EPS/石膏轻质保温墙体材料的制备与性能研究

本文通过试验对 EPS/石膏复合材料进行研究探索，得出以下结论：（1）利用响应曲面法对石膏基复合胶凝材料进行耐水增强改性，得到的最优配比为：石膏掺量 69.98%、水泥掺量 15.32%、粉煤灰掺量 9.17%、生石灰掺量 5.53%，水胶比为 0.60。石膏基复合胶凝材料 1d 抗压强度和 28d 抗压强度预测值分别为 5.55MPa、20.15 MPa，实测值分别为 5.50MPa、20.30 MPa，与改性前相比，1d 抗压强度和 28d 干抗压强度分别提高了 48.65%、54.96%。

第一章  绪论

1.1  研究背景
近年来，随着我国经济的快速发展，建筑行业也在不断的进步。我国基础建设的快速发展消耗了大量的资源和能源，带来了严重的资源、能源紧张和环境恶化等问题，节能减排和循环经济的政策应运而生。建筑产业作为能源消耗的重要板块，更加受到人们的关注。水泥作为目前应用最广泛的胶凝材料，已经有二百多年的应用历史。水泥虽然是建筑中最适宜使用的建筑材料，但是其在生产的过程中消耗大量能源，还会产生许多大气污染物。随着国家可持续发展战略的实施，以及习近平总书记“既要金山银山也要绿水青山”口号的提出，科研工作者一直致力于研究绿色节能环保材料替代水泥，来解决资源能源短缺和环境保护这两个重要问题。 石膏作为传统的胶凝材料之一，在土木工程中的
石膏作为传统的胶凝材料之一，在土木工程中的应用历史十分悠久。由于其在自然界含量丰富，并且低毒，也不需要相对高的温度和能量干燥，所以石膏被认为是最可能替代水泥的物质[1]。石膏可以分为天然石膏和工业副产石膏两大类。我国天然石膏储量十分丰富，占据世界第一，分布在多个省和自治区。目前石膏被应用于建筑行业、化学工业、医学和农业等各个领域。石膏在建筑领域中的应用也有许多方面：如装饰材料、墙体材料、石膏砂浆等。工业副产石膏也称为化学石膏，即主要成分为二水硫酸钙(CaSO4?2H2O)的工业副产品或废渣[2-3]。我国每年化学废石膏排放量仅脱硫石膏和磷石膏两类便高达 7000 万吨，但利用率水平低，导致大量废石膏常年堆积，不仅占用大量土地，还严重污染土质及地下水。脱硫石膏品味较高，杂质较少，具有较大的潜在应用价值[4-5]。磷石膏是磷酸和磷肥生产中的一种工业废弃物，与天然石膏不同，磷石膏由于材料的弱放射性必须无限期存储，不能直接利用；随着产量的增加，需要额外的土地资源进行处置，同时也带来了严重的环境污染和健康危害等问题[6]。我国每年约产生 300万吨的氟石膏，大量的土地用于堆放氟石膏，土地受到雨水冲洗会导致堆砌场上大量氟石膏的流失，氟石膏残留的硫酸和可溶性有害物质可能会污染地表水以及地下水；氟石膏堆积经日晒后，风吹以粉末状飘散于大气中以及沉降到可能接触到的外物表面，既污染环境又威胁健康。通过提高氟石膏的性能，对其进行综合利用，不仅能保护环境，也可以为企业减轻经济负担，促进企业健康持续发展[7-10]。因此，工业副产石膏作为石膏资源代替天然石膏得到广泛的关注，这为发展石膏基胶凝材料提供了得天独厚的资源优势。
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1.2  石膏基墙体材料的研究与应用现状
1.2.1  石膏基墙体材料及其存在的问题
石膏可根据结晶水的不同分为无水石膏、天然石膏和建筑石膏，建筑石膏是最常用的石膏材料。建筑石膏制品以其轻质、保温、隔热等特点已成为重要的墙体材料和装饰材料。但是由于普通建筑石膏制品的吸水率高，导致其强度下降，相应的其应用范围受到了很大限制，所以对石膏进行耐水增强改性具有较好的研究前景。
此外，随着建筑技术的发展，城乡建筑的结构形式先后经历了砖混结构、框架结构、剪力墙结构和装配式结构 4 种转变[11-14]。目前，国外的建筑结构形式以装配式为主。相比较而言，我国的装配式建筑较少，目前主要以框架和剪力墙结构形式为主。在这些建筑形式中，大量非承重墙及填充墙取代了在砖混结构中起重要作用的承重墙，因此，具有轻质、隔音、隔热等优良建筑性能的新型墙体材料成为建筑墙材市场的新宠儿，这为石膏墙板的推广提供了极为广阔的发展空间[15]。目前，石膏墙体材料在新型墙体材料领域中主要为以内墙为主的非承重墙和内装修板材。国外石膏墙体材料以纸面石膏板、石膏砌块为主。与国外相比，我国的石膏墙体材料的产品种类较为多样化，主要有纤维石膏板、植物秸秆纸面石膏板、石膏砌块，石膏空心条板和磷石膏砖等[11]。
我国对石膏墙体材料进行了许多系统的研究：桂敬能[16]以煅烧石膏为基体，复掺一定量的水泥和粉煤灰，并优选轻集料和改性剂来制备石膏基轻质隔墙。通过试验对不同配比下隔墙板的力学性能进行分析，并对其制作工艺进行说明，发现石膏基轻质隔墙具有良好的市场前景。郑育春[17]先在一定条件下将磷石膏脱水制成半水石膏，然后与水泥聚苯颗粒复合制备出一种保温墙板。通过试验发现水泥和缓凝剂的最佳掺量分别为 9%和0.8%，最佳发泡剂的掺量为5%，制备的复合保温墙板的导热系数仅为0.078 W/（m·K）。张付奇[18]分别用水泥、复合无机改性剂、生石灰和外加剂对石膏进行改性研究，来制备一种新型耐水石膏基墙体材料，通过对该墙体材料的各项性能进行测试，发现通过外加剂改性石膏是最佳的改性方式。

