劉學(xué)貴，王敬強(qiáng)，王躍沖，宋天陽，張金路

(1.沈陽化工大學(xué)制藥與生物工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142；2.沈陽化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

1 前言

膨潤土是一種以蒙脫石為主要組分的粘土類礦物，其主要成分為蒙脫石[1]，其性質(zhì)主要由蒙脫石的特性所決定。在我國分布廣泛，礦藏豐富。膨潤土具有強(qiáng)烈的吸水性、膨脹性、膠結(jié)性、分散性、觸變性及陽離子交換性等特性，已經(jīng)在石油、化工、建材、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2-3]。近年來，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑質(zhì)量問題也愈加凸顯。開發(fā)和研制低成本、環(huán)保和能提高建筑質(zhì)量的建筑材料也逐漸成為建筑材料行業(yè)的熱點(diǎn)問題。

目前，我國的建筑密封材料包括塑料油膏，瀝青油膏以及聚硫，硅酮聚氨酯等彈性密封材料，雖然這些材料制作方便，價格優(yōu)勢明顯，但由于其工藝及綜合指標(biāo)落后，有些還會對環(huán)境造成污染，危害人體健康，與現(xiàn)在人們所追求的綠色生活相悖，將會逐漸被禁止或者被綠色環(huán)保的其他材料所代替。由于膨潤土具有其他密封材料所不能媲美的防水性能，目前世界上已經(jīng)有機(jī)構(gòu)和企業(yè)利用其生產(chǎn)密封材料[4-5]。

本試驗以天然鈉基膨潤土，凡士林及石蠟為主要原料，經(jīng)過混合、揉制、熟化，定型為一種膨潤土類建筑材料。借鑒以往文獻(xiàn)[6-8]介紹的膨潤土及其防水(滲)產(chǎn)品的防水性能測試方法，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9-10]對所制樣試樣半限制狀態(tài)下的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，為這種新型建筑密封材料的實際應(yīng)用提供了必要的基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

1 試驗

天然鈉基膨潤土雖具有優(yōu)良的防水性能，但其自身呈顆粒狀，無粘結(jié)性，因而需選擇非水介質(zhì)將膨潤土制成建筑密封材料[11]。所選用的介質(zhì)必須為疏水性物質(zhì)，與膨潤土制成的膠泥應(yīng)為均勻的膏狀物，并具有一般防水膠泥的性能。本文以天然鈉基膨潤土為主體，以凡士林、石蠟為膠結(jié)介質(zhì)制備膨潤土類建筑材料。

1.1 試驗所用原料及儀器設(shè)備

(1)天然鈉基膨潤土(新疆哈密)，原料的主要化學(xué)成分(%)為：Na2O 2.98，MgO 4.30，Al2O314.75，SiO262.50，K2O 1.03，CaO 1.63，TiO20.44，F(xiàn)e2O34.88，LOI 5.53。化學(xué)分析結(jié)果由東北大學(xué)分析化驗中心提供。

(2)凡士林(大連西太平洋石油化工有限公司)。

(3)石蠟(上海永華石蠟有限公司)。

(4)DF-2型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(常州澳華儀器有限公司)。

(5)BS224S型電子天平(精度0.0001，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)。

(6)G2X-9023MBE型數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱(上海博訊實業(yè)有限公司)。

(7)FCD-165SC型冰柜(海爾集團(tuán))。

(8)滲透系數(shù)測定裝置(主要由滲透柱、變水頭管、滲出液收集裝置組成，自制)。

1.2 合成工藝

將500mL燒杯放進(jìn)水浴鍋內(nèi)再把轉(zhuǎn)子放進(jìn)燒杯里，固定好升溫至85～90℃。首先加入凡士林，待其完全熔化后再加入石蠟，將凡士林和石蠟充分混合。再加入天然鈉基膨潤土，待物料混合均勻后，降溫至40～45℃，出料；室溫熟化，定型后，用保鮮膜包好。

樣品配方如下表所示。

試驗樣品配方

2 樣品性能測試

2.1 密度測定

采用排水法測試樣品,3個樣品的密度(g/cm3)分別為：1.24、1.26、1.26。

2.2 體積膨脹率的測定

根據(jù)文獻(xiàn)[9],試樣的尺寸約為20mm×20mm×2mm。

2.3 無限制狀態(tài)滲透系數(shù)的測定

根據(jù)文獻(xiàn)[9],利用滲透系數(shù)測定裝置(裝置圖如右圖所示)，根據(jù)下面的公式計算材料樣品的滲透系數(shù)：

試樣滲透系數(shù)測試裝置示意

式中：a 為水頭管的斷面積，cm2；A為樣品的斷面積，cm2；B =2.3為ln和lg的變換因數(shù)；L為滲徑(即試樣高度)，cm；t1，t2分別為測讀水頭的起始和終止時間，s；H1，H2為起始和終止水頭。

分別將1#,2#,3#樣品填充于滲透柱內(nèi)，高度約為10～12mm，填充量約為40g左右。滲透柱內(nèi)徑為19.20mm,截面積約為3cm2。

2.4 高溫淌度試驗

根據(jù)文獻(xiàn)[9],試樣的尺寸約為20mm×20mm×4mm。

2.5 低溫柔性試驗

根據(jù)文獻(xiàn)[9],試樣的尺寸約為50mm×100mm×2mm。

2.6 抗凍融循環(huán)性能測試試驗

根據(jù)文獻(xiàn)[12],試樣的尺寸約為10mm×10mm×40mm。

2.7 半限制浸泡發(fā)散試驗

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，試樣尺寸為25m m×25m m×2mm。

3 結(jié)果與討論

3.1 合成工藝的探討

在材料制備過程中，凡士林的作用是把膨潤土粘合在一起，石蠟起到了控制粘度、增加韌性，便于成型的作用。將溫度控制在85～90℃之間，溫度過高凡士林的揮發(fā)將會變快，溫度如果不足85℃，材料組分之間混合不充分，會影響樣品的成型效果和使用性能。一定要充分地將各組分混合均勻。

