石膏基保溫板的制備及性能研究

周 海，薛紹秀，張 文，胡 宏，晏 波

（甕福（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

石膏是一種氣硬性無機膠凝材料，主要成分為CaSO4，按照來源可分為天然石膏和工業副產石膏，天然石膏主要包括二水石膏和硬石膏，工業副產石膏有磷石膏、脫硫石膏等，天然石膏和工業副產石膏經加工后均可用來生產建筑石膏［1-3］。全球每年排放磷石膏約1億t，其資源化利用成為一項技術難題［4］。隨著我國城鎮化進行，新型建筑材料的需求不斷增加。石膏材料與其他建筑材料相比，具有輕質、微孔、凝結硬化快和導熱系數低等特點［5］，制備得到的石膏產品無毒、易加工，具有良好的保溫、隔熱和隔聲性能［6-7］。

磷石膏通過特殊工藝制成綠色建筑材料，可以解決磷石膏堆存問題，緩解環境壓力，節約資源［8-10］。目前國內外很多學者從發泡劑種類、發泡方式、外加添加劑、磷石膏預處理等方面對石膏制建筑材料進行了大量研究［11-15］。

筆者以α高強石膏為原料，采用物理發泡方法制備石膏基保溫板，探索發泡劑濃度、緩凝劑摻入量和水膏質量比對石膏基保溫板干密度、流動度、力學強度和導熱系數的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

α高強石膏，甕福（集團）有限責任公司，其基本性能見表1；緩凝劑，蛋白類石膏緩凝劑，河北申輝石膏緩凝劑有限責任公司；發泡劑，植物蛋白類發泡劑。

表1 α高強石膏基本性能

1.2 實驗方法

配制一定濃度的發泡劑，用發泡機發泡完全。稱取一定量的α高強石膏，按一定水膏質量比和緩凝劑摻入量加入水、緩凝劑后，加入發泡劑并攪拌均勻，澆筑在40 mm × 40 mm × 160 mm模具內，將試塊放入（40±2）℃恒溫干燥鼓風箱內干燥，烘干至恒定質量，測定其干密度和力學性能。

1.3 石膏基保溫板性能表征

1） 流動度測定 試模采用JC/T 985—2017中規定的內徑（30 ± 0.1）mm、高（50 ± 0.1）mm 的金屬空心圓柱體，測試板采用300 mm×300 mm 的平板玻璃。將流動度試模水平放置在測試板中央，測試板表面應平整光潔、無水滴。將制備好的試樣灌滿流動度試模后，刮去試模上口多余的料漿，在2 s內垂直向上提升50～100 mm，保持10～15 s使試樣自由流動。待流動停止4 min后，測互相垂直2個方向的直徑，取其算術平均值作為測定值，精確至1 mm。

2） 干密度測定 每個樣品成型3個試塊，稱量試塊烘干后的質量，按式（1）計算石膏基保溫板干密度：

式中m——試塊的質量，kg；

V——試塊的體積，m3；

ρ——試塊的干密度，kg/m3。

3） 力學性能測定 將烘干后的試樣置于抗壓夾具內，試樣的成型面與受壓面垂直，受壓面積為40.0 mm×40.0 mm，試樣中心與下臺板球軸中心對應。試樣加載后30 s左右破壞，記錄破壞時的荷載F，抗壓強度p按式（2）計算：

式中p——抗壓強度，MPa；

F——破壞荷載，N；

S——橫截面積，mm2。

4） 導熱系數測定 采用IMDRY3001-X 雙平板導熱系數測定儀測定石膏基保溫板導熱系數。

2 結果與討論

2.1 單一因素實驗

2.1.1 水膏質量比對石膏基保溫板物理性能的影響

水膏質量比是影響石膏基保溫板物理性能的重要因素之一，合適的水膏質量比可以讓發泡劑與石膏更好地混合，增加體系的流動性，提高石膏基保溫板的抗壓、抗折強度。固定發泡劑與水質量體積比為1/250 g/mL、緩凝劑摻入量為0.01%，探索水膏質量比為38%、40%、42%、44%、46%對石膏基保溫板物理性能的影響，結果見圖1。

