石膏基泡沫混凝土在輕質(zhì)隔墻板中的應(yīng)用研究

張靜，崔龍丹，趙志剛，楊思忠，任成傳，王群，劉興華

（1.北京市燕通建筑構(gòu)件有限公司，北京 102202；2.北京市住宅產(chǎn)業(yè)化集團(tuán)股份有限公司，北京 100161）

0 引言

隨著城市基本建設(shè)的飛速發(fā)展，對(duì)資源再利用和節(jié)能要求日趨嚴(yán)格，傳統(tǒng)燒結(jié)黏土磚、黏土空心磚等填充砌體被輕質(zhì)隔墻板所取代已勢(shì)在必行[1]。輕質(zhì)隔墻板是一種新型節(jié)能墻體材料，是一種外型類似空心樓板的墻材，但其兩側(cè)有公母榫槽，安裝時(shí)只需將板材立起，公母榫涂上少量嵌縫砂漿后拼裝起來即可。輕質(zhì)隔墻板具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱、呼吸調(diào)濕、隔聲、防火等優(yōu)點(diǎn)，且可預(yù)制線管、線盒成品，線管通過板材內(nèi)部通孔鋪設(shè)，無需開槽，只需用打孔機(jī)制作接線盒安裝的方孔，安裝穿線管和接線盒后用建筑結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行固定即可，減少現(xiàn)場(chǎng)操作工序，加快施工速度。目前，輕質(zhì)隔墻板的研究已受到國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注[2-3]，且逐漸應(yīng)用于框架式結(jié)構(gòu)高樓大廈、工業(yè)廠房、民用住宅，樓、堂、館、所的非承重隔墻[4-6]，以及舊房加層改造的分室、分戶、衛(wèi)生間、廚房非承重部位的隔斷，特別適用于防火要求較高的公共娛樂場(chǎng)所。

現(xiàn)階段，我國輕質(zhì)隔墻板種類較多，按其材質(zhì)分為蒸壓加氣混凝土隔墻板、EPS砂漿復(fù)合隔墻板、輕骨料混凝土隔墻板、輕鋼龍骨隔墻板等[7]。蒸壓加氣混凝土隔墻板具有質(zhì)量輕、成本低和隔聲防火好等優(yōu)點(diǎn)[8]，但存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、設(shè)備投資高、板材強(qiáng)度偏低、脆性大、抗沖擊差、吸水率高、易開裂等問題；EPS砂漿復(fù)合隔墻板具有輕質(zhì)、生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)[9]，但其表層板材存在與芯材脫開的風(fēng)險(xiǎn)；輕骨料混凝土隔墻板具有堅(jiān)固耐用、防水防火、保溫隔聲、抗凍性好等特點(diǎn)，但生產(chǎn)需使用輕骨料且經(jīng)高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)[10]，生產(chǎn)工藝較復(fù)雜、設(shè)備投資高，造成成本較高；輕鋼龍骨隔墻板質(zhì)量輕、施工便捷，且管線布設(shè)隱蔽性好、材料運(yùn)輸成本低，但隔聲差、吊掛力低（吊掛重物需要加固，導(dǎo)致成本增加）、敲擊空洞感明顯，另外，輕鋼龍骨與面板受溫度影響引起的變形量不同，導(dǎo)致接縫處易開裂[11]。以工業(yè)固廢脫硫石膏為主要原材料，結(jié)合鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)或玻璃網(wǎng)格布作為增強(qiáng)材料[12]，制備了增韌石膏基泡沫混凝土隔墻板，具有大量消耗固廢材料、工藝簡單、成本低、收縮小、防水、抗沖擊性能和吊掛力高等優(yōu)點(diǎn)，是一種綜合性能優(yōu)良的隔墻板。

本文研究了水料比、水泥摻量和緩凝劑摻量對(duì)石膏基泡沫混凝土物理力學(xué)性能的影響，并確定了最佳配合比，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出適用于石膏基輕質(zhì)隔墻板的自動(dòng)化高效生產(chǎn)工藝，并對(duì)產(chǎn)品性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試和分析。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，北京水泥廠有限責(zé)任公司，其物理力學(xué)性能及化學(xué)成分如表1和表2所示。

