一种新型膨润土类建筑密封膏的研究.pdf

收稿日期 2007 - 09 -07 基金项目 辽宁省自然科学基金资助项目 20061005 作者简介 刘学贵 1972- , 男, 山东安丘人, 东北大学博士研究生; 邵 红 1965- , 女, 辽宁锦州人, 沈阳化工学院教授, 博士生 导师; 王恩德 1957- , 男, 辽宁盖州人, 东北大学教授, 博士生导师 第29卷第8期 2008 年 8 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol29, No. 8 Aug.2 0 0 8 一种新型膨润土类建筑密封膏的研究 刘学贵1,付建飞1, 邵 红2, 王恩德1 1. 东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110004; 2. 沈阳化工学院 环境与生物工程学院, 辽宁 沈阳 110142 摘 要 研制了一种新型膨润土类遇水膨胀建筑密封膏将质量分数分别为 60 , 65 , 70 的钠基膨 润土与矿物油和石蜡混合, 制成 3 个建筑密封膏试样; 利用自行研制的渗透系数测定装置, 按照相关标准计 算出这种新型建筑密封膏在非限制状态下的一些性能数据研究表明 在非限制状态下试样 24 h 体积膨胀率 分别为 211 , 222 , 256 ; 渗透系数分别为 286 10- 8, 415 10- 8和 478 10- 8cm/s; 低温柔性好, 并 且膨润土质量分数分别为 65 , 70 的试样在 80 加热 2 h 不流淌XRD 和 SEM 表征显示, 试样中的膨润 土被矿物油较好地包覆, 膨润土的层间距基本未发生变化试样既保留了膨润土吸水膨胀的能力, 又具有定 型性好等优点试验结果表明, 样品的性能达到建筑密封材料使用的基本标准 关 键 词 膨润土; 遇水膨胀; 建筑密封膏; 非限制状态; 渗透系数 中图分类号 TU 578. 2 文献标识码 A 文章编号 1005 -3026 200808 -1192 -04 A New Type of Building Sealants Made from Bentonite LIU Xue -gui 1, FU Jian -f ei1, SHAO Hong2, WANG En -de1 1. School of Resources 2. College of Environmental and Biological Engineering, Shenyang Institute of Chemical T echnology, Shenyang 110142, China. Correspondent LIU Xue -gui, E -mail xg -liu1972 163. com Abstract A new type of hydrophilic -expansion paste sealants made from bentonite for buildings was developed. Three samples were made from Na -base bentonite mixed with mineral oil and paraffin wax, and the mass fraction of bentonite used is different, i. e. , 60 , 65 and 70. A testing setup was therefore developed accordingly to determine the permeability coefficient so as to work out some properties of the paste sealants under unrestrained conditions, and the results showed that the 24 -hour volume expansivities are 211 ,222and 256with their permeability coefficients 2. 86 10- 8, 4. 15 10- 8and 4. 78 10- 8cm/ s, respectively. All samples showed favorable low -temperature flexibility, and the samples whose bentonite content is 65 or 70 have no flowability when heated at 80 for 2hr. XRD patterns and SEM images indicated that the bentonite in those samples are clad well by mineral oil, and the interlayer gapsof bentonite basically remain unchanged. It implies that in the samples the hydrophilic expandability of bentonite