李毛毛,鹿 巍,朱文秀,王 寧

(1.西安思源學(xué)院理工學(xué)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(chǎn)品。通常,磷石膏材料作為工業(yè)廢物隨意堆放。磷石膏的主要成分是CaSO4·2H2O,如果這種材料經(jīng)過適當(dāng)處理,那么磷石膏可在建筑中作為一種節(jié)能材料[1]。但磷、硫酸鹽、氟化物、殘酸、重金屬等雜質(zhì)影響了磷石膏的正常利用[2]。據(jù)報(bào)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(xué)潛力。目前對(duì)磷石膏建筑材料的力學(xué)性能研究較多,但對(duì)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(fā)泡劑來提高墻體的保溫性能。陰離子有機(jī)發(fā)泡劑具有優(yōu)異的發(fā)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(jié)構(gòu)中含有硫酸根等基團(tuán),因此在遇到鈣和鎂離子時(shí)會(huì)沉淀[5],發(fā)泡性能和穩(wěn)定性受此影響。螯合作用是指雜環(huán)化合物分子中的中心金屬離子通過配位鍵連接到兩個(gè)或多個(gè)非金屬原子,如O、N、S等[6]。螯合表面活性劑是一種結(jié)合螯合結(jié)構(gòu)和表面活性劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合成的新型功能性表面活性劑。它具有很強(qiáng)的金屬離子螯合性能和很強(qiáng)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(yīng)用于不同的環(huán)境。

本文根據(jù)陰離子和螯合表面活性劑的特點(diǎn),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(yīng)[8-10]。當(dāng)與礦化水接觸時(shí),溶液中的高價(jià)離子用作中心離子,通過配位鍵與N和O連接,使發(fā)泡劑螯合,這可以顯著提高陰離子發(fā)泡劑的耐腐蝕性,進(jìn)一步提高泡沫磷石膏試樣的保溫效果。在不同濕度環(huán)境中測定了抗彎強(qiáng)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(yàn)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(yè)有限公司生產(chǎn)。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(huì)產(chǎn)生刺鼻的惡臭氣體。普通硅酸鹽水泥用作另一種膠結(jié)材料[12]。表1為磷石膏和普通水泥的主要化學(xué)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(jīng)酯胺化反應(yīng)合成了一種螯合陰離子有機(jī)發(fā)泡劑,為淡黃色液體。該發(fā)泡劑的氣體產(chǎn)量為10 000 mL/g。氣體生產(chǎn)的分解溫度為80 ℃[13]。同時(shí)使用河南力創(chuàng)利爾科技有限公司生產(chǎn)的高效減水劑,減水率為40%。設(shè)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(zhì)量的0%～35%。使用骨料為細(xì)度模數(shù)為2.35的河砂(細(xì)骨料)。

表1 磷石膏和普通水泥主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.1 Proportion of main chemical components of phosphogypsum and ordinary cement

1.2 樣品制備

將發(fā)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(fā)泡機(jī)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(diào)節(jié)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(shí)驗(yàn)選擇了3個(gè)試樣,標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(duì)濕度,20 ℃的溫度)下固化28 h。

使用TC3000E便攜式導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測定材料導(dǎo)熱性能,導(dǎo)熱系數(shù)為0.001～10 W/(m·K)。尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試樣用于測量導(dǎo)熱系數(shù)和耐水系數(shù)。力學(xué)強(qiáng)度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671—1999[14]進(jìn)行測量。并將尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試樣浸入水中,直到質(zhì)量恒定。耐水系數(shù)是浸水前試樣的抗壓強(qiáng)度與飽和條件下試樣的強(qiáng)度之比[15-16]。提供配備相對(duì)濕度可控箱的自動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī),以測定混合有10%、20%和30%水泥和30%泡沫的試樣的力學(xué)強(qiáng)度。本研究中的相對(duì)濕度分別為30%、40%、50%、60%、70%和80%。所有試樣在室內(nèi)環(huán)境中固化28 d,并在測試前在此環(huán)境中保持6 h。水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)和晶體類型由JSM-6360LV掃描電子顯微鏡確定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)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(dǎo)率(kx)。表2顯示了導(dǎo)熱率和泡沫體積的擬合結(jié)果。從圖1可以觀察到,試樣的熱導(dǎo)率隨著泡沫體積的增加而線性下降。這是因?yàn)樵嚇又械呐菽瓡?huì)阻礙熱傳遞,從而降低試樣的導(dǎo)熱性。此外,磷石膏的加入會(huì)增加試樣的導(dǎo)熱性。這可以歸因于磷石膏的結(jié)構(gòu)比發(fā)泡劑的結(jié)構(gòu)更緊湊。

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)與泡沫體積的關(guān)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(shù)(K)。

