低温高湿环境对磷石膏砂浆性能的影响

2019-12-26屠浩驰

浙江建筑 2019年6期

屠浩驰,李辉

(宁波荣山新型材料有限公司,浙江宁波 315040)

湿法生产磷酸过程中产生的固体废弃物磷石膏,因为年排放量巨大、综合利用率低、堆放占地面积广、对环境污染严重，一直以来是令各方头疼的难题,所以围绕磷石膏资源化利用的研究一直持续不断[1-3]。近些年来,随着室内粉刷用石膏砂浆市场的兴起,磷石膏煅烧成磷建筑石膏用于生产各种磷石膏基砂浆产品成为消纳废弃磷石膏的最成熟、最普遍的技术手段。但由于磷建筑石膏中仍有少量共晶磷、氟等杂质使磷建筑石膏的性质与常用的天然石膏、脱硫石膏大有不同[4-5],所以磷石膏基砂浆产品在实际工程应用中也与脱硫石膏基砂浆产品存在较多差异。

磷石膏砂浆以磷建筑石膏做胶凝材料,属于气硬性材料,并不耐水,在水化反应完成后需要脱水干燥才能正常发挥石膏基材料的优势,因此养护环境,特别是温、湿度对磷石膏砂浆的性能发展影响很大。一般来讲,暖和干燥的环境适宜磷石膏材料的使用,可是很多室内粉刷工程因为项目进度要求会在冬季施工。若遇到持续的高湿度(98%以上)、低温(5℃以下)的天气,比如2018年11月下旬至2019年1月中旬华东地区出现的天气,磷石膏砂浆的性能表现较正常环境下肯定会有差距。本文在实验室模拟室内封闭环境,研究低温高湿养护环境对磷石膏砂浆性能在墙体上应用的影响。

1 试验

1.1 原材料

1)闭孔膨胀珍珠岩：堆积密度90～100 kg/m3,筒压强度200 kPa,平均粒径0.2～0.3 mm；

2)磷建筑石膏粉：来源于湖北力达环保科技有限公司,pH值2.2,初凝时间188 s,终凝时间483 s,2 h抗压强度6.2 MPa,绝干抗压强度12.1 MPa；

3)羟丙基甲基纤维素醚：来源于赫克力士天普化工有限公司,布氏黏度40 000 mPa·s；

4)石膏缓凝剂：来源于西卡Retardan®-200P,改性氨基酸盐,工作pH值区间在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)工业级Ca(OH)2粉末：Ca(OH)2含量95%以上。

1.2 试验方法

石膏砂浆的基本配比为m(磷石膏粉)：m(闭孔膨胀珍珠岩)=880∶120,羟丙基甲基纤维素醚、石膏缓凝剂、聚乙烯醇和Ca(OH)2粉末的加入量分别为基本配比总量的2%、0.05%、3%和7%。水料比固定为0.6∶1。

将称量好的各种原料和水进行搅拌成型,填入40 mm×40 mm×160 mm的模具中,等石膏砂浆试块终凝后脱模,放入恒温恒湿箱养护。养护环境条件见表1,其中Y1代表低温高湿环境,Y2代表低温环境,Y3代表正常环境,Y4代表高湿环境。养护时间统一为7 d。

表1 磷石膏砂浆的养护环境

1.3 性能测试方法

磷石膏砂浆的凝结时间和力学强度按照《抹灰石膏(GB/T 28627—2012)》进行测试；磷石膏砂浆试块原质量m0,放置在(40±2)℃的烘箱中烘至恒重m1,(m1-m0)/m0为磷石膏砂浆含水率；磷石膏砂浆膨胀率参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准(JGJ/T 70—2009)》中收缩试验的方法进行测试。

2 结果与讨论

2.1 养护环境对凝结时间的影响

低温高湿环境会延长磷石膏砂浆的凝结时间,但依然符合标准规定的初凝不小于1 h、终凝不大于8 h的规定。在实际工程应用中,除了冲筋工序外,粉刷作业并不会因为凝结时间的延长而造成麻烦。

表2 养护环境对磷石膏砂浆凝结时间的影响

2.2 养护环境对磷石膏砂浆含水率的影响

图1显示了不同养护环境中磷石膏砂浆含水率随时间变化的曲线,代表着磷石膏砂浆在不同环境条件下的干燥速度。由图1可见,随着养护时间的推移,磷石膏砂浆硬化体的含水率始终是Y3小于Y2小于Y1,也就是说，Y3养护环境下磷石膏砂浆硬化体干燥最快,而Y1养护环境下干燥很不理想。

