晶须泡沫磷石膏胶凝材料力学和保温性能研究_王靖东.pdf

-39-第45卷第6期 非金属矿 Vol.45 No.62022年11月 Non-Metallic Mines November,2022晶须泡沫磷石膏胶凝材料力学和保温性能研究王靖东1,2 刘 鹏1,2*李 元1,2 陈明胜1,2 于 可3 黄彦森3 罗 旭3 武宁波3（1 贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025;2 贵州省岩土力学与工程安全重点实验室，贵州 贵阳 550025；3 贵州联建土木工程 质量检测监控中心有限公司，贵州 贵阳 550016）摘 要 将磷石膏应用于建筑行业是解决磷石膏堆积问题、提高磷石膏综合利用率的主要途径之一。以磷石膏制备的半水磷石膏作为基材，可制备导热系数低、抗压强度高的轻质复合保温建筑材料。本试验采用物理发泡的方式，通过单因素试验研究泡沫掺量、无水硫酸钙晶须（ACSW）掺量和水料比对泡沫磷石膏基复合保温材料的导热系数和力学性能的影响，以确定最佳制备工艺。结果表明，随着泡沫掺量的增加，材料的力学强度持续降低，导热系数先降低后增加再降低；随 ACSW 掺量的增加，材料的力学强度先增加后减小，导热系数无明显变化；水料比增加，材料的力学强度持续降低，导热系数先减小后增加。当泡沫掺入量为 8%，ACSW 掺入量为 3.5%，水料比为 0.3 时，制得的泡沫半水磷石膏复合保温材料性能最佳，其 28 d 抗折强度为 0.65 MPa，28 d 抗压强度为 2.44 MPa，导热系数为 0.144 0 W/(mK)。关键词 泡沫半水磷石膏；无水硫酸钙晶须；胶凝材料；导热系数；力学性能中图分类号：TU528.062；TU502+.6文献标志码：A文章编号：1000-8098(2022)06-0039-05Study on Mechanical and Thermal Insulation Properties of Whisker Foam Phosphogypsum Cementitious Material Wang Jingdong1,2 Liu Peng1,2*Li Yuan1,2 Chen Mingsheng1,2 Yu Ke3 Huang Yansen3 Luo Xu3 Wu Ningbo3(1 College of Civil Engineering,Guizhou University,Guiyang,Guizhou 550025;2 Guizhou Provincial Key Laboratory of Rock and Soil Mechan-ics and Engineering Safety,Guiyang,Guizhou 550025;3 Guizhou Lianjian Civil Engineering Quality Inspection and Monitoring Center Co.,Ltd.,Guiyang,Guizhou 550016)Abstract Applying phosphogypsum to the construction industry is one of the main ways to solve the problem of phosphogypsum accumulation and improve the comprehensive utilization rate of phosphogypsum.Hemi hydrated phosphogypsum prepared from phosphogypsum can be used as the base material to prepare light composite thermal insulation building wall materials with low thermal conductivity and high compressive strength.In this experiment,physical foaming is used to explore the influence of foam content,anhydrous calcium sulfate whisker content and water to mate-rial ratio on the thermal conductivity and mechanical properties of foam phosphogypsum based composite insulation materials through single factor experiments,so as to determine the best preparation conditions.The experiment results show that with the increase of the amount of foam,the mechanical strength of the material continuously decreases,and the thermal conductivity first decreases,then increases,and finally decreases;with the increase of ACSW content,the mechanical strength of the material first increases and then decreases,and the thermal conductivity has no obvious change;with the increase of water to material ratio,the mechanical strength of the material continues to decrease,and