周 海，薛绍秀，张 文，胡 宏，晏 波
（瓮福（集团）有限责任公司，贵州 贵阳 550002）
石膏是一种气硬性无机胶凝材料，主要成分为CaSO4，按照来源可分为天然石膏和工业副产石膏，天然石膏主要包括二水石膏和硬石膏，工业副产石膏有磷石膏、脱硫石膏等，天然石膏和工业副产石膏经加工后均可用来生产建筑石膏［1-3］。全球每年排放磷石膏约1亿t，其资源化利用成为一项技术难题［4］。随着我国城镇化进行，新型建筑材料的需求不断增加。石膏材料与其他建筑材料相比，具有轻质、微孔、凝结硬化快和导热系数低等特点［5］，制备得到的石膏产品无毒、易加工，具有良好的保温、隔热和隔声性能［6-7］。
磷石膏通过特殊工艺制成绿色建筑材料，可以解决磷石膏堆存问题，缓解环境压力，节约资源［8-10］。目前国内外很多学者从发泡剂种类、发泡方式、外加添加剂、磷石膏预处理等方面对石膏制建筑材料进行了大量研究［11-15］。
笔者以α高强石膏为原料，采用物理发泡方法制备石膏基保温板，探索发泡剂浓度、缓凝剂掺入量和水膏质量比对石膏基保温板干密度、流动度、力学强度和导热系数的影响。
1.1 实验材料
α高强石膏，瓮福（集团）有限责任公司，其基本性能见表1；
缓凝剂，蛋白类石膏缓凝剂，河北申辉石膏缓凝剂有限责任公司；
发泡剂，植物蛋白类发泡剂。
表1 α高强石膏基本性能
1.2 实验方法
配制一定浓度的发泡剂，用发泡机发泡完全。称取一定量的α高强石膏，按一定水膏质量比和缓凝剂掺入量加入水、缓凝剂后，加入发泡剂并搅拌均匀，浇筑在40 mm × 40 mm × 160 mm模具内，将试块放入（40±2）℃恒温干燥鼓风箱内干燥，烘干至恒定质量，测定其干密度和力学性能。
1.3 石膏基保温板性能表征
1） 流动度测定 试模采用JC/T 985—2017中规定的内径（30 ± 0.1）mm、高（50 ± 0.1）mm 的金属空心圆柱体，测试板采用300 mm×300 mm 的平板玻璃。将流动度试模水平放置在测试板中央，测试板表面应平整光洁、无水滴。将制备好的试样灌满流动度试模后，刮去试模上口多余的料浆，在2 s内垂直向上提升50～100 mm，保持10～15 s使试样自由流动。待流动停止4 min后，测互相垂直2个方向的直径，取其算术平均值作为测定值，精确至1 mm。
2） 干密度测定 每个样品成型3个试块，称量试块烘干后的质量，按式（1）计算石膏基保温板干密度：
式中m——试块的质量，kg；
V——试块的体积，m3；
ρ——试块的干密度，kg/m3。
3） 力学性能测定 将烘干后的试样置于抗压夹具内，试样的成型面与受压面垂直，受压面积为40.0 mm×40.0 mm，试样中心与下台板球轴中心对应。试样加载后30 s左右破坏，记录破坏时的荷载F，抗压强度p按式（2）计算：
式中p——抗压强度，MPa；
F——破坏荷载，N；
S——横截面积，mm2。
4） 导热系数测定 采用IMDRY3001-X 双平板导热系数测定仪测定石膏基保温板导热系数。
2.1 单一因素实验
2.1.1 水膏质量比对石膏基保温板物理性能的影响
水膏质量比是影响石膏基保温板物理性能的重要因素之一，合适的水膏质量比可以让发泡剂与石膏更好地混合，增加体系的流动性，提高石膏基保温板的抗压、抗折强度。固定发泡剂与水质量体积比为1/250 g/mL、缓凝剂掺入量为0.01%，探索水膏质量比为38%、40%、42%、44%、46%对石膏基保温板物理性能的影响，结果见图1。
