輕質(zhì)磷建筑石膏實心砌塊的制備研究

易 蕓，董永剛，楊 林，劉 飛，鄭克勤，王佳才

(1.貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州大學(xué)貴州省工業(yè)廢棄物高效利用工程研究中心，貴陽 550025； 3.貴州瑞泰實業(yè)有限公司，六盤水 553028；4.貴州川恒化工股份有限公司，福泉 550501)

0 引 言

磷建筑石膏作為一種性能優(yōu)良的建筑膠凝材料，一方面具有質(zhì)輕、節(jié)能、保溫、隔熱、隔聲、防火、自呼吸和良好裝飾性等特點(diǎn)[1-4]，另一方面，用磷石膏為原料生產(chǎn)建筑材料，能夠有效提高工業(yè)廢渣的資源利用率，降低環(huán)境污染，有利于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[5-7]。利用物理發(fā)泡方法制備的輕質(zhì)磷建筑石膏實心砌塊是由許多大小不等的氣孔和孔間壁組成。氣孔由泡沫在料漿中形成，并在硬化過程中固定在砌塊中?？组g壁由水化產(chǎn)物、未反應(yīng)的材料顆粒和孔間壁內(nèi)的孔隙組成。對于體積密度為500 kg/m3的泡沫混凝土而言，其氣孔含量約為整個體積的50%(總孔隙率約70%)，其余50%即為孔間壁[8]。氣孔的大小、數(shù)量、均勻性、分布情況和孔間壁的強(qiáng)度與砌塊的表觀密度、力學(xué)性能以及兩者的相容性密切相關(guān)。

本文從磷建筑石膏、發(fā)泡劑和防水劑的選擇與改性、無機(jī)膠凝材料篩選等著手，研究砌塊的基礎(chǔ)配比、發(fā)泡劑的穩(wěn)定性和摻量、無機(jī)膠凝材料和復(fù)合外加劑等的摻量對砌塊表觀密度和物理性能的影響，優(yōu)化制備工藝參數(shù)。

1 實 驗

1.1 實驗原料

磷建筑石膏：取自貴州某磷酸廠，細(xì)度(0.2 mm方篩篩余)8.8%，初凝時間4.3 min，終凝時間7.3 min，2 h抗折強(qiáng)度2.80 MPa，抗壓強(qiáng)度5.74 MPa，其物理性能達(dá)到了GB/T 9776—2008《建筑石膏》中2.0等級的指標(biāo)要求。

粉煤灰：取自貴州某發(fā)電廠，化學(xué)成分見表1。

石灰：市售，CaO≥65%。

發(fā)泡劑：A，河南某公司生產(chǎn)的DF發(fā)泡劑，呈褐色粘性液體，pH值7.5，密度1.15 kg/L；B，北京某公司生產(chǎn)的ZF發(fā)泡劑，呈淡黃透明液體，pH值7～8，密度1.03 kg/L。

表1 粉煤灰化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of fly ash /wt%

1.2 實驗方法

發(fā)泡劑發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性評價方法：取發(fā)泡劑2 mL、水60 mL，于攪拌速度2 500 r/min、攪拌時間5 min條件下，在500 mL燒杯中制備泡沫液。測定泡沫高度h(mm)，靜止10 min后測量泡沫高度hj(mm)，按式(1)計算泡沫消失率x。以h值表征發(fā)泡劑發(fā)泡能力，以x評價泡沫穩(wěn)定性。

(1)

輕質(zhì)磷建筑石膏實心砌塊制備方法：磷建筑石膏分別與石灰、粉煤灰依比例配料、干混，按設(shè)定水膏比取水制得磷建筑石膏料漿。將發(fā)泡劑按比例與水混合，采用高速攪拌機(jī)，于轉(zhuǎn)速2 000～2 500 r/min，攪拌時間5～6 min條件下攪拌至產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定、細(xì)小泡沫的泡沫液。最后，將一定量泡沫液加入磷建筑石膏料漿中，攪拌均勻，澆注成型。試件大小為40 mm×40 mm×160 mm，1 h后脫模，在20 ℃，濕度90%條件下預(yù)養(yǎng)護(hù)3 d，于70 ℃烘至恒重，冷卻至室溫，即制得輕質(zhì)磷建筑石膏砌塊。

制品表觀密度、力學(xué)性能、軟化系數(shù)測定參照J(rèn)C/T 698—2010《石膏砌塊》執(zhí)行。采用日本JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的顯微結(jié)晶形態(tài)和形貌特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 水溫對發(fā)泡能力及泡沫穩(wěn)定性的影響

將A、B兩種發(fā)泡劑，配成相同濃度的溶液，按照1.2泡沫質(zhì)量的測定方法，考察其起泡能力、泡沫穩(wěn)定性，結(jié)果見表2。由表2可見，A發(fā)泡劑各項性能指標(biāo)低于B發(fā)泡劑，因而本研究采用B發(fā)泡劑。

