摘要: 本文以石膏為基礎(chǔ)體系, 外摻粉煤灰、電石渣等工業(yè)廢渣和水泥改性劑制成輕質(zhì)泡沫混凝土. 對其調(diào)溫潤濕性能進(jìn)行設(shè)計(jì), 針對石膏基泡沫混凝土的平衡吸濕率, 孔隙率對吸濕性能影響, 封閉空間調(diào)溫調(diào)濕性能,對比樣調(diào)濕性等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析, 結(jié)合體視顯微鏡對其機(jī)理進(jìn)行分析. 結(jié)果表明, 該材料調(diào)濕性能優(yōu)于加氣混凝土及燒結(jié)粘土磚, 是優(yōu)良的調(diào)濕材料.
關(guān)鍵詞: 石膏; 泡沫混凝土; 調(diào)濕材料; 工業(yè)廢渣
中圖分類號: TQ 172 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
調(diào)濕材料是指不需借助任何人工能源和機(jī)械設(shè)備, 依靠材料自身的吸放濕性能感應(yīng)所處環(huán)境空間空氣溫濕度的變化, 并能調(diào)節(jié)空氣相對濕度的建筑材料. 石膏基復(fù)合膠凝材料的“呼吸功能”[ 1～ 2 ]源于它的多孔性和材料的親水性. 這些孔隙在室內(nèi)濕度較大時(shí), 可吸入水分; 反之, 室內(nèi)濕度小時(shí), 又可將水分釋放出來, 在一定范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫濕度; 試塊的厚度越大, 調(diào)節(jié)能力越大, 更能使人感到舒適.
研究表明室內(nèi)環(huán)境包括溫度、濕度等氣象條件, 它對人的生活和健康影響很大. 一般認(rèn)為舒適環(huán)境的范圍是: 冬天溫度18～ 25℃, 相對濕度30%～ 80%; 夏天溫度23～ 28℃, 相對濕度30%～ 60% [ 3 ]. 外界溫度變化是引起濕度變化的主要原因之一, 通過對溫度與濕度之間相互關(guān)系的研究表明, 如果在密閉系統(tǒng)中沒有任何吸附與解吸水分的物質(zhì), 當(dāng)短時(shí)間內(nèi)溫度在10～ 40℃范圍內(nèi)變化時(shí), 會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)相對濕度降低到原來的1ö6 的水平, 反過來同樣如此[4]. 因此, 當(dāng)環(huán)境的濕度發(fā)生變化時(shí)同樣也需考慮到溫度變化的影響. 本文針對以上問題進(jìn)行系統(tǒng)研究, 結(jié)果證明石膏基復(fù)合膠凝材料泡沫混凝土是一種非常優(yōu)良的調(diào)濕材料.
1 實(shí)驗(yàn)
1. 1 原料
實(shí)驗(yàn)所用原料為廣西橫縣產(chǎn)天然生石膏, 廣西華宏水泥有限公司旋窯42. 5# 普通硅酸鹽水泥, 發(fā)電廠二級粉煤灰, 生產(chǎn)聚氯乙烯所排放的電石渣及自制發(fā)泡劑, 穩(wěn)泡劑等, 原料化學(xué)組成見表1. 通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)選配方質(zhì)量百分比為(石膏∶水泥∶粉煤灰∶電石渣∶發(fā)泡劑∶穩(wěn)泡劑= 100∶18∶12∶11∶0. 16∶0. 1) , 水膠比為0. 6. 樣品經(jīng)75℃常壓低溫養(yǎng)護(hù)12 h 后, 在20℃自然養(yǎng)護(hù)至所需齡期, 用體視顯微鏡進(jìn)行斷面圖像采集.
表1 主要原料化學(xué)組成質(zhì)量分?jǐn)?shù)ö%
2. 2 調(diào)濕性能測定設(shè)計(jì)
為了充分了解本試驗(yàn)制備的泡沫混凝土的調(diào)濕性能, 我們采用20℃時(shí)飽和鹽水溶液上空間的相對濕度(Green span 1977) [ 5 ]來控制封閉小室內(nèi)濕度, 并隨時(shí)用溫濕度儀進(jìn)行監(jiān)控. 所用鹽水溶液和相對應(yīng)空氣濕度如表2.
實(shí)驗(yàn)溫濕度儀器采用北京亞光儀器有限責(zé)任公司DW S508D 型電子溫濕度儀(LCD Thermo -Hygro) , 自制絕熱密閉小室(聚乙烯泡沫塑料) , 儀器簡圖1.
