低溫高濕環(huán)境對(duì)磷石膏砂漿性能的影響

屠浩馳,李 輝

(寧波榮山新型材料有限公司,浙江 寧波 315040)

濕法生產(chǎn)磷酸過程中產(chǎn)生的固體廢棄物磷石膏,因?yàn)槟昱欧帕烤薮蟆⒕C合利用率低、堆放占地面積廣、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，一直以來是令各方頭疼的難題,所以圍繞磷石膏資源化利用的研究一直持續(xù)不斷[1-3]。近些年來,隨著室內(nèi)粉刷用石膏砂漿市場(chǎng)的興起,磷石膏煅燒成磷建筑石膏用于生產(chǎn)各種磷石膏基砂漿產(chǎn)品成為消納廢棄磷石膏的最成熟、最普遍的技術(shù)手段。但由于磷建筑石膏中仍有少量共晶磷、氟等雜質(zhì)使磷建筑石膏的性質(zhì)與常用的天然石膏、脫硫石膏大有不同[4-5],所以磷石膏基砂漿產(chǎn)品在實(shí)際工程應(yīng)用中也與脫硫石膏基砂漿產(chǎn)品存在較多差異。

磷石膏砂漿以磷建筑石膏做膠凝材料,屬于氣硬性材料,并不耐水,在水化反應(yīng)完成后需要脫水干燥才能正常發(fā)揮石膏基材料的優(yōu)勢(shì),因此養(yǎng)護(hù)環(huán)境,特別是溫、濕度對(duì)磷石膏砂漿的性能發(fā)展影響很大。一般來講,暖和干燥的環(huán)境適宜磷石膏材料的使用,可是很多室內(nèi)粉刷工程因?yàn)轫?xiàng)目進(jìn)度要求會(huì)在冬季施工。若遇到持續(xù)的高濕度(98%以上)、低溫(5℃以下)的天氣,比如2018年11月下旬至2019年1月中旬華東地區(qū)出現(xiàn)的天氣,磷石膏砂漿的性能表現(xiàn)較正常環(huán)境下肯定會(huì)有差距。本文在實(shí)驗(yàn)室模擬室內(nèi)封閉環(huán)境,研究低溫高濕養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)磷石膏砂漿性能在墻體上應(yīng)用的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1)閉孔膨脹珍珠巖：堆積密度90～100 kg/m3,筒壓強(qiáng)度200 kPa,平均粒徑0.2～0.3 mm；

2)磷建筑石膏粉：來源于湖北力達(dá)環(huán)保科技有限公司,pH值2.2,初凝時(shí)間188 s,終凝時(shí)間483 s,2 h抗壓強(qiáng)度6.2 MPa,絕干抗壓強(qiáng)度12.1 MPa；

3)羥丙基甲基纖維素醚：來源于赫克力士天普化工有限公司,布氏黏度40 000 mPa·s；

4)石膏緩凝劑：來源于西卡Retardan?-200P,改性氨基酸鹽,工作pH值區(qū)間在6.5～12；

5)聚乙烯醇2488粉末：平均聚合度2 400,醇解度88,冷溶于水；

6)工業(yè)級(jí)Ca(OH)2粉末：Ca(OH)2含量95%以上。

1.2 試驗(yàn)方法

石膏砂漿的基本配比為m(磷石膏粉)：m(閉孔膨脹珍珠巖)=880∶120,羥丙基甲基纖維素醚、石膏緩凝劑、聚乙烯醇和Ca(OH)2粉末的加入量分別為基本配比總量的2%、0.05%、3%和7%。水料比固定為0.6∶1。

將稱量好的各種原料和水進(jìn)行攪拌成型,填入40 mm×40 mm×160 mm的模具中,等石膏砂漿試塊終凝后脫模,放入恒溫恒濕箱養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)環(huán)境條件見表1,其中Y1代表低溫高濕環(huán)境,Y2代表低溫環(huán)境,Y3代表正常環(huán)境,Y4代表高濕環(huán)境。養(yǎng)護(hù)時(shí)間統(tǒng)一為7 d。