3.2 樣品配方對樣品性能的影響

(1)通過低溫柔性的測試，1#,2#,3#樣品在-18℃冷凍裝置中放置2h后均無裂痕。表明3個試樣抗低溫性能較好。

(2)由高溫淌度測試結(jié)果可知，樣品在80℃烘箱中放置2h后，1#試樣與2#試樣油狀物溶出量較少，流淌范圍未超過1mm，3#樣品狀物溢出明顯，有流淌現(xiàn)象。說明隨著凡士林比例的增加，樣品抗高溫能力逐漸降低。這是由于樣品主要是通過物理共混制備而成，其柔韌性主要通過凡士林與石蠟來體現(xiàn)，凡士林本身呈現(xiàn)粘稠狀，在高溫下極易液體化。因此，凡蠟比在4∶1～5∶1范圍內(nèi)的樣品抗高溫性能較好。

(3)3個樣品經(jīng)過24h浸泡后，體積膨脹率分別為159.3%、164.5%、165.2%，均保持整體膨脹，無明顯發(fā)散現(xiàn)象，其中1#本體有明顯的裂紋，2#，3#本體有微小裂紋，但不明顯。說明凡蠟比在5∶1～6∶1范圍內(nèi)，試樣的整體粘結(jié)性能較好。

(4)膨潤土本身具有高吸水膨脹性及自封閉性，樣品在膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65%情況下，1#，2#，3#試樣的滲透系數(shù)均與壓實膨潤土滲透系數(shù)相當(dāng)[13]。1#，2#，3#樣品的的滲透系數(shù)分別為1.15×10-8cm/s、0.96×10-8cm/s、2.18×10-8cm/s。而隨著凡士林質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，不僅使樣品硬度降低，吸水膨脹率下降，從而導(dǎo)致抗?jié)B水性降低，也失去了廉價的特點(diǎn)，凡蠟比保持一定比例才能既保留了膨潤土原吸水膨脹、抗?jié)B的能力，又具有定型性好的優(yōu)點(diǎn)。

(5)經(jīng)過50次凍融循環(huán)試驗，1#，2#，3#樣品都能適應(yīng)高低溫交替的氣候環(huán)境，其中溫差達(dá)到40℃無裂痕出現(xiàn)，無明顯形態(tài)變化。

4 結(jié)論

(1)本試驗制備了一種膨潤土類建筑密封材料，其主要由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的天然鈉基膨潤土與一定比例的凡士林和石蠟混合制備而成。

(2)在非限制狀態(tài)下，3個試樣的體積膨脹率分別為159.3%，164.5%，165.2%；滲透系數(shù)分別為1.15×10-8，0.96×10-8，2.18×10-8，低溫柔性好，抗凍融性能較佳，并在80℃下放置2h，1#，2#樣品無明顯流淌現(xiàn)象。

(3)經(jīng)過綜合評價，認(rèn)為2#樣品(凡士林與石蠟質(zhì)量比例為5∶1)性能最佳，均能達(dá)到建筑密封材料的使用標(biāo)準(zhǔn)。

(4)該產(chǎn)品的制備工藝簡單，原料廉價易得，加工方便，操作方便，產(chǎn)品無毒天然無污染，防水(滲)性能較佳，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]侯梅芳,馬北雁,萬洪富,等.我國各地膨潤土的礦物學(xué)性質(zhì)[J].巖礦測試,2002,21(3):190-194.

[2]BRINDLEY G W.Formation and properties of clay polymer complexes[J].Earth Science Reviews,1979,15(3):295-296.

[3]劉學(xué)貴,劉長風(fēng),高品一,等.聚丙烯酰胺改性膨潤土防滲材料的制備及其表征[J].新型建筑材料,2012(4):10-13.

[4]VAUNAT J,GENS A.Analysis of the hydration of a bentoniteseal in a deep radioactive waste repository[J].Engineering Geology,2005,81(3):317-328.

[5]MURRAY H H.Developments in Clay Science[J].Applied Clay Mineralogy,2006(2):111-130.

[6]PERDRIAL J N,WARR L N.Hydration behavior of MX80 bentonite in a confined-volume system:implications for backfilldesign[J].Clays and Clay Minerals,2011,59(6):640-653.

[7]INES F,HANS-JOACHIM K,M ATTHIAS K,et al.Base seal for a stockpile,in particular a residual salt stockpile:WIPO,WO2012006981[P].2012-06-09.

[8]ZARE-SHAHABADI A,SHOKUHFAR A,EBRAHIMI-NEJAD S.Preparation and rheological characterization of asphalt binders reinforced with layered silicate nanoparticles[J].Construction and Building Materials,2010,24:1239-1244.

[9]北京市橡膠制品設(shè)計研究院.GB/T 18173.3-2002 高分子防水材料第3部分:遇水膨脹橡膠[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[10]南京水利科學(xué)研究院.GB/T 50123-1999 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

[11]ARTHUR G C,DES P.Bentonite-gelled oil water proofing composition:US4209568[P].1980-06-24.

[12]中國建筑科學(xué)研究院.GB/T 50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[13]MONTEIRO M A F,RIBEIRO A P,MACHADO A T,et al.Brazilian bentonites for geosynthetic clay liners (GCL)[J].Mater.Sci.Forum,2008(8):791-798.