2 結(jié)果與討論
2. 1 調(diào)濕原理分析
所研究的試塊經(jīng)過機(jī)械發(fā)泡和雙氧水引氣作用形成了輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)的材料. 通過用體視顯微鏡觀察試塊的剖面, 如圖2 所示, 剖面為多級孔結(jié)構(gòu)的組合, 形成大孔、中孔、微孔的復(fù)合. 由于試塊結(jié)構(gòu)內(nèi)部的比表面積較大, 本身也就具有了一定的吸附性[ 6 ] , 這主要依靠內(nèi)部多級的孔道與極大的比表面產(chǎn)生的水分子吸附、脫附作用. 吸附現(xiàn)象的發(fā)生, 其作用力主要有三類: 物理吸附、化學(xué)吸附和離子交換吸附. 物理吸附基于分子間力, 即范德華力; 化學(xué)吸附一般為單分子層吸附, 吸附穩(wěn)定, 不易脫附, 調(diào)濕材料經(jīng)化學(xué)吸濕過程而吸附的水分子容易滯留在結(jié)構(gòu)內(nèi)部; 離子交換吸附簡稱離子交換, 固體表面通過靜電引力吸附帶相反電荷的離子, 吸附過程發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移[ 7 ]; 加之石膏材料本身所具有的親水吸濕性能, 從而使所研究的石膏基膠凝材料泡沫混凝土試塊具有比一般多孔混凝土更優(yōu)良的調(diào)濕性能.
該材料自身可感知并開始吸收空氣中的水分, 防止室內(nèi)濕度的上升, 相反由于空調(diào)器或干燥外氣的流入, 使?jié)穸认陆诞a(chǎn)生過干燥時(shí), 材料自身可放出水氣, 防止室內(nèi)過于干燥. 這種調(diào)濕建材能夠很好地將空氣濕度保持在比較適于人居住的范圍內(nèi), 具有可根據(jù)環(huán)境濕度的變化控制水蒸汽吸附量的功能.
2. 2 平衡吸濕率分析
平衡吸濕率是表征多孔混凝土濕性質(zhì)的物理量, 是指多孔混凝土試樣達(dá)到熱力學(xué)上蒸汽等溫吸附和解吸過程平衡時(shí)的吸濕率,是吸附和解吸的極限. 試驗(yàn)在溫度20℃下, 選取70 mm ×70 mm ×70 mm 立方體試塊, 通過調(diào)節(jié)封閉小室內(nèi)飽和鹽水溶液上空相對濕度, 在不同相對濕度和不同吸濕時(shí)間條件下對試樣的吸濕量和平衡含水率進(jìn)行測試. 結(jié)果如圖3 所示.
2. 3 平衡吸濕率與相對濕度的關(guān)系
通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn): 試樣的平衡吸濕率隨著環(huán)境相對濕度的增大而明顯增大, 在RH =90. 0% 時(shí), 經(jīng)15 d 吸濕, 吸濕率達(dá)5. 27%; 而RH = 20. 0%時(shí), 吸濕率僅為1. 10% , 可見該材料在高濕的環(huán)境下吸濕效果較好. 吸濕率與相對濕度的關(guān)系圖4 所示.
從圖中還可看到試塊吸濕率的曲線變化趨勢在32. 3%以下和75. 3%以上均比較大,而在兩個(gè)濕度值之間的變化趨勢較緩慢. 用固體表面吸附原理[ 8 ]分析可能的原因是, 試樣在低濕度的環(huán)境中, 其所有孔隙表面吸附水分子形成單分子膜, 隨著吸濕量的增加, 孔隙表面逐漸被單分子水膜覆蓋, 當(dāng)吸濕率達(dá)到一定程度時(shí)孔隙內(nèi)表面幾乎被單分子層水膜覆蓋完畢, 吸附速度則開始減緩. 隨后的泡沫混凝土進(jìn)一步吸濕, 是在第一層水分子膜上形成第二層和第三層等, 但是這個(gè)階段的吸濕速度較慢. 當(dāng)環(huán)境相對濕度進(jìn)一步增大, 水蒸氣分壓也隨著增加, 微孔和細(xì)小的毛細(xì)孔此時(shí)也開始吸收水分, 造成了吸濕率又開始增大, 直到氣孔表面和毛細(xì)孔中的水分達(dá)到吸濕和解濕平衡為止.
2. 4 孔隙率對吸濕性的影響
試驗(yàn)所取試樣的基本配方不變, 通過調(diào)整泡沫劑和穩(wěn)泡劑的摻入量來控制試塊的體積密度和氣孔率. 對7 個(gè)試樣體積密度和氣孔率進(jìn)行測定, 并在20℃設(shè)定試驗(yàn)封閉小室的濕度為90. 0% , 測定15 d 的平衡吸濕率. 測試結(jié)果如表3.