图1 水膏质量比对石膏基保温板物理性能的影响
由图1a.可知，随着水膏质量比增加，石膏基保温板的干密度不断减小，流动度增加，导热系数减小。这是因为随着用水量增大，体系中发泡剂泡沫消散快，当水膏质量比为46%时，试块水含量高，干密度降低；
随着水膏质量比增加，出现消泡现象，泡孔大，导致石膏基保温板的导热系数减小。
由图1b.可知，随着水膏质量比增加，在相同体积的试块中，水含量增大，石膏含量减小，承载载荷的胶凝组分减少，导致抗压能力减弱。随着用水量增加，体系中泡沫稳定性差，形成的气泡大，导致石膏基保温板中泡孔壁薄、泡孔大，出现裂孔，这些导致石膏基保温板抗压、抗折强度降低。在水膏质量比为42%时，石膏基保温板干密度在503 kg/m3，抗压强度在2.1 MPa 左右，导热系数为0.12 W/（m·K）。为了满足工艺生产要求，选择水膏质量比为42%，此时石膏基保温板具有一定的流动性和较好的力学性能。
2.1.2 缓凝剂掺入量对石膏基保温板物理性能的影响缓凝剂可以使石膏的凝结时间延长，增加石膏基保温板的流动度。固定发泡剂与水质量体积比为1/250 g/mL、水膏质量比为42%，探索缓凝剂掺入量对石膏基保温板物理性能的影响，结果见图2。
图2 缓凝剂掺入量对石膏基保温板物理性能的影响
由图2a.可知，随着缓凝剂掺入量增加，石膏基保温板干密度减小。当缓凝剂掺入量高于0.025%时，石膏基保温板流动度增加量较大；
当缓凝剂掺入量大于0.055%时，流动度增加的趋势减弱。缓凝剂掺入量增加，凝结时间延长，泡沫在体系中消泡快，泡孔变大，干密度减小，导热系数减小，但减小的趋势较小。
由图2b.可知，随着缓凝剂掺入量增加，石膏基保温板抗压、抗折强度减小。在掺入量为0.025%时，石膏基保温板干密度为503 kg/m3，流动度为85 mm，抗压强度为2.1 MPa，导热系数为0.118 W/（m·K），所以选择缓凝剂的掺入量为0.025%。
2.1.3 发泡剂与水质量体积比对石膏基保温板物理性能的影响
固定水膏质量比为42%、缓凝剂掺入量为0.025%，探索发泡剂与水质量体积比对石膏基保温板物理性能的影响，结果见图3。
图3 发泡剂与水质量体积比对石膏基保温板物理性能的影响
由图3a.可知，随着发泡剂与水质量体积比减小，石膏基保温板干密度减小，流动度增加，导热系数减小。发泡剂与水质量体积比是影响石膏基保温板性能的重要因素，当发泡剂与水质量体积比降低，使用发泡机制备出的泡沫水含量增加，发泡效果差，泡沫稳定性差，加入相同量发泡剂，烘干后得到的石膏基保温板干密度小。导热系数与干密度成正比，泡孔大，干密度小，导热系数减小。发泡剂与水质量体积比低，体系中水含量增加，其流动度增加。
由图3b.可知，随着发泡剂与水质量体积比降低，抗压强度、抗折强度减小。发泡机制备出的泡沫水含量增加，在与石膏搅拌时，稳定性差，出现消泡现象，得到的试块泡孔大，气孔壁薄，出现大量裂孔，还有轻微塌模现象，导致石膏基保温板力学强度降低。从图3 中可知，当发泡剂与水质量体积比小于1/250 g/mL时，石膏基保温板干密度、抗压强度、抗折强度快速下降。在发泡剂与水质量体积比为1/250 g/mL时，其抗压强度在2 MPa左右，导热系数为0.117 W/（m·K），还具有较好的流动度，因此选择发泡剂与水质量体积比为1/250 g/mL。
