一种膨润土建筑材料的制备及其性能测试
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- 发布时间：2014-03-07
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作者：刘学贵 王敬强等6人
前言
膨润土是一种以蒙脱石为主要组分的粘土类矿物，其主要成分为蒙脱石，其性质主要由蒙脱石的特性所决定。在我国分布广泛，矿藏丰富。膨润土具有强烈的吸水性、膨胀性、胶结性、分散性、触变性及阳离子交换性等特性，已经在石油、化工、建材、矿业、农业、环保等领域广泛应用。近年来，随着建筑行业的快速发展，建筑质量问题也愈加凸显。开发和研制低成本、环保和能提高建筑质量的建筑材料也逐渐成为建筑材料行业的热点问题。
目前，我国的建筑密封材料包括塑料油膏、沥青油膏以及聚硫、硅酮聚氨酯等弹性密封材料，虽然这些材料制作方便，价格优势明显，但由于其工艺及综合指标落后，有些还会对环境造成污染，危害人体健康，与现在人们所追求的绿色生活相悖，将会逐渐被禁止或者被绿色环保的其他材料所代替。由于膨润土具有其他密封材料所不能媲美的防水性能，目前世界上已经有机构和企业利用其生产密封材料。
本试验以天然钠基膨润土，凡士林及石蜡为主要原料，经过混合、揉制、熟化，定型为一种膨润土类建筑材料。借鉴以往文献介绍的膨润土及其防水(渗)产品的防水性能测试方法，参照行业标准对所制样试样半限制状态下的主要性能指标进行了测试，为这种新型建筑密封材料的实际应用提供了必要的基础理论数据。
1 试验
天然钠基膨润土虽具有优良的防水性能，但其自身呈颗粒状，无粘结性，因而需选择非水介质将膨润土制成建筑密封材料。所选用的介质必须为疏水性物质，与膨润土制成的胶泥应为均匀的膏状物，并具有一般防水胶泥的性能。本文以天然钠基膨润土为主体，以凡士林、石蜡为胶结介质制备膨润土类建筑材料。
1.1 试验所用原料及仪器设备
(1)天然钠基膨润土(新疆哈密)，原料的主要化学成分(%)为：Na2O2.98，MgO4.30，Al2O314.75，SiO262.50，K2O1.03，CaO1.63， TiO20.44，Fe2O3 4.88，LOI 5.53。化学分析结果由东北大学分析化验中心提供。
(2)凡士林(大连西太平洋石油化工有限公司)。
(3)石蜡(上海永华石蜡有限公司)。
(4)DF-2型集热式恒温加热磁力搅拌器(常州澳华仪器有限公司)。
(5)BS224S型电子天平(精度0.0001，赛多利斯科学仪器有限公司)。
(6)G2X-9023MBE型数显鼓风干燥箱(上海博讯实业有限公司)。
(7)FCD-165SC型冰柜(海尔集团)。
(8)渗透系数测定装置(主要由渗透柱、变水头管、渗出液收集装置组成，自制)。
1.2 合成工艺
将500mL烧杯放进水浴锅内再把转子放进烧杯里，固定好升温至85~90℃。首先加入凡士林，待其完全熔化后再加入石蜡，将凡士林和石蜡充分混合。再加入天然钠基膨润土，待物料混合均匀后，降温至40~45℃，出料;室温熟化，定型后，用保鲜膜包好。
样品配方如下表所示。
2 样品性能测试
2.1 密度测定
采用排水法测试样品，3个样品的密度 (g/cm3)分别为：1.24、1.26、1.26。
2.2 体积膨胀率的测定
根据文献，试样尺寸为20mmx20mmx2mm。
2.3 无限制状态渗透系数的测定
根据文献，利用渗透系数测定装置(装置图如下图所示)，根据下面的公式计算材料样品的渗透系数：
式中：a为水头管的断面积，cm2;A为样品的断面积，cm2;B=2.3为ln和lg的变换因数;L为渗(即试样高度)，cm;t1，t2分别为测读水头的起始和终止时间，s;H1，H2为起始和终止水头。
分别将1#，2#，3#样品填充于渗透柱内，高度约为10～12mm，填充量约为40g左右。渗透柱内径为19.20mm，截面积约为3cm2。
2.4 高温淌度试验
根据文献，试样尺寸为25mmx25mmx4mm。
2.5 低温柔性试验
根据文献，试样尺寸为50mmx100mmx2mm。
2.6 抗冻融循环性能测试试验
根据文献，试样尺寸为10mmx10mmx40mm。
2.7 半限制浸泡发散试验
根据文献，试样尺寸为25mmx25mmx2mm。
3 结果与讨论
3.1 合成工艺的探讨
在材料制备过程中，凡士林的作用是把膨润土粘合在一起，石蜡起到了控制粘度、增加韧性，便于成型的作用。将温度控制在85～90℃之间，温度过高凡士林的挥发将会变快，温度如果不足85℃，材料组分之间混合不充分，会影响样品的成型效果和使用性能。一定要充分地将各组分混合均匀。
3.2 样品配方对样品性能的影响
(1)通过低温柔性的测试，1#，2#，3#样品在-18℃冷冻装置中放置2h后均无裂痕。表明3个试样抗低温性能较好。
(2)由高温淌度测试结果可知，样品在80℃烘箱中放置2h后，1#试样与2#试样油状物溶出量较少，流淌范围未超过1mm，3#样品状物溢出明显，有流淌现象。说明随着凡士林比例的增加，样品抗高温能力逐渐降低。这是由于样品主要是通过物理共混制备而成，其柔韧性主要通过凡士林与石蜡来体现，凡士林本身呈现粘稠状，在高温下极易液体化。因此，凡蜡比在4:1~5:1范围内的样品抗高温性能较好。
(3)3个样品经过24h浸泡后，体积膨胀率分别为 159.3%、164.5%、165.2%，均保持整体膨胀，无明显发散现象，其中1#本体有明显的裂纹，2#，3#本体有微小裂纹，但不明显。说明凡蜡比在5:1~6:1范围内，试样的整体粘结性能较好。
(4)膨润土本身具有高吸水膨胀性及自封闭性，样品在膨润土质量分数达到65%的情况下 ，1#，2#， 3#试样的渗透系数均与压实膨润土渗透系数相当。1#，2#，3#样品的渗透系数分别为1.15x10-8cm/s、0.96x10-8cm/s、2.18x10-8cm/s。而随着凡士林质量分数继续增加，不仅使样品硬度降低，吸水膨胀率下降，从而导致抗渗水性降低，也失去了廉价的特点，凡蜡比保持一定比例才能既保留了膨润土原吸水膨胀、抗渗的能力，又具有定型性好的优点。
(5)经过50次冻融循环试验，1#，2#，3#样品都能适应高低温交替的气候环境，其中温差达到40℃无裂痕出现，无明显形态变化。
4 结论
(1)本试验制备了一种膨润土类建筑密封材料，其主要由质量分数为65%的天然钠基膨润土与一定比例的凡士林和石蜡混合制备而成。
(2)在非限制状态下，3个试样的体积膨胀率分别为159.3%，164.5%，165.2%;渗透系数分别为 1.15x10-8，0.96x10-8，2.18x10-8，低温柔性好，抗冻融性能较佳，并在80℃下放置2h，1#，2#样品无明显流淌现象。
(3)经过综合评价，认为2#样品(凡士林与石蜡质量比例为5:1)性能最佳，均能达到建筑密封材料的使用标准。
(4)该产品的制备工艺简单，原料廉价易得，加工方便，操作方便，产品无毒天然无污染，防水(渗)性能较佳，具有良好的应用前景。
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