表1 磷石膏砂漿的養(yǎng)護(hù)環(huán)境

1.3 性能測(cè)試方法

磷石膏砂漿的凝結(jié)時(shí)間和力學(xué)強(qiáng)度按照《抹灰石膏(GB/T 28627—2012)》進(jìn)行測(cè)試；磷石膏砂漿試塊原質(zhì)量m0,放置在(40±2)℃的烘箱中烘至恒重m1,(m1-m0)/m0為磷石膏砂漿含水率；磷石膏砂漿膨脹率參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(JGJ/T 70—2009)》中收縮試驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

低溫高濕環(huán)境會(huì)延長(zhǎng)磷石膏砂漿的凝結(jié)時(shí)間,但依然符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的初凝不小于1 h、終凝不大于8 h的規(guī)定。在實(shí)際工程應(yīng)用中,除了沖筋工序外,粉刷作業(yè)并不會(huì)因?yàn)槟Y(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而造成麻煩。

表2 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)磷石膏砂漿凝結(jié)時(shí)間的影響

2.2 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)磷石膏砂漿含水率的影響

圖1顯示了不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境中磷石膏砂漿含水率隨時(shí)間變化的曲線,代表著磷石膏砂漿在不同環(huán)境條件下的干燥速度。由圖1可見,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的推移,磷石膏砂漿硬化體的含水率始終是Y3小于Y2小于Y1,也就是說，Y3養(yǎng)護(hù)環(huán)境下磷石膏砂漿硬化體干燥最快,而Y1養(yǎng)護(hù)環(huán)境下干燥很不理想。

圖1 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)磷石膏砂漿含水率的影響

磷石膏砂漿的干燥過程是從表面開始的。表面水分蒸發(fā)后,表面與內(nèi)部的水分濃度形成一定的濕度差,內(nèi)部水分就通過毛細(xì)管力作用遷移到表面。要磷石膏砂漿表面一直維持水分不飽和狀態(tài),水分遷移過程才能一直進(jìn)行下去,最終使磷石膏砂漿得以干燥[8]。因此溫度和濕度都會(huì)影響到水分蒸發(fā)的速度。Y1養(yǎng)護(hù)環(huán)境因?yàn)闇囟鹊?、濕度高的雙重因素,磷石膏砂漿表面的水分始終與空氣中水蒸氣處于平衡,使得表面水分持續(xù)飽和,導(dǎo)致干燥很不理想。這種條件下進(jìn)行的室內(nèi)粉刷作業(yè),磷石膏砂漿的實(shí)際性能表現(xiàn)會(huì)與正常環(huán)境下的性能產(chǎn)生較大差距。

2.3 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)磷石膏砂漿強(qiáng)度的影響

磷石膏砂漿在不同溫濕度的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d,其抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線見圖2。從圖2中看到：脫模以后的磷石膏砂漿初始抗壓強(qiáng)度在4種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下差別并不大；在養(yǎng)護(hù)24 h之前,4種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下磷石膏砂漿的抗壓強(qiáng)度都是不斷上升的；而養(yǎng)護(hù)24 h后,Y2和Y3養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,磷石膏砂漿的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加繼續(xù)不斷上升；而Y1和Y4養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,磷石膏砂漿的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)?？梢妼?duì)于磷石膏砂漿的抗壓強(qiáng)度發(fā)展,溫度高低與抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)的幅度有關(guān),濕度高低影響到抗壓強(qiáng)度發(fā)展的趨勢(shì)。

圖2 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)磷石膏砂漿抗壓強(qiáng)度發(fā)展的影響

Y2與Y3養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,磷石膏砂漿首先進(jìn)行水化反應(yīng),二水石膏晶體形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)；然后若磷石膏砂漿干燥較為正常,已經(jīng)形成的結(jié)晶結(jié)構(gòu)網(wǎng)則保持相對(duì)穩(wěn)定。隨著磷石膏砂漿內(nèi)部水分不斷遷移到空氣中,體系中水分逐步干燥,石膏硬化體的強(qiáng)度越來越高。Y1與Y4養(yǎng)護(hù)環(huán)境下,磷石膏砂漿依然先水化反應(yīng)形成初步強(qiáng)度,但由于外界濕度極高,磷石膏砂漿體系內(nèi)部水分無法揮發(fā)導(dǎo)致硬化體無法正常干燥,結(jié)晶接觸點(diǎn)會(huì)因?yàn)槌睗穸鵁崃W(xué)不穩(wěn)定,易產(chǎn)生接觸點(diǎn)的溶解和較大晶體的再結(jié)晶[9],因此出現(xiàn)石膏硬化體抗壓強(qiáng)度不斷降低的現(xiàn)象。