表1 P·O42.5水泥的物理力學(xué)性能

表2 P·O42.5水泥的化學(xué)成分 %

脫硫石膏：主要成分為半水石膏，內(nèi)蒙古某電廠產(chǎn)，其礦物組成如圖1所示。

圖1 脫硫石膏的XRD圖譜

發(fā)泡劑：植物蛋白發(fā)泡劑，發(fā)泡倍數(shù)24倍，郴州千夕建筑材料有限公司生產(chǎn)，使用時(shí)按照m（發(fā)泡劑）∶m（水）=1∶30進(jìn)行稀釋，所制得泡沫1 h沉降距為2 mm，1 h泌水率為10%。

減水劑：聚羧酸減水劑，上海英杉新材料科技有限公司生產(chǎn)，減水率26%。

緩凝劑：聚合改性氨基酸類石膏緩凝劑，河北協(xié)同化學(xué)有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方案

按照表3設(shè)計(jì)的試驗(yàn)配方，首先研究水料比、水泥摻量和緩凝劑摻量對(duì)石膏基泡沫混凝土物理力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，其中，水泥摻量和稀釋后發(fā)泡劑摻量按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)，緩凝劑摻量按占石膏質(zhì)量計(jì)。然后，按照最佳配方制備石膏基輕質(zhì)隔墻板，確定最佳成型工藝，并對(duì)其物理力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試與分析。

表3 試驗(yàn)配方設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 石膏基泡沫混凝土的性能

石膏基泡沫混凝土的干密度和抗壓強(qiáng)度按照J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土》進(jìn)行測(cè)試，收縮和軟化系數(shù)按照J(rèn)G/T 169—2016《建筑隔墻用輕質(zhì)條板通用技術(shù)要求》進(jìn)行測(cè)試，凝結(jié)時(shí)間按照GB/T 9776—2008《建筑石膏》進(jìn)行測(cè)試。

1.3.2 石膏基輕質(zhì)隔墻板的性能

石膏基輕質(zhì)隔墻板的各項(xiàng)性能按照J(rèn)G/T 169—2016進(jìn)行測(cè)試。

1.3.3 微觀結(jié)構(gòu)

采用掃描電子顯微鏡對(duì)石膏基泡沫混凝土的微觀孔結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物進(jìn)行觀察與分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 水料比對(duì)石膏基泡沫混凝土性能的影響

按照水泥摻量20%、緩凝劑摻量0.35%制備石膏基泡沫混凝土，研究不同水料比（0.30、0.35、0.40、0.45、0.50）對(duì)其干密度和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 水料比對(duì)石膏基泡沫混凝土性能的影響

由表4可以看出：

（1）隨水料比的增大，石膏基泡沫混凝土的干密度呈先減小后增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)椋?dāng)水料比低于0.35時(shí)，泡沫與漿體之間的摩擦力較大，攪拌過程中大量泡沫破裂，導(dǎo)致其干密度較高。當(dāng)水料比高于0.35時(shí)，漿體稠度變小，凝結(jié)時(shí)間延長，部分泡沫在漿體硬化前破裂，同樣導(dǎo)致干密度逐漸增大，但增幅不大。

（2）石膏基泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水料比的增加呈先提高后降低趨勢(shì)。當(dāng)水料比為0.35時(shí)，所制得石膏基泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，為3.7 MPa。這是因?yàn)椋ㄖ啾旧硇杷枯^高[13]，當(dāng)水料比較小時(shí)，拌合水的用量不能滿足石膏水化的需水量，導(dǎo)致其水化反應(yīng)不完全，抗壓強(qiáng)度未達(dá)到最高值。當(dāng)水料比較大時(shí)，石膏凝結(jié)速度相對(duì)降低，石膏反應(yīng)過程中釋放的熱量導(dǎo)致部分泡沫破裂，同時(shí)，放熱過程加快了水分的蒸發(fā)。上述2種情形均會(huì)使成型試樣的大孔和連通孔率增加，試樣內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)較差導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