表2 發(fā)泡劑性能Table 2 Performance of foaming agent

在20 ℃、25 ℃、30 ℃的水溫條件下，用B發(fā)泡劑配置相同濃度的的發(fā)泡液，按照1.2泡沫質(zhì)量的測定方法，考察水溫對發(fā)泡能力及泡沫穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見表3。

表3 水溫對發(fā)泡能力及泡沫穩(wěn)定性的影響Table 3 Influence of water temperature on foaming capacity and foam stability

表3顯示，隨水溫的升高，發(fā)泡劑發(fā)泡能力增強(qiáng)，但泡沫消失率先降低后增大。水溫升高，可降低液體表面張力，因而發(fā)泡能力增強(qiáng)。同時，水溫升高，泡沫穩(wěn)定性降低，泡沫消失率增大。故本實驗采用25 ℃左右的水制備泡沫液。

2.2 攪拌工藝參數(shù)對泡沫增量的影響

圖1 攪拌時間對泡沫增量的影響Fig.1 Influence of stirring time on foam increment

攪拌是制備輕質(zhì)磷建筑石膏砌塊的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在選擇了性能優(yōu)良的發(fā)泡劑后，欲使卷入的空氣形成泡沫，必須采用較高的攪拌速度[9]。實驗觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過2 000～2 500 r/min時，隨著轉(zhuǎn)速升高，泡沫增量急劇下降。因此，轉(zhuǎn)速以2 000～2 500 r/min為宜。

在攪拌速度確定以后，本文進(jìn)一步研究了攪拌時間對泡沫增量的影響。在轉(zhuǎn)速為2 000～2 500 r/min、發(fā)泡劑2 mL、水60 mL的條件下，測定了不同攪拌時間的泡沫量，實驗結(jié)果見圖1。

由圖1可知，隨著攪拌時間的增加，泡沫增量迅速上升，攪拌時間到達(dá)5～6 min時，泡沫量達(dá)到峰值。超過6 min后泡沫增量卻隨攪拌時間增長而逐漸下降，可能是因為在充分起泡后，繼續(xù)進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌使得泡沫的液膜遭到攪拌槳葉破壞，從而造成泡沫破滅，可見攪拌時間過長亦會產(chǎn)生不利影響。由實驗結(jié)果可見，攪拌時間為5～6 min時，對泡沫增量比較適宜。

2.3 泡沫液摻入量對石膏砌塊表觀密度和力學(xué)性能的影響

在水灰比0.5、減水劑1.0%的條件下，在磷石膏料漿中摻入不同體積的泡沫液，按照1.2的方法制得樣品并檢測其物理性能，考察泡沫液摻入量對樣品物理性能的影響，結(jié)果見表4和圖2、圖3。

表4 泡沫液摻量對樣品表觀密度和力學(xué)性能的影響Table 4 Influence of foam concentrate on apparent density and mechanical properties of samples

由圖2、圖3可見，隨著泡沫液摻入量的增加，樣品的表觀密度明顯下降，樣品的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度降低幅度較大。說明泡沫液加入后，樣品的內(nèi)部為多孔狀結(jié)構(gòu)，隨著泡沫液摻量的增加，砌塊的孔隙率增大，表觀密度減小，強(qiáng)度降低[10-11]。由以上分析可知，在樣品符合JC/T 698—2010《石膏砌塊》對表觀密度(≤1 100 kg/m3)要求的前提下，選擇泡沫液的摻量為500 mL。

2.4 摻泡沫液的磷建筑石膏砌塊物理結(jié)構(gòu)和物理性能分析

在水灰比0.5、減水劑1.0%的條件下，取700 g的磷建筑石膏，樣品物理性能測試結(jié)果見表5，砌塊的SEM照片見圖4。

圖2 不同泡沫液摻量對表觀密度的影響
Fig.2 Influence of foam concentrate on apparent density of samples

圖3 不同泡沫液摻量對強(qiáng)度的影響
Fig.3 Influence of foam concentrate on strength of samples

表5 摻泡沫液的磷建筑石膏砌塊物理性能Table 5 Physical properties of building phosphogypsum with foam concentrate

圖4 摻泡沫液的磷建筑石膏砌塊孔間壁SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of hole partition of building phosphogypsum with foam concentrate

由表5可知，樣品表觀密度為795 kg/m3，抗壓強(qiáng)度僅為1.62 MPa，吸水率大于60%，軟化系數(shù)僅為0.29?？梢?，摻泡沫液后，雖然砌塊表觀密度小，但強(qiáng)度不高，耐水性不好。

CaSO4·1/2H2O+3/2H2O→CaSO4·2H2O

(2)

由反應(yīng)式(2)可知，半水石膏水化的理論需水量為18.62%，但是，砌塊實際制備過程中，為保證石膏漿體具有一定的流動性，標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量往往高于理論需水量，多余的水分在石膏水化硬化后通過干燥排除，從而在砌塊內(nèi)部留下了孔隙。這部分孔隙固然可使實心石膏砌塊表觀密度減小，但遠(yuǎn)達(dá)不到輕質(zhì)的要求。泡沫液的加入，使砌塊內(nèi)部產(chǎn)生了大量氣孔，總孔隙率增大，因而砌塊的表觀密度得以大幅減小。

