李 亮

（攀枝花學(xué)院材料工程學(xué)院，四川攀枝花617000）

隨著中國(guó)相關(guān)工業(yè)的迅速發(fā)展，工業(yè)副產(chǎn)石膏的排放量也日漸增長(zhǎng)。工業(yè)副產(chǎn)石膏主要包括磷石膏、氟石膏、煙氣脫硫石膏和鈦石膏等。由于工業(yè)副產(chǎn)石膏存在一定的雜質(zhì)，因此影響著該類石膏的回收利用。目前，工業(yè)副產(chǎn)石膏主要利用途徑是用作粉刷石膏、水泥礦化劑、水泥緩凝劑、復(fù)合膠結(jié)材料和涂料填料。脫硫石膏為火電廠煙氣或燒結(jié)廠煙氣濕法脫硫過程中產(chǎn)生的以二水硫酸鈣為主要成分的工業(yè)廢渣，其品質(zhì)相對(duì)較純，可以開發(fā)成石膏砌塊、紙面石膏板、石膏膩?zhàn)拥犬a(chǎn)品［1-4］。

為了進(jìn)一步提高脫硫石膏的附加值和利用量，筆者研究利用脫硫石膏開發(fā)成發(fā)泡輕質(zhì)材料，該發(fā)泡輕質(zhì)材料具有良好的隔熱、隔音效果，可以大量用于墻體材料，對(duì)于解決脫硫石膏大量堆存占用場(chǎng)地和造成環(huán)境污染等問題具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)以攀鋼集團(tuán)有限責(zé)任公司煙氣脫硫產(chǎn)生的脫硫石膏為主要原料，通過添加發(fā)泡劑和緩凝劑，制備出了發(fā)泡輕質(zhì)材料。該發(fā)泡輕質(zhì)材料密度達(dá)1 g/cm3左右，常溫耐壓強(qiáng)度達(dá)3 MPa左右。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

1.1.1 脫硫石膏

實(shí)驗(yàn)原料脫硫石膏的主要成分與天然石膏相同，主要化學(xué)成分是二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O），其化學(xué)組成如表1所示。

表1 脫硫石膏原料的主要化學(xué)組成 %

圖1為脫硫石膏的XRD譜圖。從圖1可以看出，脫硫石膏的主要物相是CaSO4·2H2O。

圖1 脫硫石膏原料的XRD譜圖

1.1.2 發(fā)泡劑

發(fā)泡劑的種類有石膏發(fā)泡劑、水泥發(fā)泡劑、植物發(fā)泡劑。石膏發(fā)泡劑屬于植物源復(fù)合發(fā)泡劑，其以熱帶植物棕櫚果仁為主要原料，精餾C8～C12脂肪酸，最終形成發(fā)泡性能優(yōu)異的表面活性劑組合物。水泥發(fā)泡劑屬于動(dòng)植物蛋白類發(fā)泡劑。植物發(fā)泡劑是一種復(fù)配型物理發(fā)泡劑，主要針對(duì)泡沫混凝土行業(yè)大規(guī)模的連續(xù)生產(chǎn)而發(fā)明的。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)選擇石膏發(fā)泡劑。

1.1.3 緩凝劑

本實(shí)驗(yàn)所用緩凝劑選擇檸檬酸、硼砂和檸檬酸鈉，主要為了調(diào)節(jié)脫硫石膏和凝結(jié)時(shí)間，保證脫硫石膏具有適且的施工時(shí)間，同時(shí)減少發(fā)泡脫硫石膏出現(xiàn)強(qiáng)度損失。

1.2 儀器

101-1A型電熱鼓風(fēng)干燥箱、2MZ-100型密封式制樣粉碎機(jī)、ZCYAW-300型微機(jī)控制抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)、攪拌機(jī)、5 cm×5 cm×5 cm模具。

2 實(shí)驗(yàn)方法

取一定量脫硫石膏放置于烘箱內(nèi)，在220℃溫度下恒溫烘烤3 h，取出后自然冷卻。將烘烤后的脫硫石膏采用球磨機(jī)磨細(xì)至0.088 mm。按設(shè)定的水灰比稱量一定量的水倒入塑料杯中，再稱量發(fā)泡劑和緩凝劑倒入塑料杯，采用高速攪拌器快速攪拌起泡。待泡沫穩(wěn)定后，稱量磨細(xì)后的脫硫石膏倒入塑料杯中繼續(xù)攪拌均勻，反應(yīng)完全后倒入模具澆注成型，自然養(yǎng)護(hù)24 h后拆模得到半成品。將半成品置于烘箱中，在90℃下恒溫烘烤3 h，得到成品，檢測(cè)常溫耐壓強(qiáng)度和密度。實(shí)驗(yàn)流程見圖2。

