檸檬酸鈉在藻鈣膠凝材料中的應(yīng)用研究

韋　華,朱躍鵬,溫發(fā)華

(湖北格林森新型建材科技有限公司，武漢　430200)

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檸檬酸鈉在藻鈣膠凝材料中的應(yīng)用研究

韋華,朱躍鵬,溫發(fā)華

(湖北格林森新型建材科技有限公司，武漢430200)

本文以檸檬酸鈉為緩凝劑，考察了藻鈣膠凝材料水化凝結(jié)性能，并進(jìn)一步考察了實(shí)際應(yīng)用中溫度、pH值的影響因素。研究結(jié)果表明：檸檬酸鈉在0.03%低摻量內(nèi)，即可獲得適宜的凝結(jié)性，2 h強(qiáng)度損失<20%，干強(qiáng)損失<5%。在實(shí)際應(yīng)用中，溫度<12 ℃，溫度>28 ℃、pH值<7.66、pH值>10.8時(shí)，對(duì)藻鈣膠凝材料凝結(jié)特性有顯著性影響，檸檬酸鈉的摻量應(yīng)適宜調(diào)整。

藻鈣; 緩凝; 檸檬酸鈉

1　引　言

藻鈣膠凝材料是由藻類基體、含鈣無機(jī)類基體按一定比例復(fù)配而得，其水化硬化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)呈多微孔性，宏觀上具有甲醛凈化性、負(fù)離子釋放、自調(diào)濕生態(tài)特性，可廣泛用于各類無機(jī)生態(tài)膠凝材料[1-3]。具有凝結(jié)特性快的特點(diǎn)，在規(guī)?；B續(xù)化的實(shí)際應(yīng)用中，因強(qiáng)制攪拌方式及炎熱的環(huán)境溫度、摩擦生熱造成液相介質(zhì)溫度偏高、以及pH值等因素都會(huì)造成凝結(jié)加快，直接影響水化物的成型操作及結(jié)構(gòu)，需摻加適宜緩凝劑并進(jìn)行相應(yīng)性調(diào)整。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原理

(1)緩凝機(jī)理：以多元酸鹽的陰離子[RCOO-]n和陽離子Na+、K+、Ca2+/或Al3+組成的水相介質(zhì)下，吸附性極強(qiáng)的[RCOO-]n基團(tuán)能同時(shí)與Na+、K+、Ca2+和/或Al3+吸附配位，形成一層大分子吸附金屬離子構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)狀“緩沖薄膜”，進(jìn)而阻礙結(jié)晶基元在該晶面上的結(jié)合，使各方向的生長速率接近平衡，使水化產(chǎn)物由纖維狀轉(zhuǎn)晶為六方短柱狀[4]。

2.2試驗(yàn)原料

(1)藻鈣粉：由硅藻土、含鈣無機(jī)類基體自行復(fù)配粉磨制得，其基本性能見表1。

表1　藻鈣粉基本性能

(2)緩凝劑：選用市售食品級(jí)檸檬酸鈉。

2.3試驗(yàn)設(shè)備

XMQ-67型錐形球磨機(jī),DKZ-5 000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)、YES-300抗壓試驗(yàn)機(jī)、TYE-6B板材抗折試驗(yàn)機(jī)、101-3A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)、SX-4-10箱式電阻爐、20～200目標(biāo)準(zhǔn)篩、DJ-90W強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)、行星式調(diào)頻電動(dòng)攪拌機(jī)、40 mm×40 mm×160 mm標(biāo)準(zhǔn)模、ISO型稠度凝結(jié)時(shí)間測定儀、Axios advanced X射線熒光光譜儀、JMS-5610LV掃描電子顯微鏡。

2.4測試標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量、凝結(jié)時(shí)間、抗折抗壓強(qiáng)度參考GB/T9776-1999標(biāo)準(zhǔn)。

3　結(jié)果與討論

外加劑的摻量按照外摻法計(jì)算，預(yù)先溶解在拌合用水中。試驗(yàn)時(shí)膠凝材料的摻量、水固比不變。

3.1檸檬酸鈉對(duì)藻鈣膠凝材料凝結(jié)特性影響

在(20±2) ℃、平均濕度為90%、以GB/T9776-1999標(biāo)準(zhǔn)制樣，在不同摻量下，考察檸檬酸鈉初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、2 h抗折強(qiáng)度、絕干抗折強(qiáng)度四項(xiàng)表征指標(biāo)，其結(jié)果見圖1、圖2。

圖1　檸檬酸鈉對(duì)藻鈣膠凝材料凝結(jié)時(shí)間的影響Fig.1　Effect of sodium citrate on algal calcium gel materials setting time

圖2　檸檬酸鈉對(duì)藻鈣膠凝材料凝結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.2　Effect of sodium citrate on algal calcium gel materials setting strength