图1 养护环境对磷石膏砂浆含水率的影响

磷石膏砂浆的干燥过程是从表面开始的。表面水分蒸发后,表面与内部的水分浓度形成一定的湿度差,内部水分就通过毛细管力作用迁移到表面。要磷石膏砂浆表面一直维持水分不饱和状态,水分迁移过程才能一直进行下去,最终使磷石膏砂浆得以干燥[8]。因此温度和湿度都会影响到水分蒸发的速度。Y1养护环境因为温度低、湿度高的双重因素,磷石膏砂浆表面的水分始终与空气中水蒸气处于平衡,使得表面水分持续饱和,导致干燥很不理想。这种条件下进行的室内粉刷作业,磷石膏砂浆的实际性能表现会与正常环境下的性能产生较大差距。

2.3 养护环境对磷石膏砂浆强度的影响

磷石膏砂浆在不同温湿度的环境下养护7 d,其抗压强度发展曲线见图2。从图2中看到：脱模以后的磷石膏砂浆初始抗压强度在4种养护环境下差别并不大；在养护24 h之前,4种养护环境下磷石膏砂浆的抗压强度都是不断上升的；而养护24 h后,Y2和Y3养护环境下,磷石膏砂浆的抗压强度随养护时间的增加继续不断上升；而Y1和Y4养护环境下,磷石膏砂浆的抗压强度随养护时间的增加反而呈现下降趋势。可见对于磷石膏砂浆的抗压强度发展,温度高低与抗压强度增长的幅度有关,湿度高低影响到抗压强度发展的趋势。

图2 养护环境对磷石膏砂浆抗压强度发展的影响

Y2与Y3养护环境下,磷石膏砂浆首先进行水化反应,二水石膏晶体形成结晶结构网；然后若磷石膏砂浆干燥较为正常,已经形成的结晶结构网则保持相对稳定。随着磷石膏砂浆内部水分不断迁移到空气中,体系中水分逐步干燥,石膏硬化体的强度越来越高。Y1与Y4养护环境下,磷石膏砂浆依然先水化反应形成初步强度,但由于外界湿度极高,磷石膏砂浆体系内部水分无法挥发导致硬化体无法正常干燥,结晶接触点会因为潮湿而热力学不稳定,易产生接触点的溶解和较大晶体的再结晶[9],因此出现石膏硬化体抗压强度不断降低的现象。

图3显示了不同养护环境下养护7 d后,磷石膏砂浆绝干强度的对比。图中对比很明显,Y3养护环境的磷石膏砂浆抗压、抗折和抗拉强度都最高,Y1养护环境的所有强度都最低,与之前抗压强度发展结果相对应。并且Y1养护环境下的磷石膏砂浆的抗压强度、抗折强度和抗拉强度分别仅为Y3的51%、49%和25%。说明在低温高湿环境中,磷石膏砂浆的力学性能会出现大幅度的不可逆的降低。

图3 养护环境对磷石膏砂浆绝干强度的影响

根据实验结果,磷石膏砂浆在低温高湿环境下进行室内粉刷作业的话,力学强度损失比较严重。若正常环境下磷石膏砂浆的力学强度没有足够高,在低温高湿环境中可能会满足不了抹灰层的设计强度要求。

2.4 养护环境对磷石膏砂浆膨胀率的影响

图4显示了在不同养护环境中磷石膏砂浆的膨胀率,Y1至Y4的膨胀率分别为-7‰、4‰、6‰和-4‰。图中出现了相反的结果：Y1与Y4养护环境中的磷石膏砂浆出现了收缩,而Y2与Y3养护环境中的磷石膏砂浆却出现了膨胀。磷石膏砂浆的膨胀来源于磷石膏胶凝材料,β-半水石膏水化成二水石膏后晶粒生长、搭接形成晶体结构网会释放热量导致膨胀,又因为干燥过程不断失去水分留有空隙,所以总体上磷石膏出现膨胀。Y2与Y3养护环境下磷石膏砂浆能够正常干燥,所以表现微膨胀。可是在Y1与Y4养护环境中干燥遇阻,二水石膏晶粒搭接点在无法从体系内排出的水分中不断溶解、再结晶,体系内的空隙减少,导致磷石膏砂浆出现了收缩。