磷石膏保温砂浆的制备

季家友，祝 云，徐 慢，梁兴荣，王 亮，曹 宏，黄志杰

（武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引 言

近10年来，节能环保成为建筑行业发展趋势的主线，干粉砂浆由于其高质量、高效率、经济效益好、环保的优点，得到迅猛发展［1］．无机干粉保温砂浆是以无机类轻质保温材料为轻骨料，再混合由胶凝材料和其他填充料（粉煤灰、矿渣、硅灰等）、添加剂（减水剂、发泡剂等）组成的干粉保温砂浆．研究表明这种以干粉砂浆为基础的无机干粉保温砂浆是一种新型保温节能砂浆材料［2－3］，具有节能、环保、保温隔热、耐老化的优异性能，并且价格低廉，有着广泛的市场需求．

分析保温干粉砂浆的要求和国内外发展现状［4－5］，秉承绿色环保［6－7］废物利用的理念，利用固体废弃物磷石膏来制备磷石膏基保温干粉砂浆．磷石膏并非胶凝材料，但经处理后可变成胶凝材料，研究其处理成胶凝材料后再制备成保温砂浆的可行性具有重大意义．本课题从建筑行业节能环保的角度出发，研究制备了半水石膏基无机保温砂浆，通过一系列单因素比较试验，对砂浆的性能（抗压强度、导热和吸声等）进行重点研究分析，并综合各方面考虑得出配制磷石膏保温砂浆最佳配合比．

1 实验部分

1．1 实验原料

宜化磷石膏，灰白色，相对密度2．05～2．45 g／cm3，其化学成分见表1；市购水泥，P．O 42．5，其化学成分见表2；宜昌硅灰，灰色，相对密度2．1～2．3 g／cm3；生石灰，有效氧化钙质量分数约65%；河北廊坊玻化微珠，球状体细径颗粒；市购玻璃纤维，标准状态下抗拉强度6．3～6．9 g／d，密度2．54 g／cm3；胶粉．

表1 磷石膏的化学成分Table 1 Chemical composition of phosphorus gypsum

表2 水泥的化学成分Table 2 The chemical composition of cement

1．2 磷石膏的预处理及砂浆的制备

磷石膏预处理：称取一定量磷石膏经磨机粗粉碎，再用震击式振筛机获取直径≤0．3 mm的磷石膏粉末，60℃烘干至恒重．以m（磷石膏）∶m（生石灰）＝100∶5，m（磷石膏）∶m（水）＝15∶1的比例称量后混合搅拌均匀，陈化24 h［8］，即完成了磷石膏预处理．陈化结束后，置于烘箱中160℃下24 h得β型半水石膏，研磨成粉，即为建筑石膏；置于蒸压釜中135℃下4．5 h，冷却至常温后于105℃烘干得α型半水石膏研磨成粉，即为高强石膏．

砂浆制备：按配比（表3、表4、表5）称取各原料，干式搅拌30 s，再按水胶比1．5称取水加入，湿搅拌2 min，以70．7 mm×70．7 mm×70．7 mm砂浆试模，振动成型，水泥标准养护箱中养护24 h后拆模，再置于快速养护箱中养护72 h，制备工艺流程图如图1．

表3 不同磷石膏处理工艺下各原料配比Table 3 Ratio of each raw materials under different phosphogypsum process

表4 不同硅灰含量下各原料配比Table 4 Ratio of each raw materials under different silica fume content

表5 不同骨胶比下各原料配比Table 5 Ratio of each raw materials under different bone glue

图1 砂浆制备工艺流程图Fig．1 Flow diagram of slurry preparation process

1．3 性能测试

试块的抗压强度、吸水率、干表面密度、堆积密度按照JGJ／T70－2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》［9］，并参考 GB／T 9776－2008《建筑石膏》［10］进行测试；砂浆试块的导热系数采用热流法测量；吸声系数采用JTZB吸声系数测试系统测量．

2 结果与讨论

2．1 磷石膏含量的影响

不同石膏及不同石膏含量的砂浆性能测试结果如图2所示．

图2 磷石膏含量对砂浆性能影响的结果Fig．2 The result of phosphorus gypsum on performance of mortar

由图2可见随着煅烧（蒸压）石膏／水泥的百分含量的增大，砂浆试块导热系数无明显变化，干表面密度与堆积密度变化较小且两者基本相同．这是由于配方中玻化微珠质量分数为43%，其内部多孔、表面玻化封闭的特性，赋予了它绝对轻质绝热特性，对砂浆的密度、导热系数起到了决定作用［11］．结果也表明砂浆导热系数达到了隔热保温型玻化微珠砂浆的标准，其堆积密度和干表面密度也基本达到国家保温材料标准．

