均勻，澆筑在40 mm × 40 mm × 160 mm模具內(nèi)，將試塊放入（40±2）℃恒溫干燥鼓風(fēng)箱內(nèi)干燥，烘干至恒定質(zhì)量，測定其干密度和力學(xué)性能。

1.3 石膏基保溫板性能表征

1） 流動(dòng)度測定 試模采用JC/T 985—2017中規(guī)定的內(nèi)徑（30 ± 0.1）mm、高（50 ± 0.1）mm 的金屬空心圓柱體，測試板采用300 mm×300 mm 的平板玻璃。將流動(dòng)度試模水平放置在測試板中央，測試板表面應(yīng)平整光潔、無水滴。將制備好的試樣灌滿流動(dòng)度試模后，刮去試模上口多余的料漿，在2 s內(nèi)垂直向上提升50～100 mm，保持10～15 s使試樣自由流動(dòng)。待流動(dòng)停止4 min后，測互相垂直2個(gè)方向的直徑，取其算術(shù)平均值作為測定值，精確至1 mm。

2） 干密度測定 每個(gè)樣品成型3個(gè)試塊，稱量試塊烘干后的質(zhì)量，按式（1）計(jì)算石膏基保溫板干密度：

式中m——試塊的質(zhì)量，kg；

V——試塊的體積，m3；

ρ——試塊的干密度，kg/m3。

3） 力學(xué)性能測定 將烘干后的試樣置于抗壓夾具內(nèi)，試樣的成型面與受壓面垂直，受壓面積為40.0 mm×40.0 mm，試樣中心與下臺板球軸中心對應(yīng)。試樣加載后30 s左右破壞，記錄破壞時(shí)的荷載F，抗壓強(qiáng)度p按式（2）計(jì)算：

式中p——抗壓強(qiáng)度，MPa；

F——破壞荷載，N；

S——橫截面積，mm2。

4） 導(dǎo)熱系數(shù)測定 采用IMDRY3001-X 雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測定石膏基保溫板導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 水膏質(zhì)量比對石膏基保溫板物理性能的影響

水膏質(zhì)量比是影響石膏基保溫板物理性能的重要因素之一，合適的水膏質(zhì)量比可以讓發(fā)泡劑與石膏更好地混合，增加體系的流動(dòng)性，提高石膏基保溫板的抗壓、抗折強(qiáng)度。固定發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比為1/250 g/mL、緩凝劑摻入量為0.01%，探索水膏質(zhì)量比為38%、40%、42%、44%、46%對石膏基保溫板物理性能的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 水膏質(zhì)量比對石膏基保溫板物理性能的影響

由圖1a.可知，隨著水膏質(zhì)量比增加，石膏基保溫板的干密度不斷減小，流動(dòng)度增加，導(dǎo)熱系數(shù)減小。這是因?yàn)殡S著用水量增大，體系中發(fā)泡劑泡沫消散快，當(dāng)水膏質(zhì)量比為46%時(shí)，試塊水含量高，干密度降低；隨著水膏質(zhì)量比增加，出現(xiàn)消泡現(xiàn)象，泡孔大，導(dǎo)致石膏基保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)減小。

由圖1b.可知，隨著水膏質(zhì)量比增加，在相同體積的試塊中，水含量增大，石膏含量減小，承載載荷的膠凝組分減少，導(dǎo)致抗壓能力減弱。隨著用水量增加，體系中泡沫穩(wěn)定性差，形成的氣泡大，導(dǎo)致石膏基保溫板中泡孔壁薄、泡孔大，出現(xiàn)裂孔，這些導(dǎo)致石膏基保溫板抗壓、抗折強(qiáng)度降低。在水膏質(zhì)量比為42%時(shí)，石膏基保溫板干密度在503 kg/m3，抗壓強(qiáng)度在2.1 MPa 左右，導(dǎo)熱系數(shù)為0.12 W/（m·K）。為了滿足工藝生產(chǎn)要求，選擇水膏質(zhì)量比為42%，此時(shí)石膏基保溫板具有一定的流動(dòng)性和較好的力學(xué)性能。

2.1.2 緩凝劑摻入量對石膏基保溫板物理性能的影響緩凝劑可以使石膏的凝結(jié)時(shí)間延長，增加石膏基保溫板的流動(dòng)度。固定發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比為1/250 g/mL、水膏質(zhì)量比為42%，探索緩凝劑摻入量對石膏基保溫板物理性能的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 緩凝劑摻入量對石膏基保溫板物理性能的影響

由圖2a.可知，隨著緩凝劑摻入量增加，石膏基保溫板干密度減小。當(dāng)緩凝劑摻入量高于0.025%時(shí)，石膏基保溫板流動(dòng)度增加量較大；當(dāng)緩凝劑摻入量大于0.055%時(shí)，流動(dòng)度增加的趨勢減弱。緩凝劑摻入量增加，凝結(jié)時(shí)間延長，泡沫在體系中消泡快，泡孔變大，干密度減小，導(dǎo)熱系數(shù)減小，但減小的趨勢較小。

