一種具有良好粘接性能的泡沫磷石膏材料改性試驗

李毛毛,鹿 巍,朱文秀,王 寧

(1.西安思源學院理工學院,陜西 西安 710038;2.西安市勘察測繪院,陜西 西安 710054)

磷石膏材料是濕法磷酸的副產品。通常,磷石膏材料作為工業廢物隨意堆放。磷石膏的主要成分是CaSO4·2H2O,如果這種材料經過適當處理,那么磷石膏可在建筑中作為一種節能材料[1]。但磷、硫酸鹽、氟化物、殘酸、重金屬等雜質影響了磷石膏的正常利用[2]。據報道,全球磷石膏的利用率僅為15%左右,而磷石膏材料在干燥脫水后具有良好的粘接性能,使磷石膏材料具有良好的力學潛力。目前對磷石膏建筑材料的力學性能研究較多,但對磷石膏建筑材料的保溫性能的研究較少[3]。

通常保溫墻體中使用發泡劑來提高墻體的保溫性能。陰離子有機發泡劑具有優異的發泡性能,但耐電解性較差。在水中解離后,生成親水性離子[4]。由于它們的分子結構中含有硫酸根等基團,因此在遇到鈣和鎂離子時會沉淀[5],發泡性能和穩定性受此影響。螯合作用是指雜環化合物分子中的中心金屬離子通過配位鍵連接到兩個或多個非金屬原子,如O、N、S等[6]。螯合表面活性劑是一種結合螯合結構和表面活性劑結構設計合成的新型功能性表面活性劑。它具有很強的金屬離子螯合性能和很強的生物降解性[7]。由于其良好的表面活性和表面活性劑的螯合性能,它被廣泛應用于不同的環境。

本文根據陰離子和螯合表面活性劑的特點,以脂肪酸甲基磺酸鈉和N,N′二甲基-1,3-丙二胺為原料,N′二甲基-1,3-丙二胺通過酯胺化反應[8-10]。當與礦化水接觸時,溶液中的高價離子用作中心離子,通過配位鍵與N和O連接,使發泡劑螯合,這可以顯著提高陰離子發泡劑的耐腐蝕性,進一步提高泡沫磷石膏試樣的保溫效果。在不同濕度環境中測定了抗彎強度,選擇掃描電子顯微鏡觀察磷石膏的微觀形貌,并研究泡沫磷石膏中孔隙的尺寸分布。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

本研究使用的磷石膏是一種淺灰色粉末材料,由貴州鴻海石膏粉末工業有限公司生產。該磷石膏主要由CaSO4·2H2O組成[11]。此外,磷石膏中還存在一些氧化磷和氟化物。磷石膏與水混合后會產生刺鼻的惡臭氣體。普通硅酸鹽水泥用作另一種膠結材料[12]。表1為磷石膏和普通水泥的主要化學成分。以脂肪酸甲磺酸鈉和N,N′-二甲基-1,3-丙基二胺為原料,經酯胺化反應合成了一種螯合陰離子有機發泡劑,為淡黃色液體。該發泡劑的氣體產量為10 000 mL/g。氣體生產的分解溫度為80 ℃[13]。同時使用河南力創利爾科技有限公司生產的高效減水劑,減水率為40%。設定泡沫的體積為0%～60%,水膠比為1.0。其中磷石膏的比例為總粘合劑質量的0%～35%。使用骨料為細度模數為2.35的河砂(細骨料)。

表1 磷石膏和普通水泥主要化學成分質量分數Tab.1 Proportion of main chemical components of phosphogypsum and ordinary cement

1.2 樣品制備

將發泡劑與水以1∶30的比例均勻混合,然后將充分混合的泡沫溶液倒入發泡機中形成泡沫。將磷石膏與水混合并攪拌1 min以獲得均勻的糊狀物。并將糊狀物與制備的泡沫混合以制造泡沫磷石膏。通過添加不同劑量的減水劑,將新漿體的坍落度流量調節至270～280 mm。將混合的泡沫磷石膏與水泥倒入涂油模具中,形成尺寸為40 mm×40 mm×160 mm和100 mm×100 mm×100 mm的保溫墻試樣。本實驗選擇了3個試樣,標準偏差為±10%。所有試樣脫模后,在泰斯特儀器有限公司制造的101-2A電熱吹風干燥箱(最高干燥溫度為400 ℃)中,在140 ℃的溫度下處理9 h。干燥后,所有試樣在室溫(40%相對濕度,20 ℃的溫度)下固化28 h。

使用TC3000E便攜式導熱系數測試儀測定材料導熱性能,導熱系數為0.001～10 W/(m·K)。尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試樣用于測量導熱系數和耐水系數。力學強度根據標準GB/T 17671—1999[14]進行測量。并將尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試樣浸入水中,直到質量恒定。耐水系數是浸水前試樣的抗壓強度與飽和條件下試樣的強度之比[15-16]。提供配備相對濕度可控箱的自動萬能試驗機,以測定混合有10%、20%和30%水泥和30%泡沫的試樣的力學強度。本研究中的相對濕度分別為30%、40%、50%、60%、70%和80%。所有試樣在室內環境中固化28 d,并在測試前在此環境中保持6 h。水化產物的微觀結構和晶體類型由JSM-6360LV掃描電子顯微鏡確定。

