轻质镁水泥隔墙板的工艺优化

肖俊华， 赖德明， 李衍春， 海凌超， 赵 斌

(广东产品质量监督检验研究院， 广东 顺德 528300)

0 引言

在我国能源消耗结构中，建筑能耗约占全社会能源总消耗比例的30%[1]，建筑节能已迫在眉睫.中国建筑材料联合会在《建材工业“十三五”发展指导意见》中就曾指出：重点发展应用于复合夹芯墙板的超轻质泡沫混凝土，加快发展轻质高强保温的建筑用各种板材，引导发展利废节能的轻质内隔墙板[2].通过发泡法制备的镁水泥隔墙板，由于内部含有大量密闭气孔，使得隔墙板具有较高的保温性能，研究结果表明，每一吨保温材料的使用可每年节约煤炭约3～7吨[3].多孔的轻质镁水泥隔墙板还能使建筑物的自重降低约25%[4]，从而提高构件的承载能力.建筑物自重降低的同时，结构和基础费用也随之减少，具有显著的经济效益和广阔的市场前景.

Wang F等[5]用骨蛋白水解物作为发泡剂通过物理发泡法制备了轻质镁水泥泡沫板，发现镁水泥泡沫板具有优异的保温隔热性能，但是力学强度较低，无法将其用作墙体材料使用，而且需要使用发泡机械预先制备气泡，气泡的稳定性和均匀性较差.轻质镁水泥隔墙板的力学强度主要取决于胶凝材料的组成、发泡剂的类型和添加量等[6,7].通过控制水灰比和发泡剂添加量，可以控制镁水泥的强度和凝固时间.稳定剂的主要功能则是稳定气泡，以免气泡破灭或者逸出.增稠剂可显著提高浆料的稠度，提高材料的稳定性和强度，并减小孔径.这些添加剂可以使制备出的轻质镁水泥隔墙板性能更加优异.

本研究采用化学发泡法，通过改变水灰比、发泡剂添加量、稳定剂添加量、增稠剂添加量来调节轻质镁水泥隔墙板的体积密度和力学强度，从而获得简单制备高强轻质镁水泥隔墙板的最佳工艺，为化学发泡轻质镁水泥隔墙板的工业化生产及应用提供技术指导和理论支持.

1 试验部分

1.1 试验材料

轻烧氧化镁(MgO)，工业级，辽宁省发达矿业有限公司；六水氯化镁(MgCl2·6H2O)和七水硫酸镁(MgSO4·7H2O)，工业级，山东裕丰化工有限公司；双氧水，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；二氧化锰，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；硬脂酸钙，化学纯，温州市化学用料厂；聚丙烯酰胺，阴离子型，分析纯，国药集团化学试剂有限公司.

1.2 试验仪器

数显直流无级调速搅拌器，SXJQ-1，郑州长城科工贸有限公司；精密推台锯，MJ-90，沈阳新宇木工机械厂；恒温鼓风干燥箱，DZF-300，北京恒丰场伟科技有限公司；电子天平，DJ-3002型，福州华志科学仪器有限公司；微机控制万能力学试验机，MWW-100，济南耐而试验机有限公司.

1.3 轻质镁水泥隔墙板的制备

以水灰比(拌和时盐水用量与氧化镁粉质量之比)、发泡剂(双氧水)添加量、稳定剂(硬脂酸钙)和增稠剂(聚丙烯酰胺)的添加量作为试验因素，设计四因素三水平的L9(34)正交试验，如表1所示.将六水氯化镁、七水硫酸镁和水按照1∶0.5∶1.3的质量比配成盐水备用，氧化镁粉与硬脂酸钙混合均匀后加入盐水并搅拌均匀，再加入二氧化锰和聚丙烯酰胺搅拌5 min后，迅速加入双氧水发泡剂，高速搅拌10 s即制得发泡胶料；将制得的发泡胶料倒入模具中，并将模具置于恒温恒湿箱中(温度25 ℃，相对湿度大于60%)进行静停发泡，24 h后脱模取出，再在室温下养护7天即制得轻质镁水泥隔墙板.然后在85 ℃左右干燥箱中干燥至恒重再进行性能测试.以体积密度、压缩强度和弯曲强度作为考核指标，优选出制备轻质镁水泥隔墙板的较佳制备工艺.其中所有涉及的百分比均是相对于镁水泥胶料的质量百分比.