圖1 水膏質量比對石膏基保溫板物理性能的影響

由圖1a.可知，隨著水膏質量比增加，石膏基保溫板的干密度不斷減小，流動度增加，導熱系數減小。這是因為隨著用水量增大，體系中發泡劑泡沫消散快，當水膏質量比為46%時，試塊水含量高，干密度降低；隨著水膏質量比增加，出現消泡現象，泡孔大，導致石膏基保溫板的導熱系數減小。

由圖1b.可知，隨著水膏質量比增加，在相同體積的試塊中，水含量增大，石膏含量減小，承載載荷的膠凝組分減少，導致抗壓能力減弱。隨著用水量增加，體系中泡沫穩定性差，形成的氣泡大，導致石膏基保溫板中泡孔壁薄、泡孔大，出現裂孔，這些導致石膏基保溫板抗壓、抗折強度降低。在水膏質量比為42%時，石膏基保溫板干密度在503 kg/m3，抗壓強度在2.1 MPa 左右，導熱系數為0.12 W/（m·K）。為了滿足工藝生產要求，選擇水膏質量比為42%，此時石膏基保溫板具有一定的流動性和較好的力學性能。

2.1.2 緩凝劑摻入量對石膏基保溫板物理性能的影響緩凝劑可以使石膏的凝結時間延長，增加石膏基保溫板的流動度。固定發泡劑與水質量體積比為1/250 g/mL、水膏質量比為42%，探索緩凝劑摻入量對石膏基保溫板物理性能的影響，結果見圖2。

圖2 緩凝劑摻入量對石膏基保溫板物理性能的影響

由圖2a.可知，隨著緩凝劑摻入量增加，石膏基保溫板干密度減小。當緩凝劑摻入量高于0.025%時，石膏基保溫板流動度增加量較大；當緩凝劑摻入量大于0.055%時，流動度增加的趨勢減弱。緩凝劑摻入量增加，凝結時間延長，泡沫在體系中消泡快，泡孔變大，干密度減小，導熱系數減小，但減小的趨勢較小。

由圖2b.可知，隨著緩凝劑摻入量增加，石膏基保溫板抗壓、抗折強度減小。在摻入量為0.025%時，石膏基保溫板干密度為503 kg/m3，流動度為85 mm，抗壓強度為2.1 MPa，導熱系數為0.118 W/（m·K），所以選擇緩凝劑的摻入量為0.025%。

2.1.3 發泡劑與水質量體積比對石膏基保溫板物理性能的影響

固定水膏質量比為42%、緩凝劑摻入量為0.025%，探索發泡劑與水質量體積比對石膏基保溫板物理性能的影響，結果見圖3。

圖3 發泡劑與水質量體積比對石膏基保溫板物理性能的影響

由圖3a.可知，隨著發泡劑與水質量體積比減小，石膏基保溫板干密度減小，流動度增加，導熱系數減小。發泡劑與水質量體積比是影響石膏基保溫板性能的重要因素，當發泡劑與水質量體積比降低，使用發泡機制備出的泡沫水含量增加，發泡效果差，泡沫穩定性差，加入相同量發泡劑，烘干后得到的石膏基保溫板干密度小。導熱系數與干密度成正比，泡孔大，干密度小，導熱系數減小。發泡劑與水質量體積比低，體系中水含量增加，其流動度增加。

由圖3b.可知，隨著發泡劑與水質量體積比降低，抗壓強度、抗折強度減小。發泡機制備出的泡沫水含量增加，在與石膏攪拌時，穩定性差，出現消泡現象，得到的試塊泡孔大，氣孔壁薄，出現大量裂孔，還有輕微塌模現象，導致石膏基保溫板力學強度降低。從圖3 中可知，當發泡劑與水質量體積比小于1/250 g/mL時，石膏基保溫板干密度、抗壓強度、抗折強度快速下降。在發泡劑與水質量體積比為1/250 g/mL時，其抗壓強度在2 MPa左右，導熱系數為0.117 W/（m·K），還具有較好的流動度，因此選擇發泡劑與水質量體積比為1/250 g/mL。