2.2 水泥摻量對(duì)石膏基泡沫混凝土性能的影響

按照水料比0.35，緩凝劑摻量0.35%制備石膏基泡沫混凝土，研究不同水泥摻量（0、5%、10%、15%、20%）對(duì)其性能的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 水泥摻量對(duì)石膏基泡沫混凝土性能的影響

由表5可知：

（1）隨著水泥摻量的增加，石膏基泡沫混凝土的干密度呈不斷增大趨勢(shì)。這是因?yàn)椋嗟拿芏认鄬?duì)較高，因此，隨著水泥取代石膏量的增加，制得試樣的干密度也不斷增大。另外，石膏基泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加呈先提高后降低的趨勢(shì)，由未摻水泥時(shí)的2.8 MPa，增加至10%摻量時(shí)的4.8MPa，再降低至水泥摻量20%時(shí)的4.0 MPa。這是因?yàn)?，石膏水化反?yīng)生成具有膨脹性質(zhì)的柱狀CaSO4·2H2O，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)搭接不密實(shí)、孔隙多，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度較低[14]。隨著水泥的摻入，試樣的水化產(chǎn)物中還出現(xiàn)了板狀的CH、網(wǎng)狀的C-S-H及針棒狀的AFt，與石膏水化生成的柱狀CaSO4·2H2O相互搭接、填補(bǔ)孔隙，使得抗壓強(qiáng)度逐漸提高。但隨著水泥摻量的繼續(xù)增大，膠凝材料總需水量不斷減小，在水料比不變的情況下，游離水含量增加，因水分蒸發(fā)產(chǎn)生的有害孔率增加，同樣導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)受損，強(qiáng)度降低。

（2）隨著水泥摻量的增加，石膏基泡沫混凝土的收縮值呈不斷增大的趨勢(shì)，由未摻水泥時(shí)的-0.156 mm/m增加至20%水泥摻量時(shí)的0.161 mm/m。當(dāng)水泥摻量為0～5%時(shí)，試樣表現(xiàn)為膨脹，這是因?yàn)?，此時(shí)試樣中的水化產(chǎn)物以具有膨脹性質(zhì)的CaSO4·2H2O為主，導(dǎo)致試樣出現(xiàn)膨脹。當(dāng)水泥摻量為10%～20%時(shí)，試樣表現(xiàn)為收縮，這是因?yàn)椋瑥?fù)摻水泥后隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行產(chǎn)生較大的塑性收縮和干燥收縮[15]，且水泥摻量越大該現(xiàn)象越明顯，此時(shí)，石膏遇水產(chǎn)生的膨脹不能抵消水泥水化產(chǎn)生的多種收縮，因此，石膏基泡沫混凝土的收縮率隨著水泥摻量的增加而不斷增大。當(dāng)水泥摻量為10%時(shí)，石膏基泡沫混凝土試樣的體積穩(wěn)定性相對(duì)較好，收縮值為0.019mm/m。

（3）隨著水泥摻量的增加，石膏基泡沫混凝土的軟化系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)水泥摻量為10%時(shí)，試樣的軟化系數(shù)達(dá)到最高，為0.62，符合JG/T 169—2016對(duì)防水石膏條板的要求。這是因?yàn)椋嗨傻漠a(chǎn)物具有高強(qiáng)度和水硬性的特點(diǎn)，在合理的水泥摻量范圍內(nèi)，有利于試樣軟化系數(shù)的提高。但當(dāng)水泥摻量過高時(shí)，試樣的孔結(jié)構(gòu)變差，導(dǎo)致其吸水率增加，軟化系數(shù)減小。

2.3 緩凝劑摻量對(duì)石膏基泡沫混凝土性能的影響

按照水膠比0.35，水泥摻量10%制備石膏基泡沫混凝土，研究不同緩凝劑摻量（0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%）對(duì)其終凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 緩凝劑摻量對(duì)石膏基泡沫混凝土性能的影響

