轻质陶粒对磷建筑石膏保温性能的影响

廖仕雄，赵志曼，2，吴磊，全思臣，刘卓，王存，成俊辰，张芷绮

（1.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大学 云南省土木工程防灾重点实验室，云南 昆明 650500；3.云南凝创环保科技有限公司，云南 安宁 650500）

0 引 言

我国每年都会产生大量的磷石膏，任意排放会造成环境污染[1]。将磷石膏水洗、再经柠檬酸处理、石灰中和后，在140℃下脱水制得磷建筑石膏，能使磷石膏得到有效利用，减少环境污染。

磷建筑石膏具有质轻、导热系数小、保温隔热性能好等优点，传统的保温隔热材料使用聚氨酯、岩棉、聚苯乙烯、膨胀珍珠和磷建筑石膏制备保温隔热材料。轻质黏土陶粒是一种陶瓷质地的人造颗粒，以黏土、亚黏土等为主要原料，经加工制粒、烧胀而制成，具有质轻、吸水率大、隔热保温等特点，是良好的隔热保温材料，可作为保温隔热材料的外掺料[2]。目前，轻质黏土陶粒大多用于混凝土中制作复合保温隔热材料及填充料等[3-4]。但是这些传统的复合保温隔热材料存在强度低、表观密度大、导热系数偏大、造价高等不足。国内对于陶粒/磷建筑石膏复合保温隔热材料的研究较少，研究内容不够全面。本研究以磷建筑石膏为胶凝材料，轻质黏土陶粒为外掺料，研究一种造价低、导热系数小，用于保温陶粒砌块及自保温墙材制备的新型轻质磷建筑石膏复合保温隔热材料。探究了不同粒径及掺量的轻质黏土陶粒对磷建筑石膏表观密度、绝干抗折和抗压强度、导热系数的影响，并分析作用机理。

1 实 验

1.1 原材料

磷建筑石膏：云南云天化股份有限公司，磷石膏经水洗、柠檬酸处理、石灰中和后在140℃下脱水4 h制得，其化学成分见表1；陶粒：轻质黏土陶粒，粒径5～8、8～11 mm，上海瑞闽新型建材有限公司；聚羧酸减水剂：天津悦鸣科技发展有限公司；纤维素醚：黏度200 Pa·s，济南东远化学有限公司。

表1 磷建筑石膏的化学成分 %

1.2 实验方案

基准配比为：磷建筑石膏1200 g，轻质黏土陶粒掺量（按占磷建筑石膏质量计）分别为0、2%、4%、6%、8%、10%、12%，轻质黏土陶粒粒径分别为5～8、8～11 mm，水540 g，聚羧酸减水剂6.6 g，纤维素醚掺量（按占磷建筑石膏质量计）分别为0、0.1%、0.2%、0.3%。按照试验配合比分别称取磷建筑石膏、水、纤维素醚、聚羧酸减水剂，参照GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》制作标准试样，对试样的表观密度、绝干抗压强度、绝干抗折强度及导热系数进行测试。其中导热系数的测试方法为：按照配合比制作磷建筑石膏复合浆体，然后把浆体灌入直径130 mm、厚20 mm的圆饼状模具，24 h后拆除模具，把试样放入40℃烘箱中24 h，至绝干状态后采用稳态平板方法测试试样的导热系数[5]。

2 结果与分析

2.1 纤维素醚的影响

参照基准配比，采用5～11 mm的轻质黏土陶粒，掺量为10%，纤维素醚掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%时试块的断面形貌见图1。

由图1可见，在未掺入纤维素醚时，轻质黏土陶粒在磷建筑石膏中容易发生大量上浮现象，造成内部结构不均匀；纤维素醚掺量为0.1%时，基本没有效果；纤维素醚的掺量过多时（0.3%），陶粒分布不均匀。纤维素醚的掺量为0.2%时，效果最好，内部结构均匀稳定。纤维素醚有一定的增稠，防止陶粒上浮等作用，可以明显看出，随着纤维素醚的掺入，对陶粒的上浮起到了一定的抑制作用。然而掺量过多时，会使陶粒分布不均匀。同时纤维素醚为非离子型聚合物，纤维素醚分子链上的羟基和醚键上的氧原子均可与水分子缔结成氢键，使游离水变成结合水，起到很好的保水作用[6]。由于轻质黏土陶粒的吸水率大，会把磷建筑石膏本身需要的水分吸去，导致石膏基复合材料难以浇筑成型及成型后的试块强度较低，适量掺入纤维素醚，增加了磷建筑石膏的保水性，减少陶粒的吸水。本实验中纤维素醚掺量为0.2%时效果最佳，既能使陶粒均匀的分布，又能能保证磷建筑石膏所需要的水分，使浇筑成型的石膏基复合材料的内部结构稳定，保证一定的力学强度。后续实验纤维素醚掺量均固定为0.2%。