但是雖然eFAST方案具有不錯的診斷準確性和比較理想的效果，在我國進行推廣仍舊存在一些困難和阻礙，比如對醫師的培訓和相關操作的規范制度還沒有完整建立起來，我科在近期嘗試開展急診醫師的床邊超聲培訓，內容包括理論學習和實踐操作，通過授課，講座和專業人員親身示范等方式增強醫師的專業素養和職業技能水平，為eFAST的開展創造有利條件。

2.2 響應曲面優化實驗

通過響應曲面優化實驗，考察各因素之間相互作用對石膏基保溫板物理性能的影響。

2.2.1 實驗設計

在單因素實驗的基礎上，確定發泡劑與水質量體積比、緩凝劑摻入量和水膏質量比對石膏基保溫板干密度、抗壓強度、導熱系數的影響。運用Design-Expert中的Box-Behnken進行三因素三水平實驗設計，實驗因素水平如表2 所示。

表2 實驗因素水平

2.2.2 響應曲面實驗結果及方差分析

響應曲面實驗設計及結果見表3，石膏基保溫板干密度、抗壓強度及導熱系數為響應值，運用Design-Expert 對實驗結果進行回歸分析，得到線性回歸方程及方差。

石膏基保溫板干密度、抗壓強度、導熱系數方差分析分別見表4、表5、表6。

由表4可知，發泡劑與水質量體積比與水膏質量比對石膏基保溫板干密度的影響較為顯著，3個因素對石膏基保溫板干密度影響的順序為：發泡劑與水質量體積比＆gt;水膏質量比＆gt;緩凝劑摻入量。由表5可知，發泡劑與水質量體積比和水膏質量比對石膏基保溫板抗壓強度影響顯著，3因素對抗壓強度影響順序為：發泡劑與水質量體積比＆gt;水膏質量比＆gt;緩凝劑摻入量。由表6 可知，3 因素對石膏基保溫板導熱系數的影響順序為：發泡劑與水質量體積比＆gt;水膏質量比＆gt;緩凝劑摻入量。從顯著性檢驗分析可知在石膏基保溫板制備過程中發泡劑與水質量體積比及水膏質量比是關鍵參數。

表4 石膏基保溫板干密度方差分析

表5 石膏基保溫板抗壓強度方差分析

表6 石膏基保溫板導熱系數方差分析

通過實驗優化得到的數學模型為：

2.2.3 雙因子交互作用

石膏基保溫板干密度響應面3D圖見圖4。由圖4a.可知，當水膏質量比一定時，石膏基保溫板干密度隨著發泡劑與水質量體積比降低而減小，緩凝劑摻入量對石膏基保溫板干密度影響較小。對石膏基保溫板干密度影響顯著性大小為發泡劑與水質量體積比＆gt;緩凝劑摻入量。由圖4b.可知，緩凝劑摻入量一定，隨著水膏質量比增加，石膏基保溫板干密度減小，水膏質量比一定時，發泡劑與水質量體積比減小，石膏基保溫板干密度減小，發泡劑與水質量體積比的影響較為顯著。由圖4c.可知，隨著水膏質量比增加，石膏基保溫板干密度減小，水膏質量比的影響較緩凝劑摻入量顯著。綜上所述，對石膏基保溫板干密度影響的顯著性大小為發泡劑與水質量體積比＆gt;水膏質量比＆gt;緩凝劑摻入量。

圖4 石膏基保溫板干密度響應面3D圖

石膏基保溫板抗壓強度響應曲面3D 圖見圖5。由圖5a.可知，水膏質量比一定，隨著發泡劑與水質量體積比減小，石膏基保溫板抗壓強度降低，緩凝劑摻入量對抗壓強度的影響較小，所以對抗壓強度影響顯著性大小為發泡劑與水質量體積比＆gt;緩凝劑摻入量。由圖5b.可知，緩凝劑摻入量一定的條件下，發泡劑與水質量體積比和水膏質量比對石膏基保溫板抗壓強度的影響較為顯著，隨著水膏質量比增加、發泡劑與水質量體積比減小，石膏基保溫板抗壓強度降低，影響抗壓強度的顯著性大小為發泡劑與水質量體積比＆gt;水膏質量比。由圖5c.可知，發泡劑與水質量體積比一定，水膏質量比與緩凝劑摻入量相互作用下，對石膏基保溫板的抗壓強度影響較小，影響抗壓強度的顯著性大小為水膏質量比＆gt;緩凝劑摻入量。綜上所述，3 因素對石膏基保溫板抗壓強度影響的顯著性大小為發泡劑與水質量體積比＆gt;水膏質量比＆gt;緩凝劑摻入量。

