甲基硅酸鈉對再生建筑石膏強度和耐水性的影響

李志新,徐開東,王繼娜,孫 楠,張真鵬,閆振周, 熊慧志,劉豐碩,周晨曦,司馬同寶

(1.河南城建學院 材料與化工學院,河南 平頂山 467036; 2.河南城建學院 土木與交通工程學院,河南 平頂山 467036)

石膏是一種以硫酸鈣為主要成分的氣硬性膠凝材料,具有輕質、隔熱、吸聲、調濕和防火等優良性能,在建筑工程中廣泛使用[1-3]。常用的石膏制品有紙面石膏板、纖維石膏板、石膏空心板、石膏裝飾板、石膏砌塊和石膏吊頂等。石膏制品孔隙率高,吸水性、吸濕性強,并且二水石膏微溶于水,長期浸水會使其強度下降,耐水性變差[4]。為改善石膏制品的耐水性,擴大其應用范圍,在制備石膏制品時往往要摻入防水劑[5]。甲基硅酸鈉是一種常用的水溶性有機硅防水劑[6],其價格低廉,防水效果較好,常被用來改善石膏的防水性能。李佳[7]、程小蘇等[8]研究發現甲基硅酸鈉能顯著降低石膏陶瓷模型的溶蝕率,是適合工業化生產的石膏模改性添加劑。彭紅等[9]發現甲基硅酸鈉使脫硫建筑石膏的軟化系數提高幅度達32.7%,增強其耐水性。何廷樹等[10]發現甲基硅酸鈉使石膏砌塊的軟化系數提高至0.85,吸水率降低至7%,表現出優異的耐水性能。高凱[11]發現甲基硅酸鈉能夠降低抹灰砂漿的體積吸水率,使泛霜程度降低約30%。

隨著我國城市化進程的加快,每年都有大量的石膏被廢棄。目前廢棄石膏一般只進行簡單的填埋處理,不僅會污染環境,還會造成鈣、硫、土地等資源的浪費[12-14]。廢棄石膏的主要成分是二水硫酸鈣,可煅燒制備半水石膏,具備石膏循環利用的條件,可作為再生石膏[15-16]。楊新亞等[17-18]研究了再生石膏性能隨再生次數的變化,并通過減水劑進行改性,發現隨再生次數的增加,再生石膏的強度不斷降低,添加減水劑對其有較好的減水和增強效果。任利納[16]研究了再生石膏性能劣化的成因,認為顆粒偏細、分散度和比表面積變大是主要原因。李志新等[19-20]研究了再生石膏的相組成、熱性能、微觀形貌、強度和耐水性能,發現再生石膏的熱穩定性、半水相含量降低,微觀形貌變差,強度和耐水性降低。研究廢棄石膏的再生利用,有利于促進石膏循環經濟的發展。

廢棄石膏中往往殘留一定量的外加劑,影響其再生性能[21]。李志新等[22]研究了有機硅防水劑對再生石膏性能的影響,發現石膏再生后,有機硅防水劑降低了石膏的強度和耐水性,失去其防水效果。甲基硅酸鈉防水劑對再生石膏的作用尚未研究,本文研究甲基硅酸鈉對再生建筑石膏水膏比、抗折強度、抗壓強度及耐水性的影響,為廢棄石膏的再生利用提供技術參考。

1 實驗

1.1 實驗材料

建筑石膏,白色粉末,湖北應城生產,其主要成分如表1所示。甲基硅酸鈉,白色液體,濟南興馳化工生產,原液水=18。

表1 建筑石膏的化學成分含量

1.2 實驗方法

水膏比測試:將用擰干濕布擦干的玻璃板放在實驗臺上,再將筒體(內徑50 mm,高100 mm)放在玻璃板上,待用。甲基硅酸鈉的摻量為0.3%,將其預先加入水中拌和均勻,再加入300 g建筑石膏或再生建筑石膏進行攪拌,攪拌完成后倒入筒體中,用尺子將筒體露出的漿體刮平,之后垂直提起筒體,當料漿擴展直徑為175～185 mm時,記錄此時的用水量即為標準稠度用水量,水量與建筑石膏或再生建筑石膏質量之比即為水膏比。

凝結時間測試:稱量200 g建筑石膏或再生建筑石膏,并依據標準稠度用水量稱量水,將石膏與水在攪拌鍋中攪拌完成后,澆筑到環模(上內徑65 mm,下內徑75 mm,高40 mm)中,再放到維卡儀中通過試針下落讀數測試凝結時間,當試針第一次碰不到底板所經歷的時間即為初凝時間,當試針第一次插入料漿的深度不超過1 mm的時間為終凝時間。

強度測試:稱取950 g建筑石膏或再生建筑石膏,并依據標稠用水量稱量水,攪拌后制備建筑石膏塊體,試樣水化2 h后,測定其2 h抗壓強度和抗折強度。水化2 d后,在45 ℃的烘箱中烘干,測定其干抗壓強度和抗折強度。