圖2 耐水系數(shù)與泡沫體積的關(guān)系

由圖2可知,耐水阻力系數(shù)隨線性函數(shù)減小。泡沫體積對(duì)磷石膏的耐水性有負(fù)面影響。這歸因于泡沫體積增加導(dǎo)致的孔隙直徑和數(shù)量增加,使更多的水進(jìn)入磷石膏,從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)破壞和力學(xué)強(qiáng)度下降。然而,由于磷石膏試樣的壓實(shí)度提高,磷石膏的添加導(dǎo)致試樣的耐水系數(shù)增加,從而防止水浸入并提高磷石膏的耐水系數(shù),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?yōu)槎讨鶢?這種變化有利于防水性能的提高,且因?yàn)榱资嗯c有機(jī)發(fā)泡劑的2個(gè)末端基團(tuán)都是疏水的。在氣泡多的環(huán)境中,有機(jī)發(fā)泡劑容易在氣泡內(nèi)部形成膠束,從而穩(wěn)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(xué)強(qiáng)度

圖3為磷石膏的力學(xué)強(qiáng)度(彎曲強(qiáng)度ft)隨泡沫體積的不同而變化。

由圖3可知,力學(xué)強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致磷石膏內(nèi)部孔隙度增加,從而降低力學(xué)強(qiáng)度。然而,磷石膏的添加可以提高試樣微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,相同泡沫體積時(shí),磷石膏含量越高,試樣力學(xué)強(qiáng)度越高,究其原因?yàn)榕菽资喙羌苤械牧资?、水泥等材料在水化初期就已?jīng)水化,主要是為了提高試樣的前期強(qiáng)度。然而,在水化后期可以增加強(qiáng)度的磷石膏等材料可以繼續(xù)填充物理泡沫產(chǎn)生的大孔隙,因此發(fā)泡劑磷石膏材料的強(qiáng)度在水化后期顯著增加。隨著泡沫含量的增加,發(fā)泡劑磷石膏材料的抗壓強(qiáng)度顯著降低。主要原因是發(fā)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(dǎo)致孔隙局部應(yīng)力過大,破壞迅速。直觀的性能是抗壓強(qiáng)度隨著泡沫含量的增加而降低。

圖4為相對(duì)濕度變化的力學(xué)強(qiáng)度(彎曲強(qiáng)度)。

圖4 抗彎強(qiáng)度與相對(duì)濕度關(guān)系

由圖4可知,力學(xué)強(qiáng)度隨著相對(duì)濕度的增加而線性下降。這歸因于當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí),磷石與水的接觸更頻繁,最終導(dǎo)致磷石膏結(jié)構(gòu)的破壞。因此,磷石膏被水嚴(yán)重腐蝕,力學(xué)強(qiáng)度隨著相對(duì)濕度的增加而降低。然而,由于磷石膏能夠改善試樣微觀結(jié)構(gòu)的密實(shí)度,磷石膏的添加對(duì)試樣的力學(xué)強(qiáng)度產(chǎn)生了積極影響。綜上,添加磷石膏及發(fā)泡劑可提高試樣的力學(xué)強(qiáng)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(jié)構(gòu)

由圖5(a)可知,不含水泥的磷石膏顯示出大量細(xì)小針狀水化產(chǎn)物和磷石膏周圍的柱狀層狀物;圖5(b)磷石膏質(zhì)量占總粘合劑的35%。在圖5中可以發(fā)現(xiàn)更多的片材整體水合產(chǎn)物。這是因?yàn)榱资嗫梢耘c水反應(yīng),形成水化產(chǎn)物。因此,磷石膏的添加能夠提高水化產(chǎn)物的密實(shí)度,從而提高泡沫磷石膏試樣的力學(xué)強(qiáng)度。這主要是因?yàn)榱资嘣诠柙由细街?個(gè)羥基,會(huì)導(dǎo)致氣液界面平坦[20],導(dǎo)致大氣泡的破裂和小氣泡的互連。這一觀察結(jié)果也解釋了添加磷石膏導(dǎo)致樣品力學(xué)增加的現(xiàn)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(guān)系曲線。

由圖6可知,磷石膏的主孔徑為5.65～3.45×105nm。同時(shí),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(xué)強(qiáng)度,可以在實(shí)際中作為保溫墻體材料。

3 結(jié)語

(1) 導(dǎo)熱系數(shù)、耐水系數(shù)和力學(xué)強(qiáng)度與磷石膏泡沫體積之間的關(guān)系可以很好地描述為線性函數(shù)。磷石膏的加入與熱導(dǎo)率、耐水系數(shù)和力學(xué)強(qiáng)度呈正相關(guān);

(2)力學(xué)強(qiáng)度(彎曲強(qiáng)度)隨測試環(huán)境的相對(duì)濕度線性下降。線性關(guān)系的一致性很高。磷石膏的添加對(duì)泡沫磷石膏試樣的力學(xué)強(qiáng)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(shí)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。