摘要 ：采用鋁粉發氣的方法制備加氣脫硫石膏保溫材料，系統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，抗壓強度 為 0．24MPa，導熱系數 為 0．073W／ (m ·K)脫硫石膏是指對煤燃燒后產生的煙氣進行脫硫凈化處 理而得到的產物，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 環境”。引。因此，資源化利用脫硫石膏成為當前石膏研究的熱 點和重點。脫硫石膏主要用于制造石膏砌塊、石膏膩子、模具石膏 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，但由于其導熱系數較高，限制其在墻體保溫材料中 的應用，因此如何提高石膏制品的保溫性能成為當前研究的 焦點之一。楊學騰等采用物理發泡的方法制備脫硫石膏加氣材料，當泡沫摻量為3．0ml／g時，制品的絕干密度為308kg／m，， 抗壓強度為0．13MPa。周飛等[51采用鋁粉發氣的方法制得干 密度為750kg／m，抗壓強度為2．8～3．3MPa的加氣石膏制品。勞有盛同通過化學發泡方法制備出表觀密度為544kg／m，，抗 壓強度為1．00MPa的脫硫石膏輕質墻體材料。這些研究主要 側重于輕質石膏制品制備方法以及物理力學性能方面，對脫 硫石膏制品組成優化以及保溫性能方面的還有待深入進行 研究。為此，本文在協調加氣石膏保溫材料強度發展與發氣 速度的基礎上，主要研究了制備工藝和原材料組成優化對發 泡石膏密度、強度及保溫性能等的影響。1 試驗1．1 原材料脫硫石膏：北京華莊建材公司，其標準稠度用水量為 0．6，初凝時間為 10min，終凝時間為 16min，2h干抗壓強度 為9．0MPa，化學組成見表 1；高鋁水泥：唐山六九水泥有限公 司生產，其化學組成見表 1；減水劑：天津飛龍混凝土減水劑 廠生產的聚羧酸減水劑，摻量0．8％，減水率為26％；Ca0：天津三江有限公司，分析純化學藥品；鋁粉：天津天筑建材有限 公司；NaOH：天津光復科技發展有限公司，分析純化學藥品；水：自來水。1．2 試驗方法 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定比 例稱取，并在攪拌機中混合均勻，然后在干料中加入配好的 NaOH水溶液，高速攪拌 10s，澆注入模，靜停發泡，24h后脫 模，自然養護28d，其制備流程見圖1。1．2．2 性能測試制品的密度和28d抗壓強度參照GB／T5486---2008《無機 硬質絕熱制品試驗方法》進行測試，試樣尺寸為 100mmxlO0 mmxl00mm。制品的導熱系數參照GB／T10294-2008《絕熱 材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》進行測試。2 結果與討論采用鋁粉與NaOH水溶液發生化學反應放出氫氣，在石 膏漿體中形成無數個獨立的氣泡，在發氣過程中，料漿會發生 膨脹，如果料漿迅速硬化，而發泡速率過慢，往往會導致發泡 量太少，氣孔生成的動力較小，形成氣孔較小，試塊的密度和 強度較大；如果料漿的硬化速率較慢，而發泡速率過快或發泡 量過多，氣孔生成的動力增大，形成氣孔尺寸增大，氣孔與氣 孔之間容易發生連通現象，導致試塊的密度和強度降低。因 此，針對石膏本體硬化速率與鋁粉發氣速率的協調問題進行 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、抗壓強度及導熱系數的影響，結果見圖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度逐漸升高，在試驗摻量范圍內， 其最大密度和最高抗壓強度分別可達到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、相同養護齡期的條件下，高鋁水泥的強度比脫硫石膏 強度高很多，所以高鋁水泥和脫硫石膏復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度就越高，使得 制品的強度逐漸提高。密度逐漸增大是因為隨著高鋁水泥摻量 的增多，加氣脫硫石膏保溫材料的塑性強度增加比較大，發氣 時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部孔隙率降低，密度增大，其導熱 系數逐漸增大，高鋁水泥摻量為5％時導熱系數最低，為0．073 W7(rI1·I<)，摻量為20％時導熱系最高，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、抗壓強度及導熱系數的影響，結果見圖3由表3可知，當鋁粉摻量<1．2％時，加氣脫硫石膏保溫材 料發氣正常，當鋁粉摻量增加到1．2％時，出現了塌模的現象。由圖3(a)可知，當鋁粉摻量為0．7％ 1．0％時，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度逐漸降低， 其最大密度和最高抗壓強度分別可達到 326．5kg／m。和 0．25 MPa，最低值分別為306。5kg／m和0-20MPa。這是因為鋁粉與 NaOH水溶液發生化學反應放出氫氣，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，內部形成的孔隙 增多，從而導致保溫材料的密度和抗壓強度呈現逐漸降低的 趨勢。由圖3(b)可知，隨著鋁粉摻量的增加，加氣脫硫石膏保 溫材料的導熱系數先升高后降低，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、抗壓強度及導熱系數的影響，結果見圖 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、抗壓強度逐漸降低，其最大密度、最高抗壓強度 分別為418-3kg／m3,0．41MPa，最低值分別為 326．5kg／m3,0．25 MPa。這是因為鋁粉的發氣過程其實是NaOH溶液與鋁粉發 生化學反應的過程，根據化學反應平衡理論，隨著反應物 NaOH摻量的增加，溶液的堿度增大，反應速度加快，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 強度下降，導熱系數降低，導熱系數最低為0．074W／(m·K)。同時，實驗過程中還發現鋁粉的發氣過程可分為3個階段，0— 2min發氣速度較慢，發氣量少；412min發氣速度迅速增大， 發氣量迅速增加；12min以后漿體開始初凝，發氣速度趨于平 緩，發氣量幾乎不再增加。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、 抗壓強度及導熱系數的影響，結果見圖5。3 不同條件對加氣脫硫石膏保溫材料孔結構的影響3.1鋁粉摻量對加氣脫硫石膏保溫材料孔結構的影響（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，發氣效果較好，此時保潞 材料的抗 強度最高，導熱系數也較低；隨著技 t一,7i~的增加， 大氣孔數量、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，形狀不規則：當銷粉用跫為 1．0％時，l1J’ 以發現大量的氣孔連通， 孔壁變溥，從 導致抗爪強度 卜 降。3．2 NaOH摻量對加氣脫硫石膏保溫材料孔結構的 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【見 7(a)1， 泡的牛成速率較慢，漿體的強度發展較快， 泡的生成述卒 漿體的強度發展不匹配， 此，造成氣泡孔 較小，衷現為 度大、抗壓強度高、導熱系數較大；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f見 圖7(d)1，氣泡的生成速率與漿體的強度發腱達到 一種、r衡 狀態，氣泡孔徑均勻、較大，表現為密度小、抗壓強度較高、熱系數較小。3 結論(1)隨著高鋁水泥摻最的增多，加氣脫硫石膏保溫材料的 密度和抗壓強度逐漸升高，導熱系數逐漸增大：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度逐漸降低， 導熱系數先升高后降低；隨著NaOH摻量的增多，加氣脫硫石 膏 溫材料的密度和抗壓強度逐漸降低，導熱系數逐漸降低；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 強度逐漸降低，導熱系數先降低后升高。(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，DI1氣脫硫石 膏保溫材料的密度為309-3kg／m，抗壓強度為0．24MPa，導熱 系數為0．073W／(m·K)，此時的加氣脫硫 膏保溫材料的性 能較好。