但是虽然eFAST方案具有不错的诊断准确性和比较理想的效果，在我国进行推广仍旧存在一些困难和阻碍，比如对医师的培训和相关操作的规范制度还没有完整建立起来，我科在近期尝试开展急诊医师的床边超声培训，内容包括理论学习和实践操作，通过授课，讲座和专业人员亲身示范等方式增强医师的专业素养和职业技能水平，为eFAST的开展创造有利条件。
2.2 响应曲面优化实验
通过响应曲面优化实验，考察各因素之间相互作用对石膏基保温板物理性能的影响。
2.2.1 实验设计
在单因素实验的基础上，确定发泡剂与水质量体积比、缓凝剂掺入量和水膏质量比对石膏基保温板干密度、抗压强度、导热系数的影响。运用Design-Expert中的Box-Behnken进行三因素三水平实验设计，实验因素水平如表2 所示。
表2 实验因素水平
2.2.2 响应曲面实验结果及方差分析
响应曲面实验设计及结果见表3，石膏基保温板干密度、抗压强度及导热系数为响应值，运用Design-Expert 对实验结果进行回归分析，得到线性回归方程及方差。
石膏基保温板干密度、抗压强度、导热系数方差分析分别见表4、表5、表6。
由表4可知，发泡剂与水质量体积比与水膏质量比对石膏基保温板干密度的影响较为显著，3个因素对石膏基保温板干密度影响的顺序为：发泡剂与水质量体积比＆gt;水膏质量比＆gt;缓凝剂掺入量。由表5可知，发泡剂与水质量体积比和水膏质量比对石膏基保温板抗压强度影响显著，3因素对抗压强度影响顺序为：发泡剂与水质量体积比＆gt;水膏质量比＆gt;缓凝剂掺入量。由表6 可知，3 因素对石膏基保温板导热系数的影响顺序为：发泡剂与水质量体积比＆gt;水膏质量比＆gt;缓凝剂掺入量。从显著性检验分析可知在石膏基保温板制备过程中发泡剂与水质量体积比及水膏质量比是关键参数。
表4 石膏基保温板干密度方差分析
表5 石膏基保温板抗压强度方差分析
表6 石膏基保温板导热系数方差分析
通过实验优化得到的数学模型为：
2.2.3 双因子交互作用
石膏基保温板干密度响应面3D图见图4。由图4a.可知，当水膏质量比一定时，石膏基保温板干密度随着发泡剂与水质量体积比降低而减小，缓凝剂掺入量对石膏基保温板干密度影响较小。对石膏基保温板干密度影响显著性大小为发泡剂与水质量体积比＆gt;缓凝剂掺入量。由图4b.可知，缓凝剂掺入量一定，随着水膏质量比增加，石膏基保温板干密度减小，水膏质量比一定时，发泡剂与水质量体积比减小，石膏基保温板干密度减小，发泡剂与水质量体积比的影响较为显著。由图4c.可知，随着水膏质量比增加，石膏基保温板干密度减小，水膏质量比的影响较缓凝剂掺入量显著。综上所述，对石膏基保温板干密度影响的显著性大小为发泡剂与水质量体积比＆gt;水膏质量比＆gt;缓凝剂掺入量。
图4 石膏基保温板干密度响应面3D图
石膏基保温板抗压强度响应曲面3D 图见图5。由图5a.可知，水膏质量比一定，随着发泡剂与水质量体积比减小，石膏基保温板抗压强度降低，缓凝剂掺入量对抗压强度的影响较小，所以对抗压强度影响显著性大小为发泡剂与水质量体积比＆gt;缓凝剂掺入量。由图5b.可知，缓凝剂掺入量一定的条件下，发泡剂与水质量体积比和水膏质量比对石膏基保温板抗压强度的影响较为显著，随着水膏质量比增加、发泡剂与水质量体积比减小，石膏基保温板抗压强度降低，影响抗压强度的显著性大小为发泡剂与水质量体积比＆gt;水膏质量比。由图5c.可知，发泡剂与水质量体积比一定，水膏质量比与缓凝剂掺入量相互作用下，对石膏基保温板的抗压强度影响较小，影响抗压强度的显著性大小为水膏质量比＆gt;缓凝剂掺入量。综上所述，3 因素对石膏基保温板抗压强度影响的显著性大小为发泡剂与水质量体积比＆gt;水膏质量比＆gt;缓凝剂掺入量。
