摘要 ：采用鋁粉發(fā)氣的方法制備加氣脫硫石膏保溫材料，系統(tǒng)研究了高鋁水泥摻量、鋁粉摻量、NaOH摻量、拌合水溫度等對加 氣脫硫石膏保溫材料性能的影響 。研究結(jié)果表明：性能最佳的制備條件為高鋁水泥 摻量 5％，鋁粉摻量 O．7％，NaOH摻量 0．5％，水灰 比 0．6，拌合 水溫度 40℃。最佳條件制備 的加氣脫硫 石膏保溫材 料密度為 309-3kg／m，抗壓強(qiáng)度 為 0．24MPa，導(dǎo)熱系數(shù) 為 0．073W／ (m ·K)脫硫石膏是指對煤燃燒后產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行脫硫凈化處 理而得到的產(chǎn)物，作為一種固體廢棄物，脫硫石膏不僅占用 土地，而且其中含有一定量的重金屬和有害物質(zhì)可能隨著雨 水的沖刷污染土地，甚至污染地下水，危害人體健康和破壞 環(huán)境”。引。因此，資源化利用脫硫石膏成為當(dāng)前石膏研究的熱 點(diǎn)和重點(diǎn)。脫硫石膏主要用于制造石膏砌塊、石膏膩?zhàn)?、模具石?以及紙面石膏板等。脫硫石膏制品雖然具有很好的成型及加 工性能，但由于其導(dǎo)熱系數(shù)較高，限制其在墻體保溫材料中 的應(yīng)用，因此如何提高石膏制品的保溫性能成為當(dāng)前研究的 焦點(diǎn)之一。楊學(xué)騰等采用物理發(fā)泡的方法制備脫硫石膏加氣材料，當(dāng)泡沫摻量為3．0ml／g時(shí)，制品的絕干密度為308kg／m，， 抗壓強(qiáng)度為0．13MPa。周飛等[51采用鋁粉發(fā)氣的方法制得干 密度為750kg／m，抗壓強(qiáng)度為2．8～3．3MPa的加氣石膏制品。勞有盛同通過化學(xué)發(fā)泡方法制備出表觀密度為544kg／m，，抗 壓強(qiáng)度為1．00MPa的脫硫石膏輕質(zhì)墻體材料。這些研究主要 側(cè)重于輕質(zhì)石膏制品制備方法以及物理力學(xué)性能方面，對脫 硫石膏制品組成優(yōu)化以及保溫性能方面的還有待深入進(jìn)行 研究。為此，本文在協(xié)調(diào)加氣石膏保溫材料強(qiáng)度發(fā)展與發(fā)氣 速度的基礎(chǔ)上，主要研究了制備工藝和原材料組成優(yōu)化對發(fā) 泡石膏密度、強(qiáng)度及保溫性能等的影響。1 試驗(yàn)1．1 原材料脫硫石膏：北京華莊建材公司，其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為 0．6，初凝時(shí)間為 10min，終凝時(shí)間為 16min，2h干抗壓強(qiáng)度 為9．0MPa，化學(xué)組成見表 1；高鋁水泥：唐山六九水泥有限公 司生產(chǎn)，其化學(xué)組成見表 1；減水劑：天津飛龍混凝土減水劑 廠生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，摻量0．8％，減水率為26％；Ca0：天津三江有限公司，分析純化學(xué)藥品；鋁粉：天津天筑建材有限 公司；NaOH：天津光復(fù)科技發(fā)展有限公司，分析純化學(xué)藥品；水：自來水。1．2 試驗(yàn)方法 1．2．1 制備工藝 加氣脫硫石膏保溫材料制備過程是首先將干料按設(shè)定比 例稱取，并在攪拌機(jī)中混合均勻，然后在干料中加入配好的 NaOH水溶液，高速攪拌 10s，澆注入模，靜停發(fā)泡，24h后脫 模，自然養(yǎng)護(hù)28d，其制備流程見圖1。1．2．2 性能測試制品的密度和28d抗壓強(qiáng)度參照GB／T5486---2008《無機(jī) 硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試，試樣尺寸為 100mmxlO0 mmxl00mm。制品的導(dǎo)熱系數(shù)參照GB／T10294-2008《絕熱 材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法》進(jìn)行測試。