磷石膏_生土复合调湿材料研究_蔡国俊.pdf

新型建筑材料202302磷石膏/生土复合调湿材料研究蔡国俊，陈刚，黄峰，梅江涛，许斌（中建八局第三建设有限公司，江苏 南京210046）摘要：以磷石膏、生土为原材料，经无机掺合料改性，制备磷石膏/生土复合调湿材料。通过试验研究了材料的力学性能、耐水性及调湿性能。结果显示，将磷石膏掺量控制在 5%9%，复合调湿材料的 60 d 抗压强度为 4.485.83 MPa；软化系数为 0.710.82；最大吸湿速率达到 0.04720.0516 kg/（kg d）；最大放湿速率达到 0.03800.0434 kg/（kg d）。微观分析显示，磷石膏本身具有胶凝作用，无机改性掺合料与原材料中的 SiO2反应，生成二水石膏、C-S-H 凝胶、伊利石和钙沸石等物质，提高材料的强度和耐水性；复合调湿材料孔隙结构丰富，可通过毛细孔道效应、表面物理及化学吸附对水分子产生作用力，调湿性能优异。关键词：磷石膏/生土复合调湿材料；抗压强度；软化系数；吸放湿速率中图分类号：TU526文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）02-0096-05Study on phosphogypsum/raw soil composite humidity-controlling materialCAI Guojun，CHEN Gang，HUANG Feng，MEI Jiangtao，XU Bin（The Third Construction Co.Ltd.，of China Construction Eighth Engineering Bureau，Nanjing 210046，China）Abstract：With the effect of inorganic modified admixtures，phosphogypsum/raw soil composite humidity-controlling materialwas prepared by using phosphogypsum and raw soil as raw materials.The mechanical，water resistance and humidity-controllingproperties of the humidity-controlling were explored through experiments.The results show that the composite content of phosphogypsum is controlled at 5%9%，the 60 d compressive strength of the material is 4.485.83 MPa.The softening coefficient is maintained at 0.710.82.The maximum moisture absorption and desorption rates reach 0.04720.0516 kg/（kg d）and 0.03800.0434 kg/（kg d）respectively.The microscopic analysis shows that the hydration reaction of phosphogypsum and the reaction of inorganicmodified admixture with SiO2in raw materials produce dihydrate gypsum，C-S-H gel，Illite and Calcium Zeolite，which improves thestrength and water resistance.The composite humidity-controlling material has rich pore structure，which can exert force on watermolecules through capillary pore effect，surface physical and chemical adsorption，and has excellent humidity-controlling performance.Key words：phosphogypsum/raw soil composite humidity-controlling material，compressive strength，softening coefficient，moistureabsorption and desorption rate随着生活水平的提高，室内湿度环境受到了更多的关注。研究表明1，适宜的空气相对湿度为 40%60%，此时不仅舒适度好，且有利于人体健康和物品保存。采用空调或除湿机等设备调节湿度，不仅增加建筑能耗及碳排放量，且对环境造成负面影响。利用调湿材料调节室内空气相对湿度，对改善居住环境、降低建筑能耗具有重要意义2。调湿材料是指能感应湿度变化，依靠自身对水分子的吸附和脱附进而调节空气相对湿度的一类材料3。根据种类及作用机理的不同，可分为无机类、有机高分子类、生物质类以及复合类调湿材料4。无机矿物调湿材料的种类繁多且性能优异，已成为学者们研究的热点。陈彦文等5利用硅藻土为基材，抛光石粉和粉煤灰作掺合料，经焙烧工艺制备了具有调湿及吸附甲醛功能的复合板材。谢华慧等6将海泡石、膨胀珍珠岩和硅藻泥等用作骨料，制备新型复合调湿砂浆。邓妮等7利用 CaCl2对硅藻土进行改性，经证实可提高硅藻土的调湿性能。Zhou 和 Chen8利用微波辅助 NH4Cl 对天然沸石进行改性，制备新型沸石基调湿材料，与天然沸石基对比，其吸、放湿能力得到显著提升。