圖3顯示了不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d后,磷石膏砂漿絕干強(qiáng)度的對(duì)比。圖中對(duì)比很明顯,Y3養(yǎng)護(hù)環(huán)境的磷石膏砂漿抗壓、抗折和抗拉強(qiáng)度都最高,Y1養(yǎng)護(hù)環(huán)境的所有強(qiáng)度都最低,與之前抗壓強(qiáng)度發(fā)展結(jié)果相對(duì)應(yīng)。并且Y1養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的磷石膏砂漿的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別僅為Y3的51%、49%和25%。說明在低溫高濕環(huán)境中,磷石膏砂漿的力學(xué)性能會(huì)出現(xiàn)大幅度的不可逆的降低。

圖3 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)磷石膏砂漿絕干強(qiáng)度的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,磷石膏砂漿在低溫高濕環(huán)境下進(jìn)行室內(nèi)粉刷作業(yè)的話,力學(xué)強(qiáng)度損失比較嚴(yán)重。若正常環(huán)境下磷石膏砂漿的力學(xué)強(qiáng)度沒有足夠高,在低溫高濕環(huán)境中可能會(huì)滿足不了抹灰層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

2.4 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)磷石膏砂漿膨脹率的影響

圖4顯示了在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境中磷石膏砂漿的膨脹率,Y1至Y4的膨脹率分別為-7‰、4‰、6‰和-4‰。圖中出現(xiàn)了相反的結(jié)果：Y1與Y4養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的磷石膏砂漿出現(xiàn)了收縮,而Y2與Y3養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的磷石膏砂漿卻出現(xiàn)了膨脹。磷石膏砂漿的膨脹來源于磷石膏膠凝材料,β-半水石膏水化成二水石膏后晶粒生長(zhǎng)、搭接形成晶體結(jié)構(gòu)網(wǎng)會(huì)釋放熱量導(dǎo)致膨脹,又因?yàn)楦稍镞^程不斷失去水分留有空隙,所以總體上磷石膏出現(xiàn)膨脹。Y2與Y3養(yǎng)護(hù)環(huán)境下磷石膏砂漿能夠正常干燥,所以表現(xiàn)微膨脹?？墒窃赮1與Y4養(yǎng)護(hù)環(huán)境中干燥遇阻,二水石膏晶粒搭接點(diǎn)在無法從體系內(nèi)排出的水分中不斷溶解、再結(jié)晶,體系內(nèi)的空隙減少,導(dǎo)致磷石膏砂漿出現(xiàn)了收縮。

圖4 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)磷石膏砂漿膨脹率的影響

3 結(jié) 語(yǔ)

1)低溫高濕環(huán)境會(huì)使磷石膏砂漿的初凝和終凝時(shí)間比正常環(huán)境下延長(zhǎng),與低溫有關(guān),與高濕無關(guān)。

2)低溫高濕環(huán)境下磷石膏砂漿體系失水很慢,不利于磷石膏砂漿硬化體的干燥,導(dǎo)致磷石膏砂漿在形成初步強(qiáng)度后會(huì)呈下降趨勢(shì),硬化體絕干強(qiáng)度相比于正常環(huán)境出現(xiàn)大幅度的下降,強(qiáng)度損失嚴(yán)重。

3)相比于正常環(huán)境下會(huì)微膨脹,低溫高濕環(huán)境下磷石膏砂漿卻會(huì)出現(xiàn)微收縮。

4)低溫高濕環(huán)境下磷石膏砂漿的應(yīng)用問題在于干燥緩慢引起的力學(xué)性能損失,凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)和體積微收縮并不影響在墻體上的工程應(yīng)用。