摘要: 本文以石膏為基礎體系, 外摻粉煤灰、電石渣等工業(yè)廢渣和水泥改性劑制成輕質泡沫混凝土. 對其調溫潤濕性能進行設計, 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, 封閉空間調溫調濕性能,對比樣調濕性等方面進行系統(tǒng)分析, 結合體視顯微鏡對其機理進行分析. 結果表明, 該材料調濕性能優(yōu)于加氣混凝土及燒結粘土磚, 是優(yōu)良的調濕材料.
關鍵詞: 石膏; 泡沫混凝土; 調濕材料; 工業(yè)廢渣
中圖分類號: TQ 172 文獻標識碼:A
調濕材料是指不需借助任何人工能源和機械設備, 依靠材料自身的吸放濕性能感應所處環(huán)境空間空氣溫濕度的變化, 并能調節(jié)空氣相對濕度的建筑材料. 石膏基復合膠凝材料的“呼吸功能”[ 1～ 2 ]源于它的多孔性和材料的親水性. 這些孔隙在室內濕度較大時, 可吸入水分; 反之, 室內濕度小時, 又可將水分釋放出來, 在一定范圍內自動調節(jié)室內的溫濕度; 試塊的厚度越大, 調節(jié)能力越大, 更能使人感到舒適.
研究表明室內環(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, 當短時間內溫度在10～ 40℃范圍內變化時, 會使系統(tǒng)內相對濕度降低到原來的1ö6 的水平, 反過來同樣如此[4]. 因此, 當環(huán)境的濕度發(fā)生變化時同樣也需考慮到溫度變化的影響. 本文針對以上問題進行系統(tǒng)研究, 結果證明石膏基復合膠凝材料泡沫混凝土是一種非常優(yōu)良的調濕材料.
1 實驗
1. 1 原料
實驗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, 原料化學組成見表1. 通過實驗優(yōu)選配方質量百分比為(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12 h 后, 在20℃自然養(yǎng)護至所需齡期, 用體視顯微鏡進行斷面圖像采集.
表1 主要原料化學組成質量分數(shù)ö%
2. 2 調濕性能測定設計
為了充分了解本試驗制備的泡沫混凝土的調濕性能, 我們采用20℃時飽和鹽水溶液上空間的相對濕度(Green span 1977) [ 5 ]來控制封閉小室內濕度, 并隨時用溫濕度儀進行監(jiān)控. 所用鹽水溶液和相對應空氣濕度如表2.
實驗溫濕度儀器采用北京亞光儀器有限責任公司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 結果與討論
2. 1 調濕原理分析
所研究的試塊經(jīng)過機械發(fā)泡和雙氧水引氣作用形成了輕質多孔結構的材料. 通過用體視顯微鏡觀察試塊的剖面, 如圖2 所示, 剖面為多級孔結構的組合, 形成大孔、中孔、微孔的復合. 由于試塊結構內部的比表面積較大, 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; 化學吸附一般為單分子層吸附, 吸附穩(wěn)定, 不易脫附, 調濕材料經(jīng)化學吸濕過程而吸附的水分子容易滯留在結構內部; 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, 防止室內濕度的上升, 相反由于空調器或干燥外氣的流入, 使?jié)穸认陆诞a(chǎn)生過干燥時, 材料自身可放出水氣, 防止室內過于干燥. 這種調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, 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的物理量, 是指多孔混凝土試樣達到熱力學上蒸汽等溫吸附和解吸過程平衡時的吸濕率,是吸附和解吸的極限. 試驗在溫度20℃下, 選取70 mm ×70 mm ×70 mm 立方體試塊, 通過調節(jié)封閉小室內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間條件下對試樣的吸濕量和平衡含水率進行測試. 結果如圖3 所示.
2. 3 平衡吸濕率與相對濕度的關系
通過實驗發(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, 經(jīng)15 d 吸濕, 吸濕率達5. 27%; 而RH = 20. 0%時, 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, 當吸濕率達到一定程度時孔隙內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, 但是這個階段的吸濕速度較慢. 當環(huán)境相對濕度進一步增大, 水蒸氣分壓也隨著增加, 微孔和細小的毛細孔此時也開始吸收水分, 造成了吸濕率又開始增大, 直到氣孔表面和毛細孔中的水分達到吸濕和解濕平衡為止.
2. 4 孔隙率對吸濕性的影響
試驗所取試樣的基本配方不變, 通過調整泡沫劑和穩(wěn)泡劑的摻入量來控制試塊的體積密度和氣孔率. 對7 個試樣體積密度和氣孔率進行測定, 并在20℃設定試驗封閉小室的濕度為90. 0% , 測定15 d 的平衡吸濕率. 測試結果如表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致吸濕性能的同步增大, 當真氣孔率小于70. 8%時, 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; 但是當顯氣孔率增大時試塊的吸濕率會隨之增大, 如圖6 所示. 說明泡沫混凝土的吸濕性與顯氣孔率的關聯(lián)性較好.
2. 5 封閉空間調濕性能分析
用封閉空間小室進行對比試驗, 分別是安放試樣和不放置試塊(空白). 恒溫溫度從25℃開始, 按以下順序進行試驗:
25℃→20℃→25℃→30℃→35℃→40℃→35℃→30℃→25℃→20℃
每次變化5℃測定封閉空間內的濕度及溫度的變化情況, 結果如圖7 所示.從圖7 可以明顯看到, 封閉空間內沒有試塊空白曲線的相對濕度隨溫度的變化波動較大, 溫度從20. 3℃～ 40. 5℃的相對濕度變化達40% 以上; 封閉空間內放入試樣后, 在同樣的溫度范圍內變化, 濕度變化幅度僅為7%左右, 說明封閉空間內的濕度相對較穩(wěn)定, 體現(xiàn)了良好的調濕性能.
2. 6 對比樣品調濕性能分析
為了研究這些泡沫混凝土材料的調濕性, 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%) 對其吸放濕性能進行測試. 通過樣品質量變化的大小來判斷吸放濕能力的大小. 實驗過程中用溫濕度表隨時測量, 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粘土磚, 加氣混凝土及本實驗試樣進行測試. 三種試驗樣品置于固定容器內, 分別在高濕度和低濕度兩種情況下觀察樣品的調濕能力. 結果如圖8, 圖9 所示.
從圖8 中看出: 泡沫混凝土的飽和吸濕量較大, 質量增長達到5. 27%以上; 加氣混凝土和燒結粘土磚的飽和吸濕量較低, 分別為3. 69% , 0. 18%左右. 燒結粘土磚幾乎不吸水. 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% , 質量減少達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 左右基本達到完全放濕的程度.以上結果表明, 石膏基泡沫混凝土試驗樣品的調濕性能優(yōu)良.
3 結論
(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, 吸濕率達5. 271% ) , 表明這種混凝土具有良好的調濕性能.
(2) 實驗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濕性; 加氣混凝土也有一定的自調濕性, 但沒有石膏基泡沫混凝土的好; 燒結粘土磚則基本沒有自調濕性.
參考文獻:
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