从图中还可看出，随着煅烧（蒸压）石膏／水泥百分含量增大，砂浆抗压强度先增后减，在煅烧m（蒸压石膏）／m（水泥）比为0．80时，抗压强度最大．由于石膏的吸水量比水泥大，实验中水胶比不变，若煅烧（蒸压）石膏相对含量少，便有较多水“剩余”，相当于水胶比变大，砂浆强度变小；相反，若煅烧（蒸压）石膏相对含量太多，建筑石膏可能完全水化成二水石膏，导致砂浆的强度变小，故只有条件适当，砂浆才能获得较理想的综合性能，即：m［煅烧（蒸压）（石膏）］／m（水泥）为0．80．

由表6知，频率为315 Hz时吸声系数达到0．2，表明材料吸声隔声性能好；砂浆吸水率W（0．50）＝138%、W（0．80）＝130%，说明砂浆开口孔隙多；随着煅烧磷石膏／水泥比值的增大，砂浆的吸声系数减小，即：吸声性能降低．

表6 煅烧磷石膏砂浆的吸声系数与吸水率Table 6 The sound absorption coefficient of the calcined phosphogypsum slurry and water absorption

2．2 硅灰含量的影响

在胶凝材料总量不变的情况下，不同硅灰含量砂浆的性能测试结果列于表7中．由表7可知硅灰含量不同的砂浆，干表面密度、导热系数及堆积密度并无明显变化．随着硅含量的增加，砂浆抗压强度先增后减．硅灰主要成分为SiO2，随着硅灰含量增加，砂浆的密实度增加，理论上抗压强度也增加．但由于硅灰的比表面积大，硅灰掺量增加，需水量也增加．在相同用水量条件下，硅灰掺量多时，相对用水量偏少，不利于其水化，使强度降低，同时还会增加砂浆的收缩．为了确保砂浆的综合性能，本实验中硅灰占胶凝材料总量的20%为最佳．

2．3 骨胶比的影响

不同骨胶比的砂浆性能测试结果列于表8．由表8可知，随着骨胶比增大，砂浆导热系数无显著变化，干表面密度、堆积密度均略微减小．影响砂浆干表面密度、堆积密度的主要因素是轻质骨料玻化微珠所占百分含量．随着骨胶比增加，砂浆抗压强度先增后减，吸水率一直增大．综合考虑砂浆的性能，选定最佳骨胶质量比为1∶1．

表7 不同硅灰在胶凝材料中的含量对砂浆性能影响的结果Table 7 Different content of silica fume in gelled material influence on mortar performance results

表8 不同骨胶比对砂浆性能影响的结果Table 8 The effect of different bone glue ratio on mortar performance

2．4 磷石膏处理工艺的影响

由前面结果分析可知两种工艺对砂浆性能的主要影响在于砂浆的抗压强度，如图3所示．

图3 磷石膏处理工艺对砂浆抗压强度影响的结果Fig．3 Effect of phosphogypsum process on compressive strength of mortar

图中的数据显示蒸压磷石膏砂浆的抗压强度比煅烧磷石膏大，且前者抗压强度基本达到了隔热保温型玻化微珠砂浆的墙体所用强度（0．2 MPa）．

两种半水石膏水化机理一样，即半水石膏加水水化成二水石膏，主要区别在于两种半水石膏本身性质．建筑石膏（β型半水石膏）是二水石膏在常压下加热到107～170℃时脱水而得，结晶较细，分散度高，强度较低，用其制备的砂浆强度也较低；高强石膏（α型半水石膏）是二水石膏在0．13 MPa、120～140℃的饱和水蒸气条件下的蒸压釜中蒸炼脱水而得，结晶较粗，比表面积较小，调成石膏浆体的可塑需水量很小，约为35%～45%，因而硬化后孔隙率小，具有较高的强度（7天可达40 MPa）和密实度［12］．另一方面，相同条件下α型半水石膏总的比表面积小，所需用水量少，因而有更多的水分供给来使水泥水化．由于水泥水化产物强度高，使得砂浆强度增加．综合可知，蒸压磷石膏砂浆在同等条件下具有的抗压强度较煅烧磷石膏高，但是并不明显；另一方面，从能量方面来考虑，蒸压磷石膏耗能高，不符合现今节能环保的发展趋势，所以选用煅烧磷石膏作为胶凝材料使用．

3 结 语

a．磷石膏可作为胶凝材料制备保温砂浆；

b．磷石膏保温砂浆最佳配合比为：m（磷石膏）／m（水泥）＝0．80，骨胶质量比为1∶1，硅灰占胶凝材料总量的20%，选用煅烧磷石膏作为胶凝材料使用．

致谢

本研究工作得到了课题组王树林老师、沈凡老师和师兄赵静的帮助，在此衷心表示感谢！

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［10］全国轻质与装饰装修建筑材料标准化委员会．GB／T 9776－2008建筑石膏［S］．北京：中国标准出版社，2008．

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