加气脱硫石膏保温材料的试验研究

摘要 ：采用铝粉发气的方法制备加气脱硫石膏保温材料，系统研究了高铝水泥掺量、铝粉掺量、NaOH掺量、拌合水温度等对加 气脱硫石膏保温材料性能的影响 。研究结果表明：性能最佳的制备条件为高铝水泥 掺量 5％，铝粉掺量 O．7％，NaOH掺量 0．5％，水灰 比 0．6，拌合 水温度 40℃。最佳条件制备 的加气脱硫 石膏保温材 料密度为 309-3kg／m，抗压强度 为 0．24MPa，导热系数 为 0．073W／ (m ·K)脱硫石膏是指对煤燃烧后产生的烟气进行脱硫净化处 理而得到的产物，作为一种固体废弃物，脱硫石膏不仅占用 土地，而且其中含有一定量的重金属和有害物质可能随着雨 水的冲刷污染土地，甚至污染地下水，危害人体健康和破坏 环境”。引。因此，资源化利用脱硫石膏成为当前石膏研究的热 点和重点。脱硫石膏主要用于制造石膏砌块、石膏腻子、模具石膏 以及纸面石膏板等。脱硫石膏制品虽然具有很好的成型及加 工性能，但由于其导热系数较高，限制其在墙体保温材料中 的应用，因此如何提高石膏制品的保温性能成为当前研究的 焦点之一。杨学腾等采用物理发泡的方法制备脱硫石膏加气材料，当泡沫掺量为3．0ml／g时，制品的绝干密度为308kg／m，， 抗压强度为0．13MPa。周飞等[51采用铝粉发气的方法制得干 密度为750kg／m，抗压强度为2．8～3．3MPa的加气石膏制品。劳有盛同通过化学发泡方法制备出表观密度为544kg／m，，抗 压强度为1．00MPa的脱硫石膏轻质墙体材料。这些研究主要 侧重于轻质石膏制品制备方法以及物理力学性能方面，对脱 硫石膏制品组成优化以及保温性能方面的还有待深入进行 研究。为此，本文在协调加气石膏保温材料强度发展与发气 速度的基础上，主要研究了制备工艺和原材料组成优化对发 泡石膏密度、强度及保温性能等的影响。1 试验1．1 原材料脱硫石膏：北京华庄建材公司，其标准稠度用水量为 0．6，初凝时间为 10min，终凝时间为 16min，2h干抗压强度 为9．0MPa，化学组成见表 1；高铝水泥：唐山六九水泥有限公 司生产，其化学组成见表 1；减水剂：天津飞龙混凝土减水剂 厂生产的聚羧酸减水剂，掺量0．8％，减水率为26％；Ca0：天津三江有限公司，分析纯化学药品；铝粉：天津天筑建材有限 公司；NaOH：天津光复科技发展有限公司，分析纯化学药品；水：自来水。1．2 试验方法 1．2．1 制备工艺 加气脱硫石膏保温材料制备过程是首先将干料按设定比 例称取，并在搅拌机中混合均匀，然后在干料中加入配好的 NaOH水溶液，高速搅拌 10s，浇注入模，静停发泡，24h后脱 模，自然养护28d，其制备流程见图1。1．2．2 性能测试制品的密度和28d抗压强度参照GB／T5486---2008《无机 硬质绝热制品试验方法》进行测试，试样尺寸为 100mmxlO0 mmxl00mm。制品的导热系数参照GB／T10294-2008《绝热 材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》进行测试。2 结果与讨论采用铝粉与NaOH水溶液发生化学反应放出氢气，在石 膏浆体中形成无数个独立的气泡，在发气过程中，料浆会发生 膨胀，如果料浆迅速硬化，而发泡速率过慢，往往会导致发泡 量太少，气孔生成的动力较小，形成气孔较小，试块的密度和 强度较大；如果料浆的硬化速率较慢，而发泡速率过快或发泡 量过多，气孔生成的动力增大，形成气孔尺寸增大，气孔与气 孔之间容易发生连通现象，导致试块的密度和强度降低。因 此，针对石膏本体硬化速率与铝粉发气速率的协调问题进行 研究。2．1 高铝水泥掺量对加气脱硫石膏保温材料性能的影响按照表2的试验配合比，测试高铝水泥掺量对加气脱硫石 膏保温材料的密度、抗压强度及导热系数的影响，结果见图2。由图2(a)可知，随着高铝水泥掺量的增多，加气脱硫石 膏保温材料的密度和抗压强度逐渐升高，在试验掺量范围内， 其最大密度和最高抗压强度分别可达到377-5kCm 和0．34 MPa，最低值分别为309．3kCm和0．24MPa。其原因是：在相同 水胶比、相同养护龄期的条件下，高铝水泥的强度比脱硫石膏 强度高很多，所以高铝水泥和脱硫石膏复合胶凝材料中高铝水 泥掺量越高，加气脱硫石膏保温材料的母体强度就越高，使得 制品的强度逐渐提高。密度逐渐增大是因为随着高铝水泥掺量 的增多，加气脱硫石膏保温材料的塑性强度增加比较大，发气 时膨胀受到的约束增大，相同铝粉掺量条件下，气体的膨胀量 减少，从而使密度增大。