圖1表明，檸檬酸鈉在低摻量為0.01%時(shí)，初凝時(shí)間可由4.8 min延長至9 min，初凝時(shí)間延長率達(dá)87.5%，初凝時(shí)間>6 min，已能滿足正常生產(chǎn)成型操作。同時(shí)，終凝時(shí)間僅由28.3 min延長至30.5 min，并未大幅度延長而影響后續(xù)操作。圖2表明，只要摻加檸檬酸鈉，強(qiáng)度便有影響，但隨摻量的提高，2 h抗折強(qiáng)度的損失幅度較小，檸檬酸鈉在0.03%摻量內(nèi)，強(qiáng)度損失率<20%，檸檬酸鈉在0.05%摻量內(nèi)，絕干強(qiáng)度略有提升，隨后呈現(xiàn)明顯降低，檸檬酸鈉在0.05%摻量時(shí)絕干強(qiáng)度達(dá)到最大值，強(qiáng)度增長率為12.8%。因此，當(dāng)以2 h抗折強(qiáng)度為主要指標(biāo)時(shí)，檸檬酸鈉適宜摻量≤0.03%；當(dāng)以絕干抗折強(qiáng)度為表征指標(biāo)時(shí)，檸檬酸鈉適宜摻量≤0.05%。

3.2溫度對(duì)檸檬酸鈉緩凝的影響

在實(shí)際規(guī)模化連續(xù)化應(yīng)用中，因環(huán)境溫度的高低、或機(jī)械摩擦生熱而與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度條件相比不同，模擬實(shí)際應(yīng)用，考察了0～12 ℃低溫(LT)、15～28 ℃常溫(PT)、29～38 ℃高溫(HT)三個(gè)溫度區(qū)間，不同檸檬酸鈉摻量下的凝結(jié)特性，其結(jié)果見圖3、圖4。

圖3　檸檬酸鈉對(duì)藻鈣膠凝材料凝結(jié)時(shí)間的影響Fig.3　Effect of sodium citrate on algal calcium gel materials setting time

圖4　檸檬酸鈉對(duì)藻鈣膠凝材料凝結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.4　Effect of sodium citrate on algal calcium gel materials setting strength

圖3表明，在低溫實(shí)際應(yīng)用中，檸檬酸鈉為零摻量時(shí)，初凝時(shí)間可延緩35%至6.5 min>6 min(正常操作時(shí)間)，隨檸檬酸鈉摻入后，在對(duì)應(yīng)摻量下，低溫環(huán)境初凝延緩率<30%，終凝時(shí)間延緩率<8%。在高溫實(shí)際應(yīng)用中，檸檬酸鈉為零摻量時(shí)，初凝時(shí)間由4.8 min縮短至4.3 min，縮短10%，實(shí)際操作時(shí)間較短，適宜摻量為當(dāng)檸檬酸鈉在0.02%時(shí)，初凝時(shí)間為8.4 min，隨檸檬酸鈉摻入后，在對(duì)應(yīng)摻量下，高溫環(huán)境初凝縮短率<20%，終凝時(shí)間縮短率<6%。

圖4表明，在實(shí)際應(yīng)用中，檸檬酸鈉為零摻量時(shí)，溫度越高，2 h 抗折強(qiáng)度越高，絕干強(qiáng)度越低。其原因?yàn)闇囟仍礁?，其水化凝結(jié)速度快，晶體成核快，有利于2 h強(qiáng)度的建立，但晶體與晶體之間的孔隙相對(duì)也較多，造成絕干強(qiáng)度的損失。隨檸檬酸鈉摻入后，在對(duì)應(yīng)摻量下，LT 2 h強(qiáng)度 >HT 2 h強(qiáng)度>PT 2 h強(qiáng)度，LT 絕干強(qiáng)度 >PT絕干強(qiáng)度>HT絕干強(qiáng)度。

3.3pH值對(duì)檸檬酸鈉緩凝的影響

通過檸檬酸鈉0.01%下，考察不同的pH值下的凝結(jié)特性，其結(jié)果見表5、表6。

圖5　pH值對(duì)檸檬酸鈉緩凝的影響Fig.5　Effect of pH value on algal calcium gel materials setting time

圖6　pH值對(duì)檸檬酸鈉緩凝強(qiáng)度的影響Fig.6　Effect of pH value on algal calcium gel materials setting strength

結(jié)果表明，在低摻量檸檬酸鈉下，隨pH值的升高，藻鈣膠凝材料的初凝、終凝時(shí)間逐漸延長，同時(shí)，藻鈣膠凝材料的2 h抗折、絕干強(qiáng)度逐漸減少。綜合凝結(jié)時(shí)間、凝結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)，適宜的pH值范圍為7.66～10.8。當(dāng)pH值<7.66時(shí)，0.01%檸檬酸鈉緩凝不足，需調(diào)整pH值或提高檸檬酸鈉摻量；當(dāng)pH值>10.8時(shí)，在0.01%檸檬酸鈉摻量下，2 h抗折強(qiáng)度損失率>10%、絕干強(qiáng)度損失率>7%。