图5 石膏基保温板抗压强度响应面3D图
石膏基保温板导热系数响应面3D图见图6。
图6 石膏基保温板导热系数响应面3D图
由图6a.可知，水膏质量比一定，随着发泡剂与水质量体积比减小，石膏基保温板导热系数降低，缓凝剂掺入量对导热系数的影响较小，所以对导热系数影响的显著性大小为发泡剂与水质量体积比＆gt;缓凝剂掺入量。由图6b.可知，缓凝剂掺入量一定的条件下，发泡剂与水质量体积比和水膏质量比对石膏基保温板导热系数的影响较为显著，随着水膏质量比增加、发泡剂与水质量体积比减小，石膏基保温板导热系数降低，影响显著性大小为发泡剂与水质量体积比＆gt;水膏质量比。由图6c.可知，发泡剂与水质量体积比一定，水膏质量比与缓凝剂掺入量相互作用下，石膏基保温板导热系数影响显著性大小为水膏质量比＆gt;缓凝剂掺入量。综上所述，3因素对石膏基保温板导热系数影响的显著性大小为发泡剂与水质量体积比＆gt;水膏质量比＆gt;缓凝剂掺入量。
发泡剂与水质量体积比在石膏基保温板制备过程中是主要控制参数。
2.2.4 优化结果验证
对模型进行最优值处理，得到最佳工艺条件：发泡剂与水质量体积比为1/247.55 g/mL、水膏质量比为42.53%、缓凝剂掺入量为0.023%，石膏基保温板干密度为501.55 kg/m3，抗压强度为2.10 MPa，导热系数为0.118 W/（m·K）。在最佳工艺条件下进行实验验证，进行3次平行实验，所得石膏基保温板干密度平均值为503.19 kg/m3，抗压强度平均值为2.12 MPa，导热系数平均值为0.119 W/（m · K）。预测值与实验值接近，表明该模型可以准确反映各因素之间的关系。
（1）通过单因素实验，可以得到随着发泡剂与水质量体积比降低、水膏质量比增加，石膏基保温板干密度逐渐减小，抗压强度降低，导热系数减小。缓凝剂掺入量对石膏基保温板干密度、导热系数和抗压强度的影响较小，但是对体系流动度影响较为显著。最佳工艺条件：发泡剂与水质量体积比为1/250 g/mL、水膏质量比为42%、缓凝剂掺入量为0.025%，在此条件下，得到的石膏基保温板干密度为503 kg/m3，抗压强度为2.12 MPa，抗折强度为0.78 MPa，导热系数为0.117 W/（m·K），流动度能达到80 mm。
（2）采用响应曲面法进行优化实验，建立发泡剂浓度、水膏质量比、缓凝剂掺入量与石膏基保温板干密度、抗压强度和导热系数的响应模型：
（3）用建立的模型进行优化实验验证，得到最佳工艺条件：发泡剂与水质量体积比为1/247.55 g/mL、水膏质量比为42.53%、缓凝剂掺入量为0.023%，该条件下所制得石膏基保温板干密度为503.19 kg/m3，抗压强度为2.12 MPa，导热系数为0.119 W/（m ·对石膏基保温板干密度、抗压强度和导热系数影响的显著性关系为：发泡剂与水质量体积比＆gt;水膏质量比＆gt;缓凝剂掺入量。
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