总的来看，当前针对无机矿物调湿材料的基金项目：中建八局-面向低碳与防疫的近零能耗公共建筑智能设计项目（20220118）收稿日期：2022-06-01；修订日期：2022-12-06作者简介：蔡国俊，男，1994 年生，硕士，工程师，E-mail：。中国科技核心期刊96NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS研究主要集中于硅藻土、海泡石和沸石等天然材料，其资源量有限且制备成本较高。磷石膏是磷酸制备过程中产生的固体废弃物，2017 年在我国的排放量为 7500 万 t9。磷石膏的堆积不仅占用大量土地，且有害成分对生态环境构成破坏。磷石膏的主要成分与天然石膏相似，经处理后可制备胶凝材料10-11或水泥缓凝剂12。结构分析显示，石膏硬化后整体孔隙率增大，使其具备调节空气湿度的基础。本研究充分利用磷石膏的胶凝作用及硬化后的孔结构，将磷石膏与生土复合，经无机掺合料改性制备磷石膏/生土复合调湿材料。研究磷石膏掺量对复合调湿材料强度、耐水性及调湿性能的影响规律，并借助 X 射线衍射、扫描电镜等微观手段分析其对材料性能产生影响的机理。1试验1.1原材料磷石膏：武汉市某磷肥制造厂，呈银灰色粉末状且质地较软，主要化学成分见表 1。将其冲洗后在 180 下加热 24 h 脱水，经筛分取 0.150.30 mm 粒级。表 1磷石膏的主要化学成分%生土：取自南京市某建筑施工现场，呈红褐色，主要成分为 SiO2。在 180 下烘干后球磨，经筛分取 0.150.30 mm 粒级。无机掺合料（IMA）：采用马鞍山市某钢铁厂 95%钢渣和5%硅粉配制而成，呈灰白色粉末状，经球磨后筛分，细度为180200 目，主要矿物组成为 C3S 和-C2S。1.2复合调湿材料制备结合前期大量探索性试验，控制生土与无机掺合料的初始质量比为 31，研究磷石膏的掺量（按占固体总质量计）对复合调湿材料力学性能、耐水性和调湿能力的影响。按表 2 设计的配比将磷石膏、生土和无机掺合料混合后加水搅拌。待拌合均匀后将混合料装入试模抹压成型，制成 20 mm20 mm20mm 的试件。每组试件在相对湿度 90%、（202）条件下养护24h 后脱模，并在常温（1520）环境下养护。表 2原材料配比1.3性能测试方法1.3.1力学性能及耐水性试验将试件养护至 14、21、28、42、60 d，采用 YYW-300DS 型万能试验机测试其在干燥与吸水饱和状态下的抗压强度，并根据式（1）计算其软化系数 K。KR1/R0（1）式中：R0试件在干燥状态下的抗压强度，MPa；R1试件在吸水饱和状态下的抗压强度，MPa。1.3.2调湿性能试验（1）平衡含湿率按照 GB/T 203122006 建筑材料及制品的湿热性能 吸湿性能的测定，采用干燥器法测试材料的吸、放湿性能。先准备 BL-3001 型 干 燥 器 若 干 个，分 别 盛 有 MgCl2、NaBr、NaCl、KCl、K2SO4五种饱和盐溶液。在 25 下，上述溶液控制的空气相对湿度分别为 33.8%、61.2%、76.6%、85.9%、99.0%。先将试件干燥至恒重，在 25 下将其依次放入相对湿度为 33.8%、61.2%、76.6%、85.9%和 99.0%的 BL-3001 型干燥器中吸湿，待吸湿平衡后再依次放入相对湿度为 99.0%、85.9%、76.6%、61.2%和 33.8%的干燥器中放湿，分别测试与环境达到湿平衡时试件的质量，测试时间间隔为 1 d1 h。按式（2）计算材料的吸（放）湿含湿率 u：u=m-m0m0100%（2）式中：m吸（放）湿过程试件的质量，kg；m0干燥试件的质量，kg。（2）吸放湿速率将试件干燥至恒重后依次放入相对湿度为 33.8%和99.0%的干燥器中吸湿，以 1 d1 h 的时间间隔测试试件质量。待试件达到吸湿平衡后再依次放入相对湿度为 99.0%和33.8%的干燥器中放湿，按上述时间间隔测试试件质量，直至达到放湿平衡后停止测试。根据所测数据，按式（3）、式（4）计算材料的吸（放）湿率 U（%）和吸（放）湿速率 Vkg/（kg d）。U=u1-u2（3）式中：u1试件吸湿后（放湿前）的含湿率，%；u2试件吸湿前（放湿后）的含湿率，%。V=m1-m2m0t（4）式中：m1试件吸湿后（放湿前）的质量，kg；m2吸湿前（放湿后）的质量，kg；t吸（放）湿时间，d。1.3.3X 射线衍射及扫描电镜分析待试件养护至 60 d 时，分别采用 GENESIS-2020 电子显SiO2Al2O3Fe2O3SO3MgOCaOH2O10.331.090.2832.760.1326.1726.38磷石膏/kg 水固比00.2450.27100.30150.33200.36编号LS-0LS-5LS-9LS-13LS-17磷石膏掺量/%0591317生土/kg7575757575无机掺合料/kg2525252525蔡国俊，等：磷石膏/生土复合调湿材料研究97新型建筑材料202302微镜和 D8 ADVANCE 衍射仪对磷石膏、生土以及 LS-17 组试件进行矿物组分及形貌结构分析，再结合相关理论探究磷石膏/生土复合调湿材料力学性能、耐水性及调湿性能的作用机理。2结果分析与讨论2.1磷石膏掺量对复合调湿材料力学性能及耐水性的影响（见图 1）图 1磷石膏掺量对复合调湿材料抗压强度及软化系数的影响由图 1（a）可知，未掺磷石膏的 LS-0 组在 14、21、28、42、60 d 抗压强度分别为 3.83、4.67、5.03、5.45、5.67 MPa；随着磷石膏掺量的增加，复合调湿材料的抗压强度先提高后降低。磷石膏掺量为 5%时各龄期抗压强度最高，14、21、28、42、60 d抗压强度较 LS-0 组分别提高了 9.4%、3.2%、3.2%、2.9%和2.8%；磷石膏掺量增加至 17%时，14、21、28、42、60 d 抗压强度较 LS-0 组分别降低了 28.2%、33.3%、22.9%、21.8%和20.5%。由图 1（b）可知，在相同龄期下复合调湿材料的软化系数变化规律与抗压强度相同。LS-0