由圖2b.可知，隨著緩凝劑摻入量增加，石膏基保溫板抗壓、抗折強(qiáng)度減小。在摻入量為0.025%時(shí)，石膏基保溫板干密度為503 kg/m3，流動(dòng)度為85 mm，抗壓強(qiáng)度為2.1 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.118 W/（m·K），所以選擇緩凝劑的摻入量為0.025%。

2.1.3 發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比對石膏基保溫板物理性能的影響

固定水膏質(zhì)量比為42%、緩凝劑摻入量為0.025%，探索發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比對石膏基保溫板物理性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比對石膏基保溫板物理性能的影響

由圖3a.可知，隨著發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比減小，石膏基保溫板干密度減小，流動(dòng)度增加，導(dǎo)熱系數(shù)減小。發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比是影響石膏基保溫板性能的重要因素，當(dāng)發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比降低，使用發(fā)泡機(jī)制備出的泡沫水含量增加，發(fā)泡效果差，泡沫穩(wěn)定性差，加入相同量發(fā)泡劑，烘干后得到的石膏基保溫板干密度小。導(dǎo)熱系數(shù)與干密度成正比，泡孔大，干密度小，導(dǎo)熱系數(shù)減小。發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比低，體系中水含量增加，其流動(dòng)度增加。

由圖3b.可知，隨著發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比降低，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度減小。發(fā)泡機(jī)制備出的泡沫水含量增加，在與石膏攪拌時(shí)，穩(wěn)定性差，出現(xiàn)消泡現(xiàn)象，得到的試塊泡孔大，氣孔壁薄，出現(xiàn)大量裂孔，還有輕微塌模現(xiàn)象，導(dǎo)致石膏基保溫板力學(xué)強(qiáng)度降低。從圖3 中可知，當(dāng)發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比小于1/250 g/mL時(shí)，石膏基保溫板干密度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度快速下降。在發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比為1/250 g/mL時(shí)，其抗壓強(qiáng)度在2 MPa左右，導(dǎo)熱系數(shù)為0.117 W/（m·K），還具有較好的流動(dòng)度，因此選擇發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比為1/250 g/mL。

但是雖然eFAST方案具有不錯(cuò)的診斷準(zhǔn)確性和比較理想的效果，在我國進(jìn)行推廣仍舊存在一些困難和阻礙，比如對醫(yī)師的培訓(xùn)和相關(guān)操作的規(guī)范制度還沒有完整建立起來，我科在近期嘗試開展急診醫(yī)師的床邊超聲培訓(xùn)，內(nèi)容包括理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作，通過授課，講座和專業(yè)人員親身示范等方式增強(qiáng)醫(yī)師的專業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)技能水平，為eFAST的開展創(chuàng)造有利條件。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

通過響應(yīng)曲面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，考察各因素之間相互作用對石膏基保溫板物理性能的影響。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比、緩凝劑摻入量和水膏質(zhì)量比對石膏基保溫板干密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的影響。運(yùn)用Design-Expert中的Box-Behnken進(jìn)行三因素三水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)因素水平如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平

2.2.2 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果及方差分析

響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表3，石膏基保溫板干密度、抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)為響應(yīng)值，運(yùn)用Design-Expert 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到線性回歸方程及方差。

石膏基保溫板干密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)方差分析分別見表4、表5、表6。

由表4可知，發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比與水膏質(zhì)量比對石膏基保溫板干密度的影響較為顯著，3個(gè)因素對石膏基保溫板干密度影響的順序?yàn)椋喊l(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;水膏質(zhì)量比＆gt;緩凝劑摻入量。由表5可知，發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比和水膏質(zhì)量比對石膏基保溫板抗壓強(qiáng)度影響顯著，3因素對抗壓強(qiáng)度影響順序?yàn)椋喊l(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;水膏質(zhì)量比＆gt;緩凝劑摻入量。由表6 可知，3 因素對石膏基保溫板導(dǎo)熱系數(shù)的影響順序?yàn)椋喊l(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;水膏質(zhì)量比＆gt;緩凝劑摻入量。從顯著性檢驗(yàn)分析可知在石膏基保溫板制備過程中發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比及水膏質(zhì)量比是關(guān)鍵參數(shù)。

表4 石膏基保溫板干密度方差分析

表5 石膏基保溫板抗壓強(qiáng)度方差分析

表6 石膏基保溫板導(dǎo)熱系數(shù)方差分析

通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到的數(shù)學(xué)模型為：

2.2.3 雙因子交互作用

石膏基保溫板干密度響應(yīng)面3D圖見圖4。由圖4a.可知，當(dāng)水膏質(zhì)量比一定時(shí)，石膏基保溫板干密度隨著發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比降低而減小，緩凝劑摻入量對石膏基保溫板干密度影響較小。對石膏基保溫板干密度影響顯著性大小為發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;緩凝劑摻入量。由圖4b.可知，緩凝劑摻入量一定，隨著水膏質(zhì)量比增加，石膏基保溫板干密度減小，水膏質(zhì)量比一定時(shí)，發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比減小，石膏基保溫板干密度減小，發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比的影響較為顯著。由圖4c.可知，隨著水膏質(zhì)量比增加，石膏基保溫板干密度減小，水膏質(zhì)量比的影響較緩凝劑摻入量顯著。綜上所述，對石膏基保溫板干密度影響的顯著性大小為發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;水膏質(zhì)量比＆gt;緩凝劑摻入量。