圖5 石膏基保溫板抗壓強度響應面3D圖

石膏基保溫板導熱系數響應面3D圖見圖6。

圖6 石膏基保溫板導熱系數響應面3D圖

由圖6a.可知，水膏質量比一定，隨著發泡劑與水質量體積比減小，石膏基保溫板導熱系數降低，緩凝劑摻入量對導熱系數的影響較小，所以對導熱系數影響的顯著性大小為發泡劑與水質量體積比＆gt;緩凝劑摻入量。由圖6b.可知，緩凝劑摻入量一定的條件下，發泡劑與水質量體積比和水膏質量比對石膏基保溫板導熱系數的影響較為顯著，隨著水膏質量比增加、發泡劑與水質量體積比減小，石膏基保溫板導熱系數降低，影響顯著性大小為發泡劑與水質量體積比＆gt;水膏質量比。由圖6c.可知，發泡劑與水質量體積比一定，水膏質量比與緩凝劑摻入量相互作用下，石膏基保溫板導熱系數影響顯著性大小為水膏質量比＆gt;緩凝劑摻入量。綜上所述，3因素對石膏基保溫板導熱系數影響的顯著性大小為發泡劑與水質量體積比＆gt;水膏質量比＆gt;緩凝劑摻入量。

發泡劑與水質量體積比在石膏基保溫板制備過程中是主要控制參數。

2.2.4 優化結果驗證

對模型進行最優值處理，得到最佳工藝條件：發泡劑與水質量體積比為1/247.55 g/mL、水膏質量比為42.53%、緩凝劑摻入量為0.023%，石膏基保溫板干密度為501.55 kg/m3，抗壓強度為2.10 MPa，導熱系數為0.118 W/（m·K）。在最佳工藝條件下進行實驗驗證，進行3次平行實驗，所得石膏基保溫板干密度平均值為503.19 kg/m3，抗壓強度平均值為2.12 MPa，導熱系數平均值為0.119 W/（m · K）。預測值與實驗值接近，表明該模型可以準確反映各因素之間的關系。

3 結論

（1）通過單因素實驗，可以得到隨著發泡劑與水質量體積比降低、水膏質量比增加，石膏基保溫板干密度逐漸減小，抗壓強度降低，導熱系數減小。緩凝劑摻入量對石膏基保溫板干密度、導熱系數和抗壓強度的影響較小，但是對體系流動度影響較為顯著。最佳工藝條件：發泡劑與水質量體積比為1/250 g/mL、水膏質量比為42%、緩凝劑摻入量為0.025%，在此條件下，得到的石膏基保溫板干密度為503 kg/m3，抗壓強度為2.12 MPa，抗折強度為0.78 MPa，導熱系數為0.117 W/（m·K），流動度能達到80 mm。

（2）采用響應曲面法進行優化實驗，建立發泡劑濃度、水膏質量比、緩凝劑摻入量與石膏基保溫板干密度、抗壓強度和導熱系數的響應模型：

（3）用建立的模型進行優化實驗驗證，得到最佳工藝條件：發泡劑與水質量體積比為1/247.55 g/mL、水膏質量比為42.53%、緩凝劑摻入量為0.023%，該條件下所制得石膏基保溫板干密度為503.19 kg/m3，抗壓強度為2.12 MPa，導熱系數為0.119 W/（m ·對石膏基保溫板干密度、抗壓強度和導熱系數影響的顯著性關系為：發泡劑與水質量體積比＆gt;水膏質量比＆gt;緩凝劑摻入量。