表1 正交试验因素水平

1.4 性能测试或表征

(1)体积密度：制备40 mm×40 mm×40 mm试件，按照GB/T 11969-2008标准中的试验方法进行，每组试样测试5个，取平均值.

(2)压缩强度：制备尺寸为40 mm×40 mm×40 mm的试件，按照GB/T 5486-2008标准中的试验方法进行，每组试样测试5个，取平均值.

(3)弯曲强度：制备尺寸为160 mm×40 mm×40 mm的试件，按照GB/T 5486-2008标准中的试验方法进行，每组试样测试5个，取平均值.

2 结果与讨论

检测了各组轻质镁水泥隔墙板的体积密度、压缩强度和弯曲强度，具体试验结果如表2所示.

表2 正交试验设计与结果

2.1 轻质镁水泥隔墙板的体积密度

体积密度是轻质镁水泥隔墙板的重要物性指标，体积密度的大小直接影响到隔墙板的物理力学性能.为研究各因素对轻质镁水泥隔墙板体积密度的影响程度，根据表2的试验结果，对其进行显著性分析，结果如表3所示.

表3 各因素对体积密度影响的显著性分析

由表3可知，各因素的F比均小于F0.05，说明各因素对轻质镁水泥隔墙板的体积密度影响均不显著，其中四个因素中按影响程度由大到小依次为：发泡剂添加量、水灰比、增稠剂添加量、稳定剂添加量，即BADC.因此，可以通过控制发泡剂添加量的大小控制轻质镁水泥隔墙板的体积密度.

图1是各因素水平对轻质镁水泥隔墙板体积密度影响的效应曲线.从图1可以看出，水灰比从1.35增大到1.45时，体积密度逐渐下降，主要是因为水灰比增大，胶凝材料的粘稠度降低，对发泡产生的气泡阻力变小[8]，导致气泡变大而体积密度增大.发泡剂添加量从7‰增大到9‰，体积密度显著降低，是因为发泡剂添加量会影响气泡的内动力大小，发泡剂添加量的增加，使气泡核增加，导致分解产生的气泡增多，从而气泡所产生的内动力就逐渐增大[9]，宏观上表现为镁水泥的气孔增大，体积密度降低.稳定剂可降低气泡表面的表面张力，有效提高气泡的稳定性[10,11]，而增稠剂对体积密度的作用与稳定剂类似，增大了浆体稠度，使气泡不易破灭或者从浆体溢出，添加量的增大也会造成轻质镁水泥隔墙板的体积密度减小.体积密度的降低减少了相同体积保温板中的基体物质，必然会影响其力学强度，因此，为强度考虑，本研究选择体积密度较大的配比组合：B1A1D1C1.

图1 各因素对体积密度影响的效应曲线

2.2 轻质镁水泥隔墙板的压缩强度

轻质镁水泥隔墙板作为潜在的保温墙体，在应用时承压性能是最重要的一项考究指标，表4为各因素对轻质镁水泥隔墙板压缩强度影响的显著性分析.

表4 各因素对压缩强度影响的显著性分析

由表4可知，各因素的F比均小于F0.05，说明各因素对轻质镁水泥隔墙板的压缩强度影响均不显著，其中FB>FA>FD>FC，说明发泡剂添加量对压缩强度的影响最为明显，而且影响因素由大到小排序依次为：发泡剂添加量、水灰比、稳定剂添加量、增稠剂添加量，即BADC.