2 結(jié)果與討論采用鋁粉與NaOH水溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放出氫氣，在石 膏漿體中形成無數(shù)個(gè)獨(dú)立的氣泡，在發(fā)氣過程中，料漿會(huì)發(fā)生 膨脹，如果料漿迅速硬化，而發(fā)泡速率過慢，往往會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡 量太少，氣孔生成的動(dòng)力較小，形成氣孔較小，試塊的密度和 強(qiáng)度較大；如果料漿的硬化速率較慢，而發(fā)泡速率過快或發(fā)泡 量過多，氣孔生成的動(dòng)力增大，形成氣孔尺寸增大，氣孔與氣 孔之間容易發(fā)生連通現(xiàn)象，導(dǎo)致試塊的密度和強(qiáng)度降低。因 此，針對石膏本體硬化速率與鋁粉發(fā)氣速率的協(xié)調(diào)問題進(jìn)行 研究。2．1 高鋁水泥摻量對加氣脫硫石膏保溫材料性能的影響按照表2的試驗(yàn)配合比，測試高鋁水泥摻量對加氣脫硫石 膏保溫材料的密度、抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果見圖2。由圖2(a)可知，隨著高鋁水泥摻量的增多，加氣脫硫石 膏保溫材料的密度和抗壓強(qiáng)度逐漸升高，在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)， 其最大密度和最高抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)到377-5kCm 和0．34 MPa，最低值分別為309．3kCm和0．24MPa。其原因是：在相同 水膠比、相同養(yǎng)護(hù)齡期的條件下，高鋁水泥的強(qiáng)度比脫硫石膏 強(qiáng)度高很多，所以高鋁水泥和脫硫石膏復(fù)合膠凝材料中高鋁水 泥摻量越高，加氣脫硫石膏保溫材料的母體強(qiáng)度就越高，使得 制品的強(qiáng)度逐漸提高。密度逐漸增大是因?yàn)殡S著高鋁水泥摻量 的增多，加氣脫硫石膏保溫材料的塑性強(qiáng)度增加比較大，發(fā)氣 時(shí)膨脹受到的約束增大，相同鋁粉摻量條件下，氣體的膨脹量 減少，從而使密度增大。由圖2 )可知，隨著高鋁水泥摻量的增 加，加氣脫硫石膏保溫材料內(nèi)部孔隙率降低，密度增大，其導(dǎo)熱 系數(shù)逐漸增大，高鋁水泥摻量為5％時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)最低，為0．073 W7(rI1·I<)，摻量為20％時(shí)導(dǎo)熱系最高，為0．089W／(m·K)。2．2 鋁粉摻量對加氣脫硫石膏保溫材料性能的影響 按照表3的試驗(yàn)配合比，測試鋁粉摻量對加氣脫硫石膏保溫材料的密度、抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果見圖3由表3可知，當(dāng)鋁粉摻量<1．2％時(shí)，加氣脫硫石膏保溫材 料發(fā)氣正常，當(dāng)鋁粉摻量增加到1．2％時(shí)，出現(xiàn)了塌模的現(xiàn)象。由圖3(a)可知，當(dāng)鋁粉摻量為0．7％ 1．0％時(shí)，隨著鋁粉摻量 的增多，加氣脫硫石膏保溫材料的密度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低， 其最大密度和最高抗壓強(qiáng)度分別可達(dá)到 326．5kg／m。和 0．25 MPa，最低值分別為306。5kg／m和0-20MPa。這是因?yàn)殇X粉與 NaOH水溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放出氫氣，隨著鋁粉的摻量增加， 引入的氣體量增大，石膏漿體的膨脹率增大，內(nèi)部形成的孔隙 增多，從而導(dǎo)致保溫材料的密度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的 趨勢。由圖3(b)可知，隨著鋁粉摻量的增加，加氣脫硫石膏保 溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)先升高后降低，最高為0．075w／(m·K)，最 低為0．071W／(m·K)。2．3 NaOH摻量對加氣脫硫石膏保溫材料性能的影響按照表4的試驗(yàn)配合比，測試NaOH摻量對加氣脫硫石 膏保溫材料的密度、抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果見圖 4。由圖4可知，隨著NaOH摻量的增多，加氣脫硫石膏保溫 材料的密度、抗壓強(qiáng)度逐漸降低，其最大密度、最高抗壓強(qiáng)度 分別為418-3kg／m3,0．