圖4 石膏基保溫板干密度響應(yīng)面3D圖

石膏基保溫板抗壓強(qiáng)度響應(yīng)曲面3D 圖見圖5。由圖5a.可知，水膏質(zhì)量比一定，隨著發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比減小，石膏基保溫板抗壓強(qiáng)度降低，緩凝劑摻入量對抗壓強(qiáng)度的影響較小，所以對抗壓強(qiáng)度影響顯著性大小為發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;緩凝劑摻入量。由圖5b.可知，緩凝劑摻入量一定的條件下，發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比和水膏質(zhì)量比對石膏基保溫板抗壓強(qiáng)度的影響較為顯著，隨著水膏質(zhì)量比增加、發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比減小，石膏基保溫板抗壓強(qiáng)度降低，影響抗壓強(qiáng)度的顯著性大小為發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;水膏質(zhì)量比。由圖5c.可知，發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比一定，水膏質(zhì)量比與緩凝劑摻入量相互作用下，對石膏基保溫板的抗壓強(qiáng)度影響較小，影響抗壓強(qiáng)度的顯著性大小為水膏質(zhì)量比＆gt;緩凝劑摻入量。綜上所述，3 因素對石膏基保溫板抗壓強(qiáng)度影響的顯著性大小為發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;水膏質(zhì)量比＆gt;緩凝劑摻入量。

圖5 石膏基保溫板抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面3D圖

石膏基保溫板導(dǎo)熱系數(shù)響應(yīng)面3D圖見圖6。

圖6 石膏基保溫板導(dǎo)熱系數(shù)響應(yīng)面3D圖

由圖6a.可知，水膏質(zhì)量比一定，隨著發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比減小，石膏基保溫板導(dǎo)熱系數(shù)降低，緩凝劑摻入量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小，所以對導(dǎo)熱系數(shù)影響的顯著性大小為發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;緩凝劑摻入量。由圖6b.可知，緩凝劑摻入量一定的條件下，發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比和水膏質(zhì)量比對石膏基保溫板導(dǎo)熱系數(shù)的影響較為顯著，隨著水膏質(zhì)量比增加、發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比減小，石膏基保溫板導(dǎo)熱系數(shù)降低，影響顯著性大小為發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;水膏質(zhì)量比。由圖6c.可知，發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比一定，水膏質(zhì)量比與緩凝劑摻入量相互作用下，石膏基保溫板導(dǎo)熱系數(shù)影響顯著性大小為水膏質(zhì)量比＆gt;緩凝劑摻入量。綜上所述，3因素對石膏基保溫板導(dǎo)熱系數(shù)影響的顯著性大小為發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;水膏質(zhì)量比＆gt;緩凝劑摻入量。

發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比在石膏基保溫板制備過程中是主要控制參數(shù)。

2.2.4 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

對模型進(jìn)行最優(yōu)值處理，得到最佳工藝條件：發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比為1/247.55 g/mL、水膏質(zhì)量比為42.53%、緩凝劑摻入量為0.023%，石膏基保溫板干密度為501.55 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為2.10 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.118 W/（m·K）。在最佳工藝條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行3次平行實(shí)驗(yàn)，所得石膏基保溫板干密度平均值為503.19 kg/m3，抗壓強(qiáng)度平均值為2.12 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)平均值為0.119 W/（m · K）。預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值接近，表明該模型可以準(zhǔn)確反映各因素之間的關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）通過單因素實(shí)驗(yàn)，可以得到隨著發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比降低、水膏質(zhì)量比增加，石膏基保溫板干密度逐漸減小，抗壓強(qiáng)度降低，導(dǎo)熱系數(shù)減小。緩凝劑摻入量對石膏基保溫板干密度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的影響較小，但是對體系流動(dòng)度影響較為顯著。最佳工藝條件：發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比為1/250 g/mL、水膏質(zhì)量比為42%、緩凝劑摻入量為0.025%，在此條件下，得到的石膏基保溫板干密度為503 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為2.12 MPa，抗折強(qiáng)度為0.78 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.117 W/（m·K），流動(dòng)度能達(dá)到80 mm。

（2）采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，建立發(fā)泡劑濃度、水膏質(zhì)量比、緩凝劑摻入量與石膏基保溫板干密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的響應(yīng)模型：

（3）用建立的模型進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到最佳工藝條件：發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比為1/247.55 g/mL、水膏質(zhì)量比為42.53%、緩凝劑摻入量為0.023%，該條件下所制得石膏基保溫板干密度為503.19 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為2.12 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.119 W/（m ·對石膏基保溫板干密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)影響的顯著性關(guān)系為：發(fā)泡劑與水質(zhì)量體積比＆gt;水膏質(zhì)量比＆gt;緩凝劑摻入量。