甲基硅酸钠对再生建筑石膏强度和耐水性的影响

李志新,徐开东,王继娜,孙 楠,张真鹏,闫振周, 熊慧志,刘丰硕,周晨曦,司马同宝

(1.河南城建学院 材料与化工学院,河南 平顶山 467036; 2.河南城建学院 土木与交通工程学院,河南 平顶山 467036)

石膏是一种以硫酸钙为主要成分的气硬性胶凝材料,具有轻质、隔热、吸声、调湿和防火等优良性能,在建筑工程中广泛使用[1-3]。常用的石膏制品有纸面石膏板、纤维石膏板、石膏空心板、石膏装饰板、石膏砌块和石膏吊顶等。石膏制品孔隙率高,吸水性、吸湿性强,并且二水石膏微溶于水,长期浸水会使其强度下降,耐水性变差[4]。为改善石膏制品的耐水性,扩大其应用范围,在制备石膏制品时往往要掺入防水剂[5]。甲基硅酸钠是一种常用的水溶性有机硅防水剂[6],其价格低廉,防水效果较好,常被用来改善石膏的防水性能。李佳[7]、程小苏等[8]研究发现甲基硅酸钠能显著降低石膏陶瓷模型的溶蚀率,是适合工业化生产的石膏模改性添加剂。彭红等[9]发现甲基硅酸钠使脱硫建筑石膏的软化系数提高幅度达32.7%,增强其耐水性。何廷树等[10]发现甲基硅酸钠使石膏砌块的软化系数提高至0.85,吸水率降低至7%,表现出优异的耐水性能。高凯[11]发现甲基硅酸钠能够降低抹灰砂浆的体积吸水率,使泛霜程度降低约30%。

随着我国城市化进程的加快,每年都有大量的石膏被废弃。目前废弃石膏一般只进行简单的填埋处理,不仅会污染环境,还会造成钙、硫、土地等资源的浪费[12-14]。废弃石膏的主要成分是二水硫酸钙,可煅烧制备半水石膏,具备石膏循环利用的条件,可作为再生石膏[15-16]。杨新亚等[17-18]研究了再生石膏性能随再生次数的变化,并通过减水剂进行改性,发现随再生次数的增加,再生石膏的强度不断降低,添加减水剂对其有较好的减水和增强效果。任利纳[16]研究了再生石膏性能劣化的成因,认为颗粒偏细、分散度和比表面积变大是主要原因。李志新等[19-20]研究了再生石膏的相组成、热性能、微观形貌、强度和耐水性能,发现再生石膏的热稳定性、半水相含量降低,微观形貌变差,强度和耐水性降低。研究废弃石膏的再生利用,有利于促进石膏循环经济的发展。

废弃石膏中往往残留一定量的外加剂,影响其再生性能[21]。李志新等[22]研究了有机硅防水剂对再生石膏性能的影响,发现石膏再生后,有机硅防水剂降低了石膏的强度和耐水性,失去其防水效果。甲基硅酸钠防水剂对再生石膏的作用尚未研究,本文研究甲基硅酸钠对再生建筑石膏水膏比、抗折强度、抗压强度及耐水性的影响,为废弃石膏的再生利用提供技术参考。

1 实验

1.1 实验材料

建筑石膏,白色粉末,湖北应城生产,其主要成分如表1所示。甲基硅酸钠,白色液体,济南兴驰化工生产,原液水=18。

表1 建筑石膏的化学成分含量

1.2 实验方法

水膏比测试:将用拧干湿布擦干的玻璃板放在实验台上,再将筒体(内径50 mm,高100 mm)放在玻璃板上,待用。甲基硅酸钠的掺量为0.3%,将其预先加入水中拌和均匀,再加入300 g建筑石膏或再生建筑石膏进行搅拌,搅拌完成后倒入筒体中,用尺子将筒体露出的浆体刮平,之后垂直提起筒体,当料浆扩展直径为175～185 mm时,记录此时的用水量即为标准稠度用水量,水量与建筑石膏或再生建筑石膏质量之比即为水膏比。

凝结时间测试:称量200 g建筑石膏或再生建筑石膏,并依据标准稠度用水量称量水,将石膏与水在搅拌锅中搅拌完成后,浇筑到环模(上内径65 mm,下内径75 mm,高40 mm)中,再放到维卡仪中通过试针下落读数测试凝结时间,当试针第一次碰不到底板所经历的时间即为初凝时间,当试针第一次插入料浆的深度不超过1 mm的时间为终凝时间。

强度测试:称取950 g建筑石膏或再生建筑石膏,并依据标稠用水量称量水,搅拌后制备建筑石膏块体,试样水化2 h后,测定其2 h抗压强度和抗折强度。水化2 d后,在45 ℃的烘箱中烘干,测定其干抗压强度和抗折强度。

