摘要: 本文以石膏为基础体系, 外掺粉煤灰、电石渣等工业废渣和水泥改性剂制成轻质泡沫混凝土. 对其调温润湿性能进行设计, 针对石膏基泡沫混凝土的平衡吸湿率, 孔隙率对吸湿性能影响, 封闭空间调温调湿性能,对比样调湿性等方面进行系统分析, 结合体视显微镜对其机理进行分析. 结果表明, 该材料调湿性能优于加气混凝土及烧结粘土砖, 是优良的调湿材料.
关键词: 石膏; 泡沫混凝土; 调湿材料; 工业废渣
中图分类号: TQ 172 文献标识码:A
调湿材料是指不需借助任何人工能源和机械设备, 依靠材料自身的吸放湿性能感应所处环境空间空气温湿度的变化, 并能调节空气相对湿度的建筑材料. 石膏基复合胶凝材料的“呼吸功能”[ 1～ 2 ]源于它的多孔性和材料的亲水性. 这些孔隙在室内湿度较大时, 可吸入水分; 反之, 室内湿度小时, 又可将水分释放出来, 在一定范围内自动调节室内的温湿度; 试块的厚度越大, 调节能力越大, 更能使人感到舒适.
研究表明室内环境包括温度、湿度等气象条件, 它对人的生活和健康影响很大. 一般认为舒适环境的范围是: 冬天温度18～ 25℃, 相对湿度30%～ 80%; 夏天温度23～ 28℃, 相对湿度30%～ 60% [ 3 ]. 外界温度变化是引起湿度变化的主要原因之一, 通过对温度与湿度之间相互关系的研究表明, 如果在密闭系统中没有任何吸附与解吸水分的物质, 当短时间内温度在10～ 40℃范围内变化时, 会使系统内相对湿度降低到原来的1ö6 的水平, 反过来同样如此[4]. 因此, 当环境的湿度发生变化时同样也需考虑到温度变化的影响. 本文针对以上问题进行系统研究, 结果证明石膏基复合胶凝材料泡沫混凝土是一种非常优良的调湿材料.
1 实验
1. 1 原料
实验所用原料为广西横县产天然生石膏, 广西华宏水泥有限公司旋窑42. 5# 普通硅酸盐水泥, 发电厂二级粉煤灰, 生产聚氯乙烯所排放的电石渣及自制发泡剂, 稳泡剂等, 原料化学组成见表1. 通过实验优选配方质量百分比为(石膏∶水泥∶粉煤灰∶电石渣∶发泡剂∶稳泡剂= 100∶18∶12∶11∶0. 16∶0. 1) , 水胶比为0. 6. 样品经75℃常压低温养护12 h 后, 在20℃自然养护至所需龄期, 用体视显微镜进行断面图像采集.
表1 主要原料化学组成质量分数ö%
2. 2 调湿性能测定设计
为了充分了解本试验制备的泡沫混凝土的调湿性能, 我们采用20℃时饱和盐水溶液上空间的相对湿度(Green span 1977) [ 5 ]来控制封闭小室内湿度, 并随时用温湿度仪进行监控. 所用盐水溶液和相对应空气湿度如表2.
实验温湿度仪器采用北京亚光仪器有限责任公司DW S508D 型电子温湿度仪(LCD Thermo -Hygro) , 自制绝热密闭小室(聚乙烯泡沫塑料) , 仪器简图1.
2 结果与讨论
2. 1 调湿原理分析
所研究的试块经过机械发泡和双氧水引气作用形成了轻质多孔结构的材料. 通过用体视显微镜观察试块的剖面, 如图2 所示, 剖面为多级孔结构的组合, 形成大孔、中孔、微孔的复合. 由于试块结构内部的比表面积较大, 本身也就具有了一定的吸附性[ 6 ] , 这主要依靠内部多级的孔道与极大的比表面产生的水分子吸附、脱附作用. 吸附现象的发生, 其作用力主要有三类: 物理吸附、化学吸附和离子交换吸附. 物理吸附基于分子间力, 即范德华力; 化学吸附一般为单分子层吸附, 吸附稳定, 不易脱附, 调湿材料经化学吸湿过程而吸附的水分子容易滞留在结构内部; 离子交换吸附简称离子交换, 固体表面通过静电引力吸附带相反电荷的离子, 吸附过程发生电荷转移[ 7 ]; 加之石膏材料本身所具有的亲水吸湿性能, 从而使所研究的石膏基胶凝材料泡沫混凝土试块具有比一般多孔混凝土更优良的调湿性能.
该材料自身可感知并开始吸收空气中的水分, 防止室内湿度的上升, 相反由于空调器或干燥外气的流入, 使湿度下降产生过干燥时, 材料自身可放出水气, 防止室内过于干燥. 这种调湿建材能够很好地将空气湿度保持在比较适于人居住的范围内, 具有可根据环境湿度的变化控制水蒸汽吸附量的功能.
2. 2 平衡吸湿率分析
平衡吸湿率是表征多孔混凝土湿性质的物理量, 是指多孔混凝土试样达到热力学上蒸汽等温吸附和解吸过程平衡时的吸湿率,是吸附和解吸的极限. 试验在温度20℃下, 选取70 mm ×70 mm ×70 mm 立方体试块, 通过调节封闭小室内饱和盐水溶液上空相对湿度, 在不同相对湿度和不同吸湿时间条件下对试样的吸湿量和平衡含水率进行测试. 结果如图3 所示.