2 試驗結果與分析

2.1 導熱性

圖1為不同磷石膏含量隨泡沫體積(V)變化的試樣的熱導率(kx)。表2顯示了導熱率和泡沫體積的擬合結果。從圖1可以觀察到,試樣的熱導率隨著泡沫體積的增加而線性下降。這是因為試樣中的泡沫會阻礙熱傳遞,從而降低試樣的導熱性。此外,磷石膏的加入會增加試樣的導熱性。這可以歸因于磷石膏的結構比發泡劑的結構更緊湊。

圖1 導熱系數與泡沫體積的關系

2.2 耐水性

圖2為不同磷石膏含量隨泡沫體積(V)變化的試樣的耐水系數(K)。

圖2 耐水系數與泡沫體積的關系

由圖2可知,耐水阻力系數隨線性函數減小。泡沫體積對磷石膏的耐水性有負面影響。這歸因于泡沫體積增加導致的孔隙直徑和數量增加,使更多的水進入磷石膏,從而導致其結構破壞和力學強度下降。然而,由于磷石膏試樣的壓實度提高,磷石膏的添加導致試樣的耐水系數增加,從而防止水浸入并提高磷石膏的耐水系數,可有效提高建筑墻體耐水能力。主要由于水泥吸附在磷石膏晶體的表面上形成防水膜[17],使磷石膏晶體形貌由針狀變為短柱狀;這種變化有利于防水性能的提高,且因為磷石膏與有機發泡劑的2個末端基團都是疏水的。在氣泡多的環境中,有機發泡劑容易在氣泡內部形成膠束,從而穩定氣泡[18],使氣泡形成封閉孔并降低樣品的吸水率。

2.3 力學強度

圖3為磷石膏的力學強度(彎曲強度ft)隨泡沫體積的不同而變化。

由圖3可知,力學強度隨著泡沫體積的增加而線性下降。這歸因于泡沫體積增加會導致磷石膏內部孔隙度增加,從而降低力學強度。然而,磷石膏的添加可以提高試樣微觀結構的密實度,相同泡沫體積時,磷石膏含量越高,試樣力學強度越高,究其原因為泡沫磷石膏骨架中的磷石膏、水泥等材料在水化初期就已經水化,主要是為了提高試樣的前期強度。然而,在水化后期可以增加強度的磷石膏等材料可以繼續填充物理泡沫產生的大孔隙,因此發泡劑磷石膏材料的強度在水化后期顯著增加。隨著泡沫含量的增加,發泡劑磷石膏材料的抗壓強度顯著降低。主要原因是發泡磷石膏基膠凝材料中的孔隙增大,壓縮過程中壓力傳遞被掏空[19],導致孔隙局部應力過大,破壞迅速。直觀的性能是抗壓強度隨著泡沫含量的增加而降低。

圖4為相對濕度變化的力學強度(彎曲強度)。

圖4 抗彎強度與相對濕度關系

由圖4可知,力學強度隨著相對濕度的增加而線性下降。這歸因于當相對濕度增加時,磷石與水的接觸更頻繁,最終導致磷石膏結構的破壞。因此,磷石膏被水嚴重腐蝕,力學強度隨著相對濕度的增加而降低。然而,由于磷石膏能夠改善試樣微觀結構的密實度,磷石膏的添加對試樣的力學強度產生了積極影響。綜上,添加磷石膏及發泡劑可提高試樣的力學強度。

2.4 微觀分析

圖5為磷石膏的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。

(a)純磷石膏的微觀結構

由圖5(a)可知,不含水泥的磷石膏顯示出大量細小針狀水化產物和磷石膏周圍的柱狀層狀物;圖5(b)磷石膏質量占總粘合劑的35%。在圖5中可以發現更多的片材整體水合產物。這是因為磷石膏可以與水反應,形成水化產物。因此,磷石膏的添加能夠提高水化產物的密實度,從而提高泡沫磷石膏試樣的力學強度。這主要是因為磷石膏在硅原子上附著有3個羥基,會導致氣液界面平坦[20],導致大氣泡的破裂和小氣泡的互連。這一觀察結果也解釋了添加磷石膏導致樣品力學增加的現象。

圖6為含35%磷石膏試樣的孔徑與累積孔隙體積之間的關系曲線。

由圖6可知,磷石膏的主孔徑為5.65～3.45×105nm。同時,35%的磷石膏試樣主孔徑為5.65～9.07×104nm。因此,磷石膏顯示出比35%水泥的磷石膏更大的孔徑和累積孔隙體積。由于較小的孔徑和累積孔隙體積,35%水泥的磷石膏具有更好的耐水性和力學強度,可以在實際中作為保溫墻體材料。

3 結語

(1) 導熱系數、耐水系數和力學強度與磷石膏泡沫體積之間的關系可以很好地描述為線性函數。磷石膏的加入與熱導率、耐水系數和力學強度呈正相關;

(2)力學強度(彎曲強度)隨測試環境的相對濕度線性下降。線性關系的一致性很高。磷石膏的添加對泡沫磷石膏試樣的力學強度有積極影響;

(3) 磷石膏的加入可以提高試樣耐水性。此外,添加磷石膏可提高試樣的密實度,并減小試樣中孔隙的直徑和體積,可有效提高墻體保溫性能。