再生石膏制备:将烘干石膏进行破碎、粉磨处理,再放入180 ℃烘箱中进行脱水制成半水石膏,在空气中陈化2 d,得到再生建筑石膏。

吸水率测定方法参考文献[23],样品浸泡时间改为24 h。采用荷兰菲达康QUANTA 450型扫描电子显微镜分析再生石膏硬化体的微观形貌,样品经喷金处理。

2 结果与讨论

2.1 甲基硅酸钠对再生建筑石膏强度及耐水性的影响

表2列出了掺加0%和0.3%甲基硅酸钠的建筑石膏及再生建筑石膏的性能。由表2可知,在相同的扩展度下,甲基硅酸钠增加了建筑石膏的水膏比,这与甲基硅酸钠增加了液体的浓度且降低了其流动性有关,其凝结时间变化不大。无论是2 h抗折/抗压强度还是绝干强度,建筑石膏均是降低的,它的抗折强度降幅为16%～28%,抗压强度降幅为9%～16%(图1),是由于此类防水剂由Na2CO3生成,碱性普遍较强,掺入石膏浆体中,会造成石膏制品强度降低。但甲基硅酸钠对建筑石膏防水性能的改善效果明显,使建筑石膏吸水率由31.7%降低为25.7%,降幅达18.9%,是由于甲基硅酸钠与石膏发生了化学反应,在石膏表面生成了一层几个分子厚的不溶性防水树脂薄膜,与耿佳芬[24]的研究结果一致。

表2 建筑石膏和再生建筑石膏的性能

图1 建筑石膏和再生建筑石膏的强度降低幅度

石膏再生后,其表面依旧含有防水树脂薄膜。在再生建筑石膏拌和过程中,需要搅拌较长时间,水分才可进入再生建筑石膏内部,参与再生建筑石膏的水化,这层薄膜阻碍了水分的迁移,降低了其流动性。因此,掺加甲基硅酸钠增大了再生建筑石膏的水膏比。同时,甲基硅酸钠使再生建筑石膏的强度降幅变大,抗折强度降幅达30.0%～40.0%,抗压强度降幅达36.0%～44.0%。甲基硅酸钠在再生建筑石膏中依旧保留较好的防水性能,吸水率由62.0%降低为54.5%,吸水率降幅变小,仅为12.1%。由此可知,甲基硅酸钠增加了两种石膏的水膏比,降低了强度和吸水率,不同的是,再生建筑石膏的强度降幅变大,吸水率降幅变小,表明石膏再生后,甲基硅酸钠的防水效果变弱,对再生建筑石膏的强度影响更大。

2.2 甲基硅酸钠对再生建筑石膏强度及耐水性变化规律的影响

由表2可知,对未掺甲基硅酸钠的再生建筑石膏而言,其性能是降低的,水膏比增加,由原来的0.63增至0.85,凝结时间延长,初凝时间和终凝时间分别由建筑石膏的19 min和26 min增至再生建筑石膏的31 min和38 min,强度降幅为50.0%～60.0%,吸水率由建筑石膏的31.7%增至62.0%,增幅为95.6%,见图2(b)。对掺加甲基硅酸钠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,强度降幅增大,变为60.0%～70.0%,见图2(a),吸水率由原来的25.7%增至54.5%,增幅达112.1%,见图2(b)。由此可见,相比未掺甲基硅酸钠的再生建筑石膏而言,掺甲基硅酸钠的再生建筑石膏的强度降幅增大,吸水率增幅也变大。

(a)再生建筑石膏强度的降低幅度

(b)再生建筑石膏吸水率的增加幅度

2.3 甲基硅酸钠对再生石膏硬化体微观结构的影响

图3为再生石膏硬化体的微观形貌,由图3(a)可看出,未掺甲基硅酸钠时,再生石膏硬化体晶体间相互搭接,较为致密;当掺加甲基硅酸钠时,再生石膏硬化体的晶体形状变为细小的颗粒和短柱状,石膏晶体间的搭接变差,宏观表现为掺甲基硅酸钠再生建筑石膏强度降低、吸水率增加。

(a)未掺甲基硅酸钠

(b)掺加0.3%的硅酸钠

3 结论

(1)甲基硅酸钠增加了建筑石膏和再生建筑石膏的水膏比,降低了其强度和吸水率。但甲基硅酸钠对再生建筑石膏强度的降幅更大,抗折强度降幅达30.0%～40.0%,抗压强度达36.0%～44.0%。虽然甲基硅酸钠在再生建筑石膏中仍旧保持了耐水性能,但吸水率降幅变小,仅为12.1%,表明甲基硅酸钠在再生建筑石膏中的防水效果变弱。

(2)与建筑石膏相比,再生建筑石膏的强度和耐水性是下降的。未掺甲基硅酸钠时,再生建筑石膏的强度降幅为50.0%～60.0%,吸水率增幅为95.6%;掺0.3%甲基硅酸钠时,强度降幅增大,达60.0%～70.0%,吸水率增幅达112.1%。

(3)微观形貌分析表明,甲基硅酸钠使再生石膏硬化体晶体间的搭接变差,从而降低了再生建筑石膏的强度,增大了吸水率,削弱了防水效果。