以真氣孔率對吸濕性能的影響作圖如下:
由圖5 可以看出, 真氣孔率的增加并不是導(dǎo)致吸濕性能的同步增大, 當(dāng)真氣孔率小于70. 8%時(shí), 試樣的吸濕率隨真氣孔率的增加而增加, 隨著真氣孔率繼續(xù)增大(超過70. 8%) 試塊的吸濕率反而下降; 但是當(dāng)顯氣孔率增大時(shí)試塊的吸濕率會(huì)隨之增大, 如圖6 所示. 說明泡沫混凝土的吸濕性與顯氣孔率的關(guān)聯(lián)性較好.
2. 5 封閉空間調(diào)濕性能分析
用封閉空間小室進(jìn)行對比試驗(yàn), 分別是安放試樣和不放置試塊(空白). 恒溫溫度從25℃開始, 按以下順序進(jìn)行試驗(yàn):
25℃→20℃→25℃→30℃→35℃→40℃→35℃→30℃→25℃→20℃
每次變化5℃測定封閉空間內(nèi)的濕度及溫度的變化情況, 結(jié)果如圖7 所示.從圖7 可以明顯看到, 封閉空間內(nèi)沒有試塊空白曲線的相對濕度隨溫度的變化波動(dòng)較大, 溫度從20. 3℃～ 40. 5℃的相對濕度變化達(dá)40% 以上; 封閉空間內(nèi)放入試樣后, 在同樣的溫度范圍內(nèi)變化, 濕度變化幅度僅為7%左右, 說明封閉空間內(nèi)的濕度相對較穩(wěn)定, 體現(xiàn)了良好的調(diào)濕性能.
2. 6 對比樣品調(diào)濕性能分析
為了研究這些泡沫混凝土材料的調(diào)濕性, 選用了ZnSO 4·7H2O (溶液上空間相對濕度90. 0%) 及CH3CHOO K (溶液上空間相對濕度20. 0%) 對其吸放濕性能進(jìn)行測試. 通過樣品質(zhì)量變化的大小來判斷吸放濕能力的大小. 實(shí)驗(yàn)過程中用溫濕度表隨時(shí)測量, 確保飽和鹽水溶液上空間能保持一定的溫濕度. 通過15 d 封閉空間對市售燒結(jié)粘土磚, 加氣混凝土及本實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行測試. 三種試驗(yàn)樣品置于固定容器內(nèi), 分別在高濕度和低濕度兩種情況下觀察樣品的調(diào)濕能力. 結(jié)果如圖8, 圖9 所示.
從圖8 中看出: 泡沫混凝土的飽和吸濕量較大, 質(zhì)量增長達(dá)到5. 27%以上; 加氣混凝土和燒結(jié)粘土磚的飽和吸濕量較低, 分別為3. 69% , 0. 18%左右. 燒結(jié)粘土磚幾乎不吸水. 從圖中曲線走勢看, 石膏基泡沫混凝土和加氣混凝土樣品在前3 d 內(nèi)吸濕速度較快, 隨后加氣混凝土吸濕速度明顯降低, 但泡沫混凝土仍有較高的吸濕速度.
從圖9 中可得: 泡沫混凝土的完全放濕量較大, 濕度從90. 0%到20. 0% , 質(zhì)量減少達(dá)3. 15%; 加氣混凝土的完全放濕量較小, 在1. 26%左右, 放濕能力較弱; 而燒結(jié)粘土磚放濕率僅為0. 07%. 從圖中曲線走勢看, 在15 d 左右基本達(dá)到完全放濕的程度.以上結(jié)果表明, 石膏基泡沫混凝土試驗(yàn)樣品的調(diào)濕性能優(yōu)良.
3 結(jié)論
(1) 對石膏基泡沫混凝土的不同相對濕度下平衡吸濕量進(jìn)行測定, 發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境濕度的增大, 試樣的吸濕速度和吸濕總量都隨之增加(RH= 90. 0%時(shí), 吸濕率達(dá)5. 271% ) , 表明這種混凝土具有良好的調(diào)濕性能.
(2) 實(shí)驗(yàn)證明泡沫混凝土的吸濕性能隨著顯氣孔率的增大而增大, 顯示出較好的關(guān)聯(lián)性.
(3) 研究發(fā)現(xiàn)石膏基泡沫混凝土具有良好的自調(diào)濕性; 加氣混凝土也有一定的自調(diào)濕性, 但沒有石膏基泡沫混凝土的好; 燒結(jié)粘土磚則基本沒有自調(diào)濕性.
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