the thermal conductivity first decreases and then increases.When the foam content is 8%,anhydrous calcium sulfate whisker content is 3.5%and water-material ratio is 0.3,the prop-erties of the foam hemihydrate phosphogypsum composite insulation materials are the best.Its 28 d flexural strength is 0.65 MPa,28 d compressive strength is 2.44 MPa,and thermal conductivity is 0.1440 W/(mK).Key words foam hemihydrate phosphogypsum;anhydrous calcium sulfate whisker;cementitiows materials;thermal conductivity;mechanical properties磷石膏是湿法生产磷酸(H3PO4)产生的废渣，每生产 1 吨 H3PO4产生 4.55.5 吨磷石膏1。磷石膏的利用具有经济和环境效益，已有研究多将磷石膏用于土壤调理剂、水泥制造和建筑材料等2。Chen 等3将生石灰、粉煤灰和水泥加入半水磷石膏中,然后采用不同的发泡方法对改性磷石膏基胶凝材发泡，研究了发泡磷石膏基胶凝材料的力学和隔热性能，制备墙体保温材料。Ma 等4用-半水磷石膏制备多孔吸音材料，研究了材料的吸音性能和机械强度。郑绍聪等5以磷建筑石膏为原料，研究磷渣粉对磷建筑石膏力学性能和微观性能的影响。将泡沫掺入磷石膏复合材料中得到新型建筑材收稿日期：2022-10-01基金项目：基于 5G 和“机器视觉”技术的智能机器人在隧道监测中的应用技术研究与示范（黔科合支撑 2021 一般 523）；基于机器视觉的工程安全监测技术研究与应用（黔科中引地 2021 4023）；建筑工程结构全寿命周期健康监测技术研究（科筑合同 2021 43-20）；贵州大学勘察设计研究院有限责任公司创新基金（贵大勘察202205）。*通信作者，E-mail：。-40-第45卷第6期 非金属矿 2022年11月料，具有轻质、保温隔热、隔音防火性能好等优点6，但发泡磷石膏材料的强度较低，需要加入纤维或晶须提高强度。目前，多数研究通过纤维改善磷石膏材料的性能，纤维与石膏的界面黏结状况较差，并且在高温条件下，有机纤维会降低石膏制品的稳定 性7。无水硫酸钙晶须(ACSW)具有高强度、高模量、高韧性、耐磨耗、耐高温、耐酸碱、抗腐蚀、易与聚合物复合、无毒等优良性能，且价格低廉，是一种市场前景极广阔的新型无机材料8，ACSW 与磷石膏基体之间界面结合较好，相容性优良9，由磷石膏可制备 ACSW10，在改善磷石膏性能的同时，提高了磷石膏的利用率。基于此，本试验采用物理发泡的方法，以半水磷石膏为基材，掺入一定量 ACSW 制备泡沫半水磷石膏保温材料，探究泡沫量、水料比和 ACSW 掺量对该复合材料力学和导热性能的影响，为磷石膏作为墙体保温材料提供理论和技术支持。1 试验部分1.1 原料 磷石膏，贵州开磷磷石膏综合利用有限公司，灰色粉末；生石灰，宜宾川灰生物科技有限公司，白色粉末，主要成分为 CaO；海螺牌复合硅酸盐水泥 PC 42.5，市购，灰色粉末；矿粉，巩义市龙泽净水材料有限公司，灰色粉末；无水硫酸钙晶须，顺捷塑胶科技黄江分公司，白色棉絮，主要成分为CaSO4；CQJ-JSS02 聚羧酸减水剂和 CQ-SHJ09 石膏缓凝剂，上海臣启化工科技有限公司，白色粉末；物理发泡剂，合肥百乐能源设备有限公司，复合聚合物水泥发泡剂，无色黏稠液体。磷石膏和矿粉的主要化学成分，见表 1。表 1 磷石膏和矿粉的主要化学成分（w/%）原料CaOSiO2Al2O3 SO3Fe2O3MgOP2O5磷石膏39.522.680.355.280.37-0.89矿粉34.0034.5017.701.641.036.01-试验所用半水磷石膏是将磷石膏自然风干后过0.315 mm 方孔筛，然后放入 160 烘箱烘烤 2 h，取出并密封陈化 7 d 得到的-半水磷石膏。半水磷石膏和无水硫酸钙晶须的 X 射线衍射（XRD）图谱，见图 1。从图 1 可看出，半水磷石膏主要成分为 CaSO40.5H2O 和 CaSO4，ACSW 的主要成分为 CaSO4，两者成分相似。ACSW 可由磷石膏制备得到，两者具有内在相容性，ACSW 能与石膏晶体紧密结合11。与一般晶须或纤维相比较，ACSW 与磷石膏能够更好地结合从而提高石膏材料的强度。图1 半水磷石膏（a）和无水硫酸钙晶须（b）XRD图谱1.2 试验步骤 采用单因素试验分别研究泡沫掺量、ACSW 掺量和水料比对泡沫磷石膏复合保温材料的导热和力学性能影响。采用内掺法，以半水磷石膏、水泥、矿粉、生石灰、ACSW、减水剂、缓凝剂为内掺料。首先固定减水剂掺量为内掺料的 0.75%，缓凝剂掺量为 0.2%，无水硫酸钙晶须掺量为 2.5%，设置水泥、矿粉和生石灰配比为 10%、4%、5%，将内掺料混合并搅拌均匀，控制水料比为 0.3，加水调和、搅拌；按照发泡剂与水质量比为 140 制作发泡剂稀释液，并将其加入发泡机制备泡沫，控制泡沫外掺量质量分数（占内掺料）为 0、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%并搅拌均匀，分别倒入 160 mm40 mm40 mm、300 mm300 mm30 mm 的模具中制作试件，终凝后脱模。在温度为（202）条件自然养护 7 d、28 d后，按照 GB/T 17669.3-1999建筑石膏力学性能的测定 分别测定 7 d 和 28 d 的绝干抗压、抗折强度，按照GB/T 10294-2008绝热材料稳态热阻及有