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第三章  石膏基复合胶凝材料体系耐水增强改性 ............................ 23
3.1  响应曲面法 ......................... 23
3.2  基于响应曲面法的石膏基复合胶凝材料体系耐水增强优化 ................................ 24
第四章  改性石膏基复合胶凝材料性能调控 ................................. 35
4.1  水胶比对石膏基复合胶凝材料性能的影响 ................................ 35
4.1.1  水胶比对复合胶凝材料凝结时间、表观密度和流动性的影响 .................. 35
4.1.2  水胶比对复合胶凝材料强度和吸水率的影响 .................... 36
第五章  EPS/石膏复合墙体材料的性能研究 ...................................... 47
5.1   HPMC 掺量对 EPS/石膏复合材料性能的影响 ....................... 47
5.1.1   HPMC掺量对石膏基复合材料流动性的影响 ............................. 47
5.1.2   HPMC 掺量对石膏基复合材料流变特性的影响 .................... 48 

第五章 EPS/石膏复合墙体材料的性能研究

5.1 HPMC 掺量对 EPS/石膏复合材料性能的影响
EPS/石膏复合材料存在的主要问题是：EPS 颗粒与石膏基体之间存在高密度差，容易引起 EPS 颗粒上浮，导致复合材料匀质性差，进而影响其力学和耐久性等问题。匀质性主要包括 EPS 颗粒在复合墙体材料中是否能均匀分布，以及石膏基体在硬化前后自身的均匀性。匀质性好表现为复合材料不分层离析，硬化体竖向不同部位表观密度相等或相近。它对复合材料的工作性、力学性能、软化系数和导热系数等都有决定性的影响。
HPMC 能够改善石膏砂浆的保水性、粘聚性，阻止 EPS 颗粒上浮。黄金星[75]研究了不同掺量的 HPMC 对砂浆力学性能的影响，试验发现砂浆的抗压强度随着 HPMC 掺量的增加而降低；张晓然[76]研究了两种类型的 HPMC 对建筑石膏宏观性能的影响发现：缓溶型 HPMC 保水效果好，速溶型 HPMC 对建筑石膏强度破坏程度较小。
本节基于前期试验，选取粘度为 100000MPa·s 的 HPMC，通过试验探究不同 HPMC掺量对 EPS/石膏复合材料流动性、匀质性和力学性能等的影响。
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第六章  结论与展望

6.1  主要结论
在当前所面临的资源能源短缺和环境恶化的严峻形势下，开发应用新的墙体材料成为各国关注的焦点。针对目前我国在土建工程中石膏利用率低、EPS 难以降解而造成白色污染等现状，本文从环境保护与资源综合利用出发，通过试验探究制备出一种集轻质高强、使用安全、保温隔热、施工方便为一体的节能环保型 EPS/石膏复合材料，用于墙体围护结构，达到适应住宅产业节能的需求。通过试验对 EPS/石膏复合材料进行研究探索，得出以下结论：