圖2 脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料實(shí)驗(yàn)流程示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 石膏發(fā)泡劑發(fā)泡機(jī)理及對(duì)脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料性能的影響

將石膏發(fā)泡劑倒入裝有水的反應(yīng)容器內(nèi)，通過攪拌促使大量空氣進(jìn)入水和發(fā)泡劑內(nèi)，液體和氣體得到充分接觸。發(fā)泡劑中的表面活性物質(zhì)在液膜表面形成雙電層，將進(jìn)入的空氣包圍，從而得到一個(gè)個(gè)的氣泡。氣泡是氣體分散在液體中的分散體系，氣體是不連續(xù)的分散相，液體是連續(xù)的分散介質(zhì)。氣體的密度比液體要小得多，因此液體中的氣泡就會(huì)上升到液體表面，大量的氣泡堆積構(gòu)成氣泡的聚集體，即泡沫［5］。在得到均勻細(xì)小的泡沫后，添加脫硫石膏繼續(xù)攪拌。此時(shí)脫硫石膏會(huì)在泡沫的作用下形成均勻的空腔泡孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)脫硫石膏凝固后，石膏材料內(nèi)部大部分空間被氣孔占據(jù)，進(jìn)而得到脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料。

實(shí)驗(yàn)按不同的發(fā)泡倍數(shù)（用水量與發(fā)泡劑的質(zhì)量比）添加石膏發(fā)泡劑，研究了發(fā)泡倍數(shù)對(duì)脫硫石膏輕質(zhì)材料密度和耐溫耐壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，隨著發(fā)泡倍數(shù)由700增至1 100，此時(shí)發(fā)泡劑的添加量相對(duì)減少，所形成的泡沫也隨之減少，脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料密度由0.55 g/cm3左右增至1 g/cm3（圖3a）；與此同時(shí)，脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料的常溫耐壓強(qiáng)度則由1 MPa左右增至3 MPa左右（圖 3b）。

圖3 發(fā)泡倍數(shù)對(duì)脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料的影響

3.2 緩凝劑對(duì)脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料性能的影響

用脫硫石膏制備發(fā)泡輕質(zhì)材料過程中，不添加緩凝劑時(shí)，脫硫石膏與發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫來不及混合均勻，脫硫石膏就在較短時(shí)間內(nèi)凝固成型，致使泡沫無法及時(shí)在脫硫石膏內(nèi)部產(chǎn)生均勻的泡孔結(jié)構(gòu)［6］。因此，在試樣制備的過程中，需要添加適當(dāng)?shù)木從齽?，以延長(zhǎng)脫硫石膏的凝固時(shí)間，確保脫硫石膏具有適宜的施工性能。本研究選擇硼砂、檸檬酸和檸檬酸鈉作為緩凝劑，研究了緩凝劑對(duì)脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料性能的影響。

檸檬酸（C6H8O7）分子內(nèi)具有極性羥基，這些極性的羥基基團(tuán)會(huì)吸附在石膏水化物的晶核上，從而阻礙石膏與水的水化反應(yīng)，導(dǎo)致石膏晶體生長(zhǎng)緩慢，使得采用檸檬酸作緩凝劑的發(fā)泡脫硫石膏輕質(zhì)墻體材料的強(qiáng)度降低。添加檸檬酸對(duì)脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料性能的影響見圖4。從圖4可以看出，檸檬酸配入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）由0.1%增至0.5%時(shí)，緩凝時(shí)間由17 min延長(zhǎng)至50 min（圖4a），常溫耐壓強(qiáng)度則由1.5 MPa降至0.5 MPa（圖4b）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加檸檬酸可以起到緩凝效果，檸檬酸配入量為0.1%時(shí)，即可以滿足施工要求，同時(shí)添加檸檬酸會(huì)明顯降低常溫耐壓強(qiáng)度。

圖4 檸檬酸配入量對(duì)脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料的影響

硼砂（Na2B4O7·10H2O）是無色半透明的晶體，易溶于水。硼砂能與脫硫石膏中的鈣離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成絡(luò)合物，沉淀在石膏顆粒表面，抑制石膏的水化反應(yīng)，達(dá)到緩凝效果。添加硼砂對(duì)脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料性能的影響見圖5。從圖5可以看出，硼砂配入量由0.8%增至1.6%時(shí)，緩凝時(shí)間由12 min延長(zhǎng)至30 min（圖 5a），常溫耐壓強(qiáng)度則由 3 MPa降至2.5 MPa（圖5b）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加硼砂可以起到緩凝效果，硼砂配入量為1%時(shí)，即可以滿足施工要求，同時(shí)硼砂對(duì)常溫耐壓強(qiáng)度的影響較小。