由表6可知，隨緩凝劑摻量的增加，石膏基泡沫混凝土漿體的終凝時(shí)間不斷延長，由0.20%摻量時(shí)的65 min延長至0.40%摻量時(shí)的196 min。其抗壓強(qiáng)度則隨著緩凝劑摻量的增加而降低，由0.20%摻量時(shí)的5.8 MPa降低至0.40%摻量時(shí)的4.2 MPa。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)?，緩凝劑的添加?huì)使水化生成的二水石膏晶體形貌發(fā)生改變，針棒狀晶體減少，搭接點(diǎn)減少，不能形成緊密搭接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且隨著緩凝劑摻量的增加，該現(xiàn)象越明顯，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度逐漸降低[16-17]。

綜上可知，當(dāng)水料比為0.35，水泥摻量為10%，緩凝劑摻量為0.25%時(shí)，所制得石膏基泡沫混凝土的綜合性能最佳，其終凝時(shí)間為87 min，干密度為840kg/m3，抗壓強(qiáng)度為5.6 MPa，收縮值為0.019mm/m，軟化系數(shù)為0.62。

2.4 石膏基泡沫混凝土試樣的微觀結(jié)構(gòu)

按上述最佳配合比制備石膏基泡沫混凝土，并對(duì)其微觀孔結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物進(jìn)行觀察，SEM照片如圖2所示。

圖2 石膏基泡沫混凝土的SEM照片

由圖2可見，制得石膏基泡沫混凝土試樣的孔結(jié)構(gòu)較好，孔徑尺寸較小，孔徑分布均勻，且孔壁較厚。生成的水化產(chǎn)物中含有板狀CH晶體，網(wǎng)狀的C-S-H、針棒狀的AFt晶體及柱狀CaSO4·2H2O晶體，這些水化產(chǎn)物相互搭接，使成型試樣的物理力學(xué)性能較好。

2.5 石膏基輕質(zhì)隔墻板成型工藝

按上述最佳配合比制備石膏基輕質(zhì)隔墻板，此時(shí)終凝時(shí)間為87min。因石膏遇水會(huì)快速凝結(jié)硬化，因此在投料時(shí)先將緩凝劑、減水劑與水混合均勻，再加入石膏和水泥，攪拌均勻后發(fā)泡。先將緩凝劑溶于水中后，與石膏發(fā)生反應(yīng)的是溶有緩凝劑的水溶液，該方式有效控制了石膏的凝結(jié)速度，解決了石膏遇水快速硬化問題。石膏基輕質(zhì)隔墻板的成型工藝如圖3所示。

圖3 石膏基輕質(zhì)隔墻板的成型工藝

2.6 石膏基輕質(zhì)隔墻板性能

采用上述最佳配合比的石膏基泡沫混凝土制備3000 mm×600mm×90 mm石膏基輕質(zhì)隔墻板，結(jié)構(gòu)示意見圖4，并按照J(rèn)G/T 169—2016對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表7所示，其所測(cè)性能均符合JG/T 169—2016要求，與不同板材性能對(duì)比情況如表8所示。

圖4 石膏基輕質(zhì)隔墻板結(jié)構(gòu)示意

表7 石膏基輕質(zhì)隔墻板的性能

表8 不同板材性能對(duì)比

3 結(jié)論

（1）當(dāng)水料比為0.35，水泥摻量為10%，緩凝劑摻量為0.25%時(shí)，所制得石膏基泡沫混凝土的綜合性能最佳，其凝結(jié)時(shí)間為87min，干密度為840kg/m3，抗壓強(qiáng)度為5.6MPa，收縮值為0.019 mm/m，軟化系數(shù)為0.62。

（2）石膏基泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布均勻，且孔徑較小，生成的水化產(chǎn)物中含有板狀CH晶體、網(wǎng)狀C-S-H凝膠、針棒狀A(yù)Ft晶體和柱狀CaSO4·2H2O晶體，這些水化產(chǎn)物相互搭接，使成型試樣的綜合性能較好。

（3）采用最佳配合比石膏基泡沫混凝土制備的石膏基輕質(zhì)隔墻板質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，且防水防火性能好、韌性高，還具有較好的吊掛力和抗沖擊性能。