图2是各因素水平对轻质镁水泥隔墙板压缩强度影响的效应曲线.从图2可以看出，随着水灰比和发泡剂添加量增大，轻质镁水泥隔墙板的压缩强度下降，其中发泡剂添加量变化对压缩强度的降低明显要高于水灰比.水灰比增大时，浆体流动度增加，对气泡长大的阻力下降，气泡孔径会随之变大.发泡剂添加量增加同样会导致保温板的气孔直径增大，研究表明无机发泡材料的孔径每增大1 mm，则强度减小25%～30%[12].硬脂酸钙稳定剂具有稳定气泡的能力，可以减少内部气泡的不均匀分布、不规则和并泡等缺陷[13]，从而提高机械强度.然而，硬脂酸钙也会在浆料中形成疏水膜，过量添加硬脂酸钙会阻碍盐水与氧化镁颗粒的接触[14,15]，不利于浆体的水化，导致试样的机械强度降低.因此，稳定剂添加量增加，压缩强度先增大后减小.聚丙烯酰胺增稠剂添加量增大，压缩强度则是先减小后增大.聚丙烯酰胺分子上的酰胺基水解转化为羧基，同浆体中的Mg2+发生化学反应形成稳定的络合物[16,17]，从而增大了材料的粘结力和整体性.综上所述，得到轻质镁水泥隔墙板压缩强度高的最佳配比组合为B1A1D3C2.

图2 各因素对压缩强度影响的效应曲线

2.3 轻质镁水泥隔墙板的弯曲强度

弯曲强度是指材料在弯曲负荷作用下破裂或达到规定弯矩时能承受的最大应力，它反映了材料抗弯曲的能力，是材料力学性能的重要指标.表5为各因素对轻质镁水泥隔墙板弯曲强度影响的显著性分析.

表5 各因素对弯曲强度影响的显著性分析

由表5可知，各因素的F比均小于F0.05，说明各因素对轻质镁水泥隔墙板的弯曲强度影响均不显著，但是发泡剂添加量的F比明显高于其他三个因素，说明对于轻质镁水泥隔墙板的弯曲强度来说，发泡剂添加量影响最为明显，影响因素由大到小排序依次为：发泡剂添加量、水灰比、稳定剂添加量、增稠剂添加量，即BADC.

图3是各因素水平对轻质镁水泥隔墙板弯曲强度影响的效应曲线.从图3可以看出，水灰比和发泡剂添加量的增加对轻质镁水泥隔墙板弯曲强度的影响与压缩强度相同，由于基体物质的减小和气孔尺寸的增大使得弯曲强度出现不同程度的降低.稳定剂添加量和增稠剂添加量的增加对弯曲强度的影响甚微，稳定剂添加量从7‰增大到8‰时，弯曲强度仅增大了0.02 MPa，从8‰增大到9‰时，弯曲强度没有变化，增稠剂添加量从1.3‰增大到1.5‰时，弯曲强度也仅增加了0.05 MPa.因此，为制得弯曲强度较高的轻质镁水泥隔墙板，本研究选择B1A1D3C2较为适宜.

图3 各因素对弯曲强度影响的效应曲线

综合以上结果，通过综合平衡分析法(次服从主，少服从多)，本研究确定制备轻质镁水泥隔墙板的最佳工艺配比为：A1B1C2D3，即水灰比为1.35，发泡剂添加量为7‰，稳定剂添加量为7‰，增稠剂添加量为1.5‰.

2.4 最佳工艺验证试验

为了检验正交试验结果，采用上述最佳制备配比进行验证实验，制备了5组轻质镁水泥隔墙板，测试其体积密度平均值为0.60 g/cm3，压缩强度平均值为9.86 MPa，弯曲强度平均值为2.65 MPa，与正交试验结果一致.

3 结论

(1)对轻质镁水泥隔墙板体积密度、压缩强度和弯曲强度影响大小依次为：发泡剂添加量、水灰比、稳定剂添加量、增稠剂添加量.

(2)制备高强的轻质镁水泥隔墙板的最佳工艺配比为：水灰比1.35，发泡剂添加量7‰，稳定剂添加量7‰，增稠剂添加量1.5‰.

(3)最佳工艺验证试验得到轻质镁水泥隔墙板的体积密度为0.60 g/cm3，压缩强度平均值为9.86 MPa，弯曲强度平均值为2.65 MPa.