再生石膏制備:將烘干石膏進行破碎、粉磨處理,再放入180 ℃烘箱中進行脫水制成半水石膏,在空氣中陳化2 d,得到再生建筑石膏。

吸水率測定方法參考文獻[23],樣品浸泡時間改為24 h。采用荷蘭菲達康QUANTA 450型掃描電子顯微鏡分析再生石膏硬化體的微觀形貌,樣品經噴金處理。

2 結果與討論

2.1 甲基硅酸鈉對再生建筑石膏強度及耐水性的影響

表2列出了摻加0%和0.3%甲基硅酸鈉的建筑石膏及再生建筑石膏的性能。由表2可知,在相同的擴展度下,甲基硅酸鈉增加了建筑石膏的水膏比,這與甲基硅酸鈉增加了液體的濃度且降低了其流動性有關,其凝結時間變化不大。無論是2 h抗折/抗壓強度還是絕干強度,建筑石膏均是降低的,它的抗折強度降幅為16%～28%,抗壓強度降幅為9%～16%(圖1),是由于此類防水劑由Na2CO3生成,堿性普遍較強,摻入石膏漿體中,會造成石膏制品強度降低。但甲基硅酸鈉對建筑石膏防水性能的改善效果明顯,使建筑石膏吸水率由31.7%降低為25.7%,降幅達18.9%,是由于甲基硅酸鈉與石膏發生了化學反應,在石膏表面生成了一層幾個分子厚的不溶性防水樹脂薄膜,與耿佳芬[24]的研究結果一致。

表2 建筑石膏和再生建筑石膏的性能

圖1 建筑石膏和再生建筑石膏的強度降低幅度

石膏再生后,其表面依舊含有防水樹脂薄膜。在再生建筑石膏拌和過程中,需要攪拌較長時間,水分才可進入再生建筑石膏內部,參與再生建筑石膏的水化,這層薄膜阻礙了水分的遷移,降低了其流動性。因此,摻加甲基硅酸鈉增大了再生建筑石膏的水膏比。同時,甲基硅酸鈉使再生建筑石膏的強度降幅變大,抗折強度降幅達30.0%～40.0%,抗壓強度降幅達36.0%～44.0%。甲基硅酸鈉在再生建筑石膏中依舊保留較好的防水性能,吸水率由62.0%降低為54.5%,吸水率降幅變小,僅為12.1%。由此可知,甲基硅酸鈉增加了兩種石膏的水膏比,降低了強度和吸水率,不同的是,再生建筑石膏的強度降幅變大,吸水率降幅變小,表明石膏再生后,甲基硅酸鈉的防水效果變弱,對再生建筑石膏的強度影響更大。

2.2 甲基硅酸鈉對再生建筑石膏強度及耐水性變化規律的影響

由表2可知,對未摻甲基硅酸鈉的再生建筑石膏而言,其性能是降低的,水膏比增加,由原來的0.63增至0.85,凝結時間延長,初凝時間和終凝時間分別由建筑石膏的19 min和26 min增至再生建筑石膏的31 min和38 min,強度降幅為50.0%～60.0%,吸水率由建筑石膏的31.7%增至62.0%,增幅為95.6%,見圖2(b)。對摻加甲基硅酸鈉的再生建筑石膏而言,其水膏比由建筑石膏的0.67增至0.88,強度降幅增大,變為60.0%～70.0%,見圖2(a),吸水率由原來的25.7%增至54.5%,增幅達112.1%,見圖2(b)。由此可見,相比未摻甲基硅酸鈉的再生建筑石膏而言,摻甲基硅酸鈉的再生建筑石膏的強度降幅增大,吸水率增幅也變大。

(a)再生建筑石膏強度的降低幅度

(b)再生建筑石膏吸水率的增加幅度

2.3 甲基硅酸鈉對再生石膏硬化體微觀結構的影響

圖3為再生石膏硬化體的微觀形貌,由圖3(a)可看出,未摻甲基硅酸鈉時,再生石膏硬化體晶體間相互搭接,較為致密;當摻加甲基硅酸鈉時,再生石膏硬化體的晶體形狀變為細小的顆粒和短柱狀,石膏晶體間的搭接變差,宏觀表現為摻甲基硅酸鈉再生建筑石膏強度降低、吸水率增加。

(a)未摻甲基硅酸鈉

(b)摻加0.3%的硅酸鈉

3 結論

(1)甲基硅酸鈉增加了建筑石膏和再生建筑石膏的水膏比,降低了其強度和吸水率。但甲基硅酸鈉對再生建筑石膏強度的降幅更大,抗折強度降幅達30.0%～40.0%,抗壓強度達36.0%～44.0%。雖然甲基硅酸鈉在再生建筑石膏中仍舊保持了耐水性能,但吸水率降幅變小,僅為12.1%,表明甲基硅酸鈉在再生建筑石膏中的防水效果變弱。

(2)與建筑石膏相比,再生建筑石膏的強度和耐水性是下降的。未摻甲基硅酸鈉時,再生建筑石膏的強度降幅為50.0%～60.0%,吸水率增幅為95.6%;摻0.3%甲基硅酸鈉時,強度降幅增大,達60.0%～70.0%,吸水率增幅達112.1%。

(3)微觀形貌分析表明,甲基硅酸鈉使再生石膏硬化體晶體間的搭接變差,從而降低了再生建筑石膏的強度,增大了吸水率,削弱了防水效果。