表面改性技術在高強度石膏中的應用?

井方文, 茹曉紅, 郅真真, 李嘉誠, 王宜森

(洛陽理工學院材料科學與工程學院, 河南 洛陽 471023)

石膏膠凝材料具有原料來源豐富、 加工方便、 低碳環保、輕質、 防火等功能在建筑材料中得到廣泛應用。 目前, 通過石膏膠凝材料的制備工藝優化、 外加劑改性等制備出具有高強、耐水、 吸聲、 相變儲能、 抗輻射、 吸附凈化等功能化高端石膏制品正逐漸成為我國新型建筑材料和石膏行業的研究發展趨勢[1-2]。 但由于傳統建筑石膏硬化體孔隙大、 導致制品強度較低、 功能少使其應用受到了限制。 提高二水石膏硬化體力學性質及產品的使用壽命一直是國內外學者研究的重點, 通過纖維增韌、 外加劑增強及水泥基膠凝材料復合改性等傳統的改性方法對增強石膏力學性能具有一定的作用[3-4]; 將納米石灰、 納米粒子等功能型納米材料應用到石膏中可起到填充石膏孔隙、修補石膏基材料、 改善石膏結構、 加固和增強石膏制品的力學性能的作用[5]。 作者前期研究表明, 通過外加劑對石膏基體表面進行涂覆處理, 可以提高石膏基體密實度, 提高抗壓強度、降低吸水率、 提高納米光催化液的作用效果[6]。

本文用新的石膏基體表面改性劑對石膏基體表面進行涂覆處理, 研究表面改性對石膏強度及吸水性能的影響。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

半水石膏分別為來自洛陽孟津拜爾石膏板有限公司的脫硫建筑石膏(β 型半水石膏)和三門峽永泰石膏有限公司的高強石膏粉(α 型半水石膏), 其物理性能見表1, 符合 GB/T 9776-2008 《建筑石膏》 的要求。

表1 半水石膏的物理性能Table 1 Physical properties of hemihydrate gypsum

表面改性劑ASBS 溶液: 自制, 主要成分為硫酸鋁、 一價金屬硫酸鹽(硫酸鈉、 硫酸鉀)及硅酸鈉; 無水乙醇、 十八水合硫酸鋁、 無水硫酸鈉、 硫酸鉀、 硅酸鈉: 均為市購分析純。

1.2 試驗方法

分別以建筑石膏、 高強石膏及混合石膏(50%建筑石膏+50%高強石膏)為原料、 參照GB/T 9776-2008 《建筑石膏》 進行 4 cm×4 cm×16 cm 石膏試件的成型, 1 h 后脫模, 經50 ℃干燥后, 將表面改性劑溶液按照0.08 g/cm2均勻涂抹于石膏試塊表面, 用自封袋密封常溫靜置24 小時后干燥并分別測定其絕干抗折強度、 抗壓強度及24 h 吸水率。 用小刀均勻切取絕干抗壓強度實驗破壞后的試塊表面涂層部分, 放入55 ℃烘箱中干燥后, 部分用Zeiss Sigma HD 型熱場發射掃描電子顯微鏡(德國蔡司公司, 德國)觀察形貌; 部分經瑪瑙研缽研磨后分別用瑪瑙研缽研細進行XRD(D8 FOCUS 型X-ray 衍射儀)進行物相組分鑒定。

2 結果與討論

2.1 表面改性對石膏抗折強度的影響

表面改性對石膏絕干抗折強度的影響見圖1。 可以看出:改性處理后石膏的絕干抗折強度都出現了不同程度的下降; 混合石膏的絕干抗折強度損失最小, 為0.8 MPa, 損失率為15%; 高強石膏的絕干抗折強度損失1.8 MPa, 損失率為19%;建筑石膏的絕干抗折強度損失1.5 MPa, 損失率為23%; 可見, 表面改性處理降低了石膏硬化體的絕干抗折強度, 混合石膏的強度降低最小, 降低率為15%。

圖1 表面改性對石膏絕干抗折強度的影響Fig.1 Influence of surface modification on the absolute dry flexural strength of gypsum

2.2 表面改性對石膏抗折強度的影響

表面改性對石膏絕干抗壓強度的影響見圖2。 可以看出:改性處理后石膏的絕干抗壓強度都得到了不同程度的增加; 混合石膏的絕干抗壓強度增加最大, 為16 MPa, 增加率為75%;高強石膏的絕干抗壓強度增大12 MPa, 增加率為38%; 建筑石膏的絕干抗壓強度增大3.6 MPa, 增加率為36%; 可見, 表面改性處理可以有效增加石膏硬化體的絕干抗壓強度, 混合石膏的強度提升最大, 增加率為75%。