2. 3 平衡吸湿率与相对湿度的关系
通过实验发现: 试样的平衡吸湿率随着环境相对湿度的增大而明显增大, 在RH =90. 0% 时, 经15 d 吸湿, 吸湿率达5. 27%; 而RH = 20. 0%时, 吸湿率仅为1. 10% , 可见该材料在高湿的环境下吸湿效果较好. 吸湿率与相对湿度的关系图4 所示.
从图中还可看到试块吸湿率的曲线变化趋势在32. 3%以下和75. 3%以上均比较大,而在两个湿度值之间的变化趋势较缓慢. 用固体表面吸附原理[ 8 ]分析可能的原因是, 试样在低湿度的环境中, 其所有孔隙表面吸附水分子形成单分子膜, 随着吸湿量的增加, 孔隙表面逐渐被单分子水膜覆盖, 当吸湿率达到一定程度时孔隙内表面几乎被单分子层水膜覆盖完毕, 吸附速度则开始减缓. 随后的泡沫混凝土进一步吸湿, 是在第一层水分子膜上形成第二层和第三层等, 但是这个阶段的吸湿速度较慢. 当环境相对湿度进一步增大, 水蒸气分压也随着增加, 微孔和细小的毛细孔此时也开始吸收水分, 造成了吸湿率又开始增大, 直到气孔表面和毛细孔中的水分达到吸湿和解湿平衡为止.
2. 4 孔隙率对吸湿性的影响
试验所取试样的基本配方不变, 通过调整泡沫剂和稳泡剂的掺入量来控制试块的体积密度和气孔率. 对7 个试样体积密度和气孔率进行测定, 并在20℃设定试验封闭小室的湿度为90. 0% , 测定15 d 的平衡吸湿率. 测试结果如表3.
以真气孔率对吸湿性能的影响作图如下:
由图5 可以看出, 真气孔率的增加并不是导致吸湿性能的同步增大, 当真气孔率小于70. 8%时, 试样的吸湿率随真气孔率的增加而增加, 随着真气孔率继续增大(超过70. 8%) 试块的吸湿率反而下降; 但是当显气孔率增大时试块的吸湿率会随之增大, 如图6 所示. 说明泡沫混凝土的吸湿性与显气孔率的关联性较好.
2. 5 封闭空间调湿性能分析
用封闭空间小室进行对比试验, 分别是安放试样和不放置试块(空白). 恒温温度从25℃开始, 按以下顺序进行试验:
25℃→20℃→25℃→30℃→35℃→40℃→35℃→30℃→25℃→20℃
每次变化5℃测定封闭空间内的湿度及温度的变化情况, 结果如图7 所示.从图7 可以明显看到, 封闭空间内没有试块空白曲线的相对湿度随温度的变化波动较大, 温度从20. 3℃～ 40. 5℃的相对湿度变化达40% 以上; 封闭空间内放入试样后, 在同样的温度范围内变化, 湿度变化幅度仅为7%左右, 说明封闭空间内的湿度相对较稳定, 体现了良好的调湿性能.
2. 6 对比样品调湿性能分析
为了研究这些泡沫混凝土材料的调湿性, 选用了ZnSO 4·7H2O (溶液上空间相对湿度90. 0%) 及CH3CHOO K (溶液上空间相对湿度20. 0%) 对其吸放湿性能进行测试. 通过样品质量变化的大小来判断吸放湿能力的大小. 实验过程中用温湿度表随时测量, 确保饱和盐水溶液上空间能保持一定的温湿度. 通过15 d 封闭空间对市售烧结粘土砖, 加气混凝土及本实验试样进行测试. 三种试验样品置于固定容器内, 分别在高湿度和低湿度两种情况下观察样品的调湿能力. 结果如图8, 图9 所示.
从图8 中看出: 泡沫混凝土的饱和吸湿量较大, 质量增长达到5. 27%以上; 加气混凝土和烧结粘土砖的饱和吸湿量较低, 分别为3. 69% , 0. 18%左右. 烧结粘土砖几乎不吸水. 从图中曲线走势看, 石膏基泡沫混凝土和加气混凝土样品在前3 d 内吸湿速度较快, 随后加气混凝土吸湿速度明显降低, 但泡沫混凝土仍有较高的吸湿速度.
从图9 中可得: 泡沫混凝土的完全放湿量较大, 湿度从90. 0%到20. 0% , 质量减少达3. 15%; 加气混凝土的完全放湿量较小, 在1. 26%左右, 放湿能力较弱; 而烧结粘土砖放湿率仅为0. 07%. 从图中曲线走势看, 在15 d 左右基本达到完全放湿的程度.以上结果表明, 石膏基泡沫混凝土试验样品的调湿性能优良.
3 结论
(1) 对石膏基泡沫混凝土的不同相对湿度下平衡吸湿量进行测定, 发现随着环境湿度的增大, 试样的吸湿速度和吸湿总量都随之增加(RH= 90. 0%时, 吸湿率达5. 271% ) , 表明这种混凝土具有良好的调湿性能.
(2) 实验证明泡沫混凝土的吸湿性能随着显气孔率的增大而增大, 显示出较好的关联性.
(3) 研究发现石膏基泡沫混凝土具有良好的自调湿性; 加气混凝土也有一定的自调湿性, 但没有石膏基泡沫混凝土的好; 烧结粘土砖则基本没有自调湿性.
参考文献:
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