由圖4可見，磷建筑石膏硬化體結(jié)構(gòu)疏松，存在大量孔隙，承受外來荷載主要依賴于孔隙間壁的支撐作用。孔隙越多，孔間壁越薄，孔隙的支撐作用就越弱，砌塊的強(qiáng)度就越小。因此，砌塊表觀密度減小，強(qiáng)度減小。

當(dāng)砌塊置于水中時，大量的水很容易進(jìn)入到砌塊中。在水的作用下，CaSO4·2H2O晶體接觸點(diǎn)的熱力學(xué)性能不穩(wěn)定[12]，佷容易發(fā)生融蝕，使強(qiáng)度降低，且強(qiáng)度降低不可逆。表觀密度越小，砌塊吸水率越高，融蝕作用越強(qiáng)，軟化系數(shù)越低。

從以上分析可知，要從根本上改善摻泡沫液的磷建筑石膏砌塊物理性能，提高其強(qiáng)度和耐水性就必須設(shè)法增大孔間壁密實度和強(qiáng)度，以強(qiáng)化其支撐作用。

本文擬在磷建筑石膏砌塊中摻入某種材料，在磷建筑石膏水化的同時，也發(fā)生水化反應(yīng)，生成既能改變和保護(hù)二水石膏晶體形狀和結(jié)晶接觸點(diǎn)，又能有效填充孔間壁上孔隙的水化產(chǎn)物。

2.5 石灰摻量對輕質(zhì)磷建筑石膏實心砌塊物理性能的影響

粉煤灰具有潛在膠凝活性。在半水石膏水化生成二水石膏，產(chǎn)生膠凝體初期強(qiáng)度的同時，粉煤灰活性能夠被堿性激發(fā)劑激發(fā)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，促進(jìn)強(qiáng)度發(fā)展；此外，新生成的水化鋁酸鈣等可以與二水石膏反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣，密實孔隙，進(jìn)一步起到增強(qiáng)作用[13-14]。同時，使磷建筑石膏樣品的耐水性得到一定提高。因此，本實驗選用石灰作為粉煤灰激發(fā)劑，在固定水灰比0.5、減水劑1.0%的條件下，取質(zhì)量比為9∶1的磷建筑石膏與粉煤灰，外摻一定量石灰，制得樣品實驗結(jié)果見表6及圖5，樣品SEM分析見圖6。

表6 石灰對樣品的物理性能影響Table 6 Influence of lime on physical properties of samples

圖5 石灰摻量對樣品物理性能的影響
Fig.5 Influence of lime amount on physical properties of samples

由圖5(a)可見，石灰摻量適當(dāng)時，樣品抗壓強(qiáng)度呈上升趨勢，摻量1.0%時抗壓強(qiáng)度達(dá)4.04 MPa。當(dāng)石灰摻量大于1.0%后，繼續(xù)增加石灰量，樣品抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。圖5(b)顯示，石灰摻量增加，樣品軟化系數(shù)變化不大。從圖5(c)可以看出，隨石灰摻量增加，樣品吸水率先降低后上升，當(dāng)石灰摻量為1.0%時，樣品吸水率最小，為55.14%。

圖6(a)顯示，當(dāng)未摻入石灰時，樣品中粉煤灰顆粒表面比較光滑，腐蝕痕跡很小，此時粉煤灰只作填充作用；圖6(b)顯示，當(dāng)石灰的摻量為1.0%時，樣品中的粉煤灰顆粒表面出現(xiàn)腐蝕痕跡，且存在水化凝膠物質(zhì)。同時，有大量的膠凝物質(zhì)填充和包裹二水石膏晶體。

圖6 不同石灰摻量膠凝材料水化的SEM照片
Fig.6 SEM images of the hydrated cementing materials with different lime amount

由表6可知，當(dāng)石灰摻量為1.0%時，砌塊表觀密度為785 kg/m3，干樣抗壓強(qiáng)度為4.04 MPa，軟化系數(shù)為0.35，砌塊表觀密度及抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》中B08密度等級(≤830 kg/m3)、A3.5強(qiáng)度等級(≥3.5 MPa)的要求。

激發(fā)劑石灰的摻入，可促使磷建筑石膏-粉煤灰物料體系中粉煤灰水化膠凝對砌塊強(qiáng)度貢獻(xiàn)的增大，但石灰摻量過多勢必減少體系中磷建筑石膏的配比，從而導(dǎo)致強(qiáng)度下降。綜上所述，本實驗條件下，比較適宜的石灰摻量約為1.0%。

3 結(jié) 論

采用質(zhì)量比為9∶1的磷建筑石膏與粉煤灰、外摻1.0%石灰、500 mL泡沫液以及水灰比0.5的條件，制備的磷建筑石膏實心砌塊表觀密度785 kg/m3、抗壓強(qiáng)度4.04 MPa、軟化系數(shù)0.35。表觀密度達(dá)到JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》中B08密度等級(≤830 kg/m3)，強(qiáng)度達(dá)到JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》A3.5強(qiáng)度等級(≥3.5 MPa)。