圖2 表面改性對石膏絕干抗壓強度的影響Fig.2 Influence of surface modification on compressive strength of gypsum

2.3 改性劑對石膏吸水率的影響

表面改性對石膏硬化體吸水率的影響見圖3。 可以看出:改性處理后石膏的吸水率都得到了不同程度的減小; 混合石膏的吸水率降低5.1%, 降低率為21%; 高強石膏的吸水率降低2.4%, 降低率為12%; 建筑石膏的的吸水率降低3.5%, 降低率為9%; 可見, 表面改性處理可以有效降低石膏硬化體的吸水率, 混合石膏的吸水率降低最大, 降低率為21%。

圖3 表面改性對石膏吸水率的影響Fig.3 Influence of surface modification on water absorption of gypsum

從原料性質看, 建筑石膏、 高強石膏的主要成分雖然都是半水石膏, 但制備條件的不同導致二者的性能和功能出現顯著差異, 建筑石膏的物相為β 型半水石膏, 高強石膏的物相為α型半水石膏, β 型是結晶度較差與分散度較大的片狀微粒晶體,而a 型半水石膏則是結晶較完整與分散度較低的粗晶體; β 型半水石膏水化而成的二水石膏粒度較小且多為纖維狀, 晶體多以放射狀簇晶存在, 水化硬化體中孔洞較多, 結構疏松, 吸水率大, 強度低; 而α 型半水石膏水化而成的二水石膏粒度較粗且多成短柱狀, 所形成的水化硬化體網狀交織, 結構致密, 吸水率低, 強度高[7]。 當用同樣條件對不同硬化體表面進行改性處理時, 硬化體的密實程度都得到提高, 使得石膏硬化體的吸水率降低, 絕干抗壓強度升高, 但對抗折強度產生了不利影響, 且混合石膏變化最明顯, 這可能是因為混合石膏硬化體兼具β 型半水石膏空洞較多、 吸附性能好和α 型半水石膏強度高的優點, 當對其進行表面處理時, 其吸附性能和密實效果達到了良好的發揮。

2.4 SEM 分析

改性處理對混合石膏硬化體SEM 圖像的影響(圖4)可以看出: 未改性空白樣(a)的硬化體中石膏晶體呈棒條狀或顆粒狀堆積且較為細碎, 晶體間可見明顯的數十微米級別的孔隙; 對于經改性劑ASBS 處理過的b 樣品, 在石膏晶體表面或間隙中有較多的顆粒狀填充物, 使石膏晶體顯得相對粗大, 堆積清晰且間隙可見較為均勻密實的填充覆蓋層, 雖然晶體間隙中也可見較大的孔但結合圖3 中吸水率顯著減小的結果說明b 硬化體中開孔的體積相對a 樣品有所降低。

圖4 表面改性前后石膏硬化體XRD 分析Fig.4 XRD analysis of gypsum hardened body before and after surface modification

圖4 表面改性對石膏基體微觀形貌的影響(×1000)Fig.4 Influence of surface modification on microstructure of gypsum matrix(×1000)

2.5 XRD 分析

由改性劑對基體表面處理前后混合石膏硬化體的XRD 分析(圖4)可以看出: 改性前后各石膏硬化體的主要晶相均為二水硫酸鈣, 但各晶面間距d 值和相對強度發生了變化, 說明晶體的形態和結晶化程度存在差異。 相對于改性處理前, 改性后試樣的結晶化程度弱化明顯。

結合SEM 圖譜分析和改性劑涂層降低絕干抗折強度、 增大絕干抗壓強度、 降低吸水率的影響結果可知, 改性劑處理后石膏的結晶形態、 接觸點狀況、 結晶化程度等影響石膏強度的性質等發生了改變[8]; 在改性劑涂層中存在較多的鋁酸凝膠[6]提高了石膏硬化體的密實度; 改性劑中硅酸鈉的存在會使石膏晶體長徑比增大, 且在石膏表面形成一層致密的硅酸鈣, 從而有利于石膏強度的提高[4]。

3 結 論

(1)通過表面改性技術對建筑石膏、 高強石膏及混合石膏進行涂層處理后, 石膏硬化體的絕干抗折強度降低、 絕干抗壓強度升高、 吸水率降低, 且混合石膏影響最顯著, 混合石膏的抗折強度損失率15%, 抗壓強度增加率75%, 24 h 吸水率降低率21%。

(2)通過界面改性處理后, 石膏基體的結晶形態、 密實程度和結晶化程度等微觀性能發生了變化。