41MPa，最低值分別為 326．5kg／m3,0．25 MPa。這是因?yàn)殇X粉的發(fā)氣過程其實(shí)是NaOH溶液與鋁粉發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)的過程，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡理論，隨著反應(yīng)物 NaOH摻量的增加，溶液的堿度增大，反應(yīng)速度加快，引入的 氣體量增加，材料的孔隙率增大，從而使得其密度降低，抗壓 強(qiáng)度下降，導(dǎo)熱系數(shù)降低，導(dǎo)熱系數(shù)最低為0．074W／(m·K)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)鋁粉的發(fā)氣過程可分為3個(gè)階段，0— 2min發(fā)氣速度較慢，發(fā)氣量少；412min發(fā)氣速度迅速增大， 發(fā)氣量迅速增加；12min以后漿體開始初凝，發(fā)氣速度趨于平 緩，發(fā)氣量幾乎不再增加。2．4 拌合水溫度對加氣脫硫石膏保溫材料性能的影響按照表 5的試驗(yàn)配合比，選取拌合水溫度分別為 35、40、 45和 50℃，測試拌合水溫度對加氣脫硫石膏保溫材料密度、 抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響，結(jié)果見圖5。3 不同條件對加氣脫硫石膏保溫材料孔結(jié)構(gòu)的影響3.1鋁粉摻量對加氣脫硫石膏保溫材料孔結(jié)構(gòu)的影響（見圖6）由圖6可見，加氣脫硫石膏保溫材料氣孔大小隨符鋁粉 用量的增加而增大；當(dāng)鋁粉用量為O．7％H~j，氣孔最小，(4L商 徑在 lmm以下，氣孔商 較均勻，發(fā)氣效果較好，此時(shí)保潞 材料的抗 強(qiáng)度最高，導(dǎo)熱系數(shù)也較低；隨著技 t一,7i~的增加， 大氣孔數(shù)量、氣孔連通率逐漸增加，氣4L4L 差異逐漸增人， 氣孑L分布大小小均勻，形狀不規(guī)則：當(dāng)銷粉用跫為 1．0％時(shí)，l1J’ 以發(fā)現(xiàn)大量的氣孔連通， 孔壁變溥，從 導(dǎo)致抗爪強(qiáng)度 卜 降。3．2 NaOH摻量對加氣脫硫石膏保溫材料孔結(jié)構(gòu)的 影 響 (見圖 7) 由圖 7可 見，加氣脫硫石音保溫材料氣孔人小隨著 NaOH摻量的增加而增火。NaOH摻最較少時(shí)【見 7(a)1， 泡的牛成速率較慢，漿體的強(qiáng)度發(fā)展較快， 泡的生成述卒 漿體的強(qiáng)度發(fā)展不匹配， 此，造成氣泡孔 較小，衷現(xiàn)為 度大、抗壓強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)較大；隨著 NaOH摻星的增JJ【J，漿 體堿度增大，氣泡生成速率較快， NaOH摻芾為 0．5％時(shí)f見 圖7(d)1，氣泡的生成速率與漿體的強(qiáng)度發(fā)腱達(dá)到 一種、r衡 狀態(tài)，氣泡孔徑均勻、較大，表現(xiàn)為密度小、抗壓強(qiáng)度較高、熱系數(shù)較小。3 結(jié)論(1)隨著高鋁水泥摻最的增多，加氣脫硫石膏保溫材料的 密度和抗壓強(qiáng)度逐漸升高，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大：隨著銷粉摻景 的增多，加氣脫硫石膏保溫材料的密度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低， 導(dǎo)熱系數(shù)先升高后降低；隨著NaOH摻量的增多，加氣脫硫石 膏 溫材料的密度和抗壓強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低；隨著拌合水溫度的提高，加氣脫硫石膏保濉材料的密度和抗 強(qiáng)度逐漸降低，導(dǎo)熱系數(shù)先降低后升高。(2) 水料比為0．6，商銷水泥摻量為5％，錨粉摻 為 0．7％，NaOH摻帶為0．5％，拌合水溫度為40℃時(shí)，DI1氣脫硫石 膏保溫材料的密度為309-3kg／m，抗壓強(qiáng)度為0．24MPa，導(dǎo)熱 系數(shù)為0．073W／(m·K)，此時(shí)的加氣脫硫 膏保溫材料的性 能較好。