图1 纤维素醚掺量对轻质黏土陶粒在磷建筑石膏基体中分布状态的影响

2.2 轻质黏土陶粒对磷建筑石膏表观密度的影响（见图2）

图2 轻质黏土陶粒粒径及掺量对磷建筑石膏表观密度的影响

从图2可以看出，在相同粒径下，磷建筑石膏表观密度与轻质黏土陶粒掺量成负相关。轻质黏土陶粒掺量越大，磷建筑石膏表观密度下降的越多，这是由于轻质黏土陶粒质轻、密度小，故掺入磷建筑石膏后会使石膏砌块表观密度下降。在相同掺量下，磷建筑石膏的表观密度随着粒径的增大而减小，磷建筑石膏的表观密度与轻质黏土陶粒粒径成反比，当轻质黏土陶粒粒径为8～11 mm、掺量达到12%时，磷建筑石膏的表观密度最小，为1102 kg/m3，较空白组降低了13.2%。

2.3 轻质黏土陶粒粒径及掺量对磷建筑石膏强度的影响（见图3、图4）

图3 轻质黏土陶粒粒径及掺量对磷建筑石膏绝干抗折强度的影响

从图3可以看出，随着轻质黏土陶粒掺量的增加，磷建筑石膏的绝干抗折强度呈现逐渐下降的趋势。磷建筑石膏的绝干抗折强度与轻质黏土陶粒粒径及掺量成反比，粒径越大，掺量越大，绝干抗折强度越低。掺量为6%～12%时，粒径产生的影响较大。粒径为5～8 mm和8～11 mm的轻质黏土陶粒在掺量为12%时，绝干抗折强度分别为2.86、1.89 MPa，较空白组分别下降了37.7%、58.8%。

图4 轻质黏土陶粒粒径及掺量对磷建筑石膏绝干抗压强度的影响

从图4可以看出，相同粒径时，随着轻质黏土陶粒掺量的增加，磷建筑石膏的绝干抗压强度呈现逐渐降低的趋势，掺量越大，下降的越明显，绝干抗压强度与掺量成反比。相同掺量下，粒径越大，绝干抗压强度越低，磷建筑石膏的绝干抗压强度与轻质黏土陶粒粒径成反比。当轻质黏土陶粒粒径为8～11 mm、掺量为12%时，磷建筑石膏的绝干抗压强度最小，为8.12 MPa，较掺量为12%、粒径为5～8 mm的下降了14.8%，较空白组下降了45.6%。

当轻质黏土陶粒粒径8～11 mm、掺量为12%时，磷建筑石膏的绝干抗折强度为1.89 MPa，绝干抗压强度为8.12 MPa，仍符合JG/T 045—2011《复合材料保温板外墙外保温系统应用技术规程》的要求。

2.4 轻质黏土陶粒粒径及掺量对磷建筑石膏导热系数的影响（见图5）

图5 轻质黏土陶粒粒径及掺量对磷建筑石膏导热系数的影响

从图5可以看出，随轻质黏土陶粒掺量的增加，磷建筑石膏的导热系数逐渐减小。磷建筑石膏的导热系数与轻质黏土陶粒粒径及掺量成反比，粒径越大，掺量越大，导热系数越小。当轻质黏土陶粒掺量为12%，粒径分别为5～8、8～11 mm时，磷建筑石膏的导热系数分别为0.20、0.17 W/（m·K），较空白组分别下降了58.3%、64.5%。

3 作用机理

石膏的力学性能主要受二水硫酸钙晶体的搭接密实度影响[7]。轻质黏土陶粒的掺入会减小石膏基复合材料中磷建筑石膏占比，进而导致所制备的试块内部的空隙率增大，密实度减小。在受力过程中，由于孔隙率较大，会导致石膏受力不均匀，容易产生应力集中现象，造成石膏力学强度呈现下降趋势。

互相连通型的孔比封闭型的孔导热系数高[8]。复合材料的保温性能主要取决于复合材料中孔的大小，以及封闭孔、开孔和连通孔的类型。封闭孔的数量越多，保温性能才会越好。石膏基复合材料中由于轻质黏土陶粒的掺入，导致其内部有较多封闭的黏土陶粒气孔。热量传导速率会受阻，所以内部的热量传导变慢。同时，在相同粒径时，气孔率不变的情况下，黏土陶粒的气孔尺寸小且形状接近封闭的圆球形，随着陶粒掺量的增加，磷建筑石膏的表观密度会越来越小，复合材料中小的封闭陶粒气孔数量会越多，导热系数会逐渐降低，保温性能会越好。

4 结 论

（1）掺入适量的纤维素醚能抑制轻质黏土陶粒的上浮，本研究中纤维素醚的最佳掺量为0.2%。

（2）随着不同粒径轻质黏土陶粒的掺入，磷建筑石膏的表观密度会降低，掺量越多，表观密度降低的越多。当粒径8～11 mm的轻质黏土陶粒掺量为12%时，表观密度最小为1102 kg/m3，较空白组下降了13.2%。

（3）磷建筑石膏的强度会随轻质黏土陶粒粒径及掺量的增加而逐渐降低。当轻质黏土陶粒粒径为8～11 mm，掺量达到12%时，绝干抗折强度及绝干抗压强度最低，分别为1.89、8.12 MPa，较空白组分别降低了58.8%、45.6%。

（4）磷建筑石膏的导热系数与轻质黏土陶粒粒径及掺量成反比，随着掺量的增加，导热系数逐渐减小。当轻质黏土陶粒粒径为8～11 mm，掺量达到12%时，导热系数为0.17 W/（m·K），较空白组下降了64.5%，具有良好的保温隔热性能。