由图2 )可知，随着高铝水泥掺量的增 加，加气脱硫石膏保温材料内部孔隙率降低，密度增大，其导热 系数逐渐增大，高铝水泥掺量为5％时导热系数最低，为0．073 W7(rI1·I<)，掺量为20％时导热系最高，为0．089W／(m·K)。2．2 铝粉掺量对加气脱硫石膏保温材料性能的影响 按照表3的试验配合比，测试铝粉掺量对加气脱硫石膏保温材料的密度、抗压强度及导热系数的影响，结果见图3由表3可知，当铝粉掺量<1．2％时，加气脱硫石膏保温材 料发气正常，当铝粉掺量增加到1．2％时，出现了塌模的现象。由图3(a)可知，当铝粉掺量为0．7％ 1．0％时，随着铝粉掺量 的增多，加气脱硫石膏保温材料的密度和抗压强度逐渐降低， 其最大密度和最高抗压强度分别可达到 326．5kg／m。和 0．25 MPa，最低值分别为306。5kg／m和0-20MPa。这是因为铝粉与 NaOH水溶液发生化学反应放出氢气，随着铝粉的掺量增加， 引入的气体量增大，石膏浆体的膨胀率增大，内部形成的孔隙 增多，从而导致保温材料的密度和抗压强度呈现逐渐降低的 趋势。由图3(b)可知，随着铝粉掺量的增加，加气脱硫石膏保 温材料的导热系数先升高后降低，最高为0．075w／(m·K)，最 低为0．071W／(m·K)。2．3 NaOH掺量对加气脱硫石膏保温材料性能的影响按照表4的试验配合比，测试NaOH掺量对加气脱硫石 膏保温材料的密度、抗压强度及导热系数的影响，结果见图 4。由图4可知，随着NaOH掺量的增多，加气脱硫石膏保温 材料的密度、抗压强度逐渐降低，其最大密度、最高抗压强度 分别为418-3kg／m3,0．41MPa，最低值分别为 326．5kg／m3,0．25 MPa。这是因为铝粉的发气过程其实是NaOH溶液与铝粉发 生化学反应的过程，根据化学反应平衡理论，随着反应物 NaOH掺量的增加，溶液的碱度增大，反应速度加快，引入的 气体量增加，材料的孔隙率增大，从而使得其密度降低，抗压 强度下降，导热系数降低，导热系数最低为0．074W／(m·K)。同时，实验过程中还发现铝粉的发气过程可分为3个阶段，0— 2min发气速度较慢，发气量少；412min发气速度迅速增大， 发气量迅速增加；12min以后浆体开始初凝，发气速度趋于平 缓，发气量几乎不再增加。2．4 拌合水温度对加气脱硫石膏保温材料性能的影响按照表 5的试验配合比，选取拌合水温度分别为 35、40、 45和 50℃，测试拌合水温度对加气脱硫石膏保温材料密度、 抗压强度及导热系数的影响，结果见图5。3 不同条件对加气脱硫石膏保温材料孔结构的影响3.1铝粉掺量对加气脱硫石膏保温材料孔结构的影响（见图6）由图6可见，加气脱硫石膏保温材料气孔大小随符铝粉 用量的增加而增大；当铝粉用量为O．7％H~j，气孔最小，(4L商 径在 lmm以下，气孔商 较均匀，发气效果较好，此时保潞 材料的抗 强度最高，导热系数也较低；随着技 t一,7i~的增加， 大气孔数量、气孔连通率逐渐增加，气4L4L 差异逐渐增人， 气孑L分布大小小均匀，形状不规则：当销粉用跫为 1．0％时，l1J’ 以发现大量的气孔连通， 孔壁变溥，从 导致抗爪强度 卜 降。3．2 NaOH掺量对加气脱硫石膏保温材料孔结构的 影 响 (见图 7) 由图 7可 见，加气脱硫石音保温材料气孔人小随着 NaOH掺量的增加而增火。NaOH掺最较少时【见 7(a)1， 泡的牛成速率较慢，浆体的强度发展较快， 泡的生成述卒 浆体的强度发展不匹配， 此，造成气泡孔 较小，衷现为 度大、抗压强度高、导热系数较大；随着 NaOH掺星的增JJ【J，浆 体碱度增大，气泡生成速率较快， NaOH掺芾为 0．5％时f见 图7(d)1，气泡的生成速率与浆体的强度发腱达到 一种、r衡 状态，气泡孔径均匀、较大，表现为密度小、抗压强度较高、热系数较小。3 结论(1)随着高铝水泥掺最的增多，加气脱硫石膏保温材料的 密度和抗压强度逐渐升高，导热系数逐渐增大：随着销粉掺景 的增多，加气脱硫石膏保温材料的密度和抗压强度逐渐降低， 导热系数先升高后降低；随着NaOH掺量的增多，加气脱硫石 膏 温材料的密度和抗压强度逐渐降低，导热系数逐渐降低；随着拌合水温度的提高，加气脱硫石膏保濉材料的密度和抗 强度逐渐降低，导热系数先降低后升高。(2) 水料比为0．6，商销水泥掺量为5％，锚粉掺 为 0．7％，NaOH掺带为0．5％，拌合水温度为40℃时，DI1气脱硫石 膏保温材料的密度为309-3kg／m，抗压强度为0．24MPa，导热 系数为0．073W／(m·K)，此时的加气脱硫 膏保温材料的性 能较好。