4　檸檬酸鈉緩凝微觀結(jié)構(gòu)及緩凝機(jī)理

4.1檸檬酸鈉對(duì)藻鈣晶體形貌的影響

圖7為空白藻鈣膠凝材料的SEM、圖8為摻有檸檬酸鈉緩凝的藻鈣膠凝材料的SEM?？梢钥闯?，檸檬酸鈉的摻入，使其纖維狀晶體長徑比減小，更趨向于短柱狀或板狀。

圖7　空白藻鈣SEM圖Fig.7　SEM image of blank calcium

圖8　摻檸檬酸鈉的藻鈣SEM圖Fig.8　SEM image of algae calcium with sodium citrate

圖9　檸檬酸鈣結(jié)構(gòu)Fig.9　Calcium citrate structure

4.2檸檬酸鈉緩凝機(jī)理

檸檬酸鈉電離后含有一個(gè)羥基和三個(gè)羧基，可以與藻鈣膠凝材料中的含鈣離子形成檸檬酸鈣絡(luò)合物，其結(jié)構(gòu)如圖9。大分子結(jié)構(gòu)絡(luò)合物覆蓋在水化晶體表面，阻礙了晶核的成長，減緩了水化物的形成，延緩了水化進(jìn)程，初凝、終凝時(shí)間延長，并在適宜條件下，其整個(gè)水化物晶體發(fā)育良好、飽滿，2 h抗折強(qiáng)度增幅甚微，但絕干強(qiáng)度應(yīng)整體結(jié)構(gòu)致密而有提高[5,6]。

5　結(jié)　論

(1) 檸檬酸鈉在低摻量為0.01%時(shí)，即有顯著緩凝效果。初凝時(shí)間延長率達(dá)87.5%，同時(shí)，其終凝并未大幅度延長而影響后續(xù)操作；當(dāng)以2 h抗折強(qiáng)度為主要指標(biāo)時(shí)，檸檬酸鈉適宜摻量≤0.03%；當(dāng)以絕干抗折強(qiáng)度為表征指標(biāo)時(shí)，檸檬酸鈉適宜摻量≤0.05%;

(2)低溫實(shí)際應(yīng)用中，可不需要檸檬酸鈉緩凝；高溫應(yīng)用中，檸檬酸鈉適宜摻量為0.02%時(shí)；

(3) 低摻量0.01%檸檬酸鈉在藻鈣膠凝材料中適宜的pH值范圍為7.66～10.8;

(4)檸檬酸鈉電離后的羥基、羧基與藻鈣膠凝材料中含鈣離子形成大分子環(huán)狀檸檬酸鈣絡(luò)合物阻礙和延緩了水化反應(yīng)的進(jìn)行。

[1] 韋華,趙宏，肖富燦，等.一種具有甲醛凈化功能的復(fù)合材料及其生產(chǎn)方法[P].CN102633482A.

[2] 韋華,李小梅，肖富燦，等.一種具有負(fù)離子功能的復(fù)合材料及其生產(chǎn)方法[P].CN102633450A.

[3] 韋華,李小梅，肖富燦，等.一種具有自調(diào)濕功能的復(fù)合材料及其生產(chǎn)方法[P].CN102633483A.

[4] 韋華. 高強(qiáng)晶體裝飾石膏板及制備方法 [P].CN102408218B.

[5] 周娜.外加劑對(duì)石膏性能的影響及作用機(jī)理研究[D]：濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)學(xué)位論文，2009

[6] 馬保國,黃洪財(cái),馬玲,等.低摻量緩凝劑對(duì)建筑石膏性能的影響[C].第二屆全國商品砂漿學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集,2007

Application of Sodium Citrate in Algal Calcium Gel Materials

WEIHua,ZHUYue-peng,WENFa-hua

(Hubei Greens New Building Materials Science Technology Co.Ltd.,Wuhan 430200,China)

With sodium citrate as retarder, this paper examines the algal calcium gelled material hydration condensation of performance, and further investigates the influence factors of temperature, pH value. The results show that sodium citrate in 0.03% low dosage, can obtain the appropriate setting 2 h<20%, the dry strength loss strength loss<5%.In actual applications, temperature>28 ℃ and temperature <12 ℃, or pH<7.66, pH>10.8.Condensation characteristics of algal calcium cement materials have a significant impact, sodium citrate content should be appropriate adjustments.

algae calcium;retarded;sodium citrate

韋華(1983-)，男，碩士研究生.主要從事無機(jī)生態(tài)環(huán)境材料方面的研究.

TU526

A

1001-1625(2016)06-1976-04