圖5 硼砂配入量對(duì)脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料的影響

檸檬酸鈉（Na3C6H5O7·2H2O）是一種無機(jī)化合物晶體，呈無色或白色，易溶于水。檸檬酸鈉與鈣離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成絡(luò)合物，沉淀在石膏顆粒表面，從而抑制石膏水化，達(dá)到緩凝效果。添加檸檬酸鈉對(duì)脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料性能的影響見圖6。從圖6可以看出，檸檬酸鈉配入量由0.4%增至1.2%時(shí)，緩凝時(shí)間由16 min延長(zhǎng)至39 min（圖6a），常溫耐壓強(qiáng)度則由1 MPa降至0.5 MPa（圖6b）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加檸檬酸鈉可以起到緩凝效果，其配入量為0.4%時(shí)，即可以滿足施工要求，此外檸檬酸鈉對(duì)降低常溫耐壓強(qiáng)度的效果較為明顯。

圖6 檸檬酸鈉配入量對(duì)脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料的影響

3.3 正交試驗(yàn)

從單因素實(shí)驗(yàn)可知，緩凝劑的種類和配入量會(huì)影響脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料性能。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，硼砂是較為適宜的緩凝劑。脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料的性能則主要受3方面因素影響：1）緩凝劑配入量過多，則緩凝時(shí)間不僅過長(zhǎng)，還會(huì)導(dǎo)致常溫耐壓強(qiáng)度下降；2）脫硫石膏發(fā)泡劑的配入量越多，形成的泡沫越多，制成的脫硫石膏發(fā)泡材料越輕，也會(huì)導(dǎo)致常溫耐壓強(qiáng)度降低；3）用水量越多，形成的泡沫越多，制成的脫硫石膏發(fā)泡材料越輕，也是降低常溫耐壓強(qiáng)度的一個(gè)原因［7］。為了制得密度接近 1 g/cm3、常溫耐壓強(qiáng)度接近3 MPa的脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料，根據(jù)條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以石膏發(fā)泡劑配入量（A，%）、用水量（B、mL）、硼砂配入量（C，%）為考察對(duì)象，設(shè)計(jì)了 3 因素3水平的正交試驗(yàn)L9（34），結(jié)果見表2。從表2可以看出，對(duì)脫硫石膏發(fā)泡材料常溫耐壓強(qiáng)度的主次順序?yàn)锳、C、B，即石膏發(fā)泡劑配入量的影響最為顯著。在本試驗(yàn)條件下，最優(yōu)配方組成為A3B1C3，即石膏發(fā)泡劑配入量為0.065%、用水量為55 mL、硼砂配入量為1.3%，在此條件下脫硫石膏稱量100 g，脫硫石膏發(fā)泡材料的常溫耐壓強(qiáng)度可達(dá)3.5 MPa。

表 2 L9（34）正交試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1）采用石膏發(fā)泡劑時(shí)，發(fā)泡倍數(shù)控制為1 100倍，脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料的密度可達(dá)1 g/cm3左右，脫硫石膏發(fā)泡輕質(zhì)材料的常溫耐壓強(qiáng)度可達(dá)3 MPa左右。

2）采用檸檬酸作緩凝劑，檸檬酸配入量為0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，可以滿足施工要求，并會(huì)明顯降低常溫耐壓強(qiáng)度。采用檸檬酸鈉作緩凝劑，檸檬酸鈉配入量為0.4%時(shí)，可以滿足施工要求，并會(huì)較明顯降低常溫耐壓強(qiáng)度。采用硼砂作緩凝劑，硼砂配入量為1%時(shí)，可以滿足施工要求，且使常溫耐壓強(qiáng)度降低少。通過考量，實(shí)驗(yàn)優(yōu)選硼砂作為緩凝劑。

3）正交試驗(yàn)表明：對(duì)常溫耐強(qiáng)度影響最大的因素是石膏發(fā)泡劑的配入量。在本實(shí)驗(yàn)條件下，最優(yōu)配方組成：石膏發(fā)泡劑配入量為0.065%、用水量為55 mL、硼砂配入量為1.3%，脫硫石膏稱量100 g，得到脫硫石膏發(fā)泡材料的常溫耐壓強(qiáng)度可達(dá)3.5 MPa。