is kept up with high moldability provided. So, the sealing perance as shown by those samples has come up to the standard for the application to buildings. Key words bentonite; hydrophilic expansion; building sealant; unrestrained state; permeability coefficient 膨润土是一种以含水的层状铝硅酸盐蒙脱石 为主要成分的蒙脱石黏土, 在我国分布较广, 矿藏 丰富该矿物晶层间能吸附水分子、 阳离子和有机 分子, 表现为膨胀倍数增加, 使得蒙脱石具有广泛 的性能, 如遇水膨胀性、 分散性、 悬浮性、 黏结性、 触变性、 润滑性、 可塑性、 吸附性和层间阳离子的 可交换性[ 1- 2]膨润土的上述良好特征和特殊性 能已引起学者的极大关注同时, 随着我国建筑业 的快速发展, 建材市场日益扩大, 建筑质量问题也 愈加凸显开发和研制新型低成本、 环保、 能提高 建筑质量的建筑材料也是关注的热点问题目前, 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、 聚氨酯等弹塑性密封材料, 其中沥 青基嵌缝膏约占建筑密封膏总量的 20 左右虽 然这些防水材料制作简便, 价格优势明显, 但是由 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, 因此在今后的建筑中将逐步 被禁止或被限制使用由于膨润土具有其他防水 材料无可比拟的特性, 目前已有研究机构和企业 利用其生产防水材料[ 3- 4], 特别是天然钠基膨润 土矿的发现和开采为新型膨润土类建筑防水材料 的发展提供了有效的保证 本文制备了一种新型膨润土类遇水膨胀建筑 密封膏与以往文献[5- 7]介绍膨润土及其防水 渗 产品的防水性能测试方法 特别是渗透系数 不同, 本文利用自行研制的渗透系数测定装置, 按 照相关标准[8- 9]计算出这种新型建筑密封膏在 非限制状态下的一些性能数据, 反映了该样品基 本的防 水 渗性能, 为这种新型建筑密封膏的实 际应用提供了必要的基础理论数据 1 新型膨润土类建筑密封膏的制备 钠基膨润土虽然有优良的防水性能, 但其本 身呈颗粒状, 无黏聚性, 因而需选择非水介质将膨 润土制成胶泥[10]该介质要有一定的防水性, 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研究以钠基膨润土为主 体, 以矿物油、 石蜡为胶结介质制备新型建筑密封 膏 1. 1 试验所用原料和仪器设备 1 钠基膨润土 辽宁建昌 , 原料中主要化学 成分 质量分数, SiO259. 01, Al2O315. 84, Fe2O35. 35, CaO 3. 46, MgO 3. 49, K2O0. 78, T iO2 0. 66, MnO 0. 18, P2O50. 020, Na2O 3. 26, 烧失量 739矿物化学分析结果由东北大学分析化验中 心提供 2 矿物油 葫芦岛炼油五厂 3 石蜡 上海永华石蜡有限公司 4 X 射线衍射仪 德国布鲁克公司, CuK , 电压 40 kV, 电流 40 mA, 误差 001 5 扫描电镜 日本电子公司, JSM- 6360 6 YP3001N 型电子天平 感量 01mg 7 集热式恒温加热磁力搅拌器 DF- 101S, 巩义市英峪华仪器厂 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 1. 2 合成工艺 先将定量的矿物油、 石蜡加入到烧杯中, 升温 到 90 95 , 边搅拌边分批加入相应比例的钠基 膨润土; 将上述原料搅拌均匀后, 降温到 45 50 , 出料; 室温下熟化, 捏合后, 用保鲜膜包好 样品配方如下 质量分数, 矿物油 23 31, 石 蜡 7 9, 钠基膨润土 60 70制备了 3 个样品 1, 2, 3, 钠 基膨润土的质量 分数分别为 60 , 65 , 70 2 性能测试 2. 1 样品相对密度测定 采用浮力法测试样品, 3 个样品的相对密度 分别为 144, 152, 159 2. 2 体积膨胀率的测定 根据文献[ 8] , 试样的尺寸约为 20 mm 20 mm 2 mm本试验中 3 个样品 24 h 后的无限制 体积膨胀率分别为 211, 222 , 256 2. 3 无限制状态渗透系数的测定 根据文献[ 8] , 利用渗透系数测定装置, 采用 式 1 计算渗透系数 kT 23 aL A t2- t1lg H1 H2 1 式中 a 为变水头管的截面积 cm2 ; A 为样品的 截面积 cm2 ; 2. 3为 ln 和 lg 的变换因数; L 为渗 径, 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 10mm, 填充量约为 45 g渗透柱内径为 195 mm, 截面积为 2. 985 cm2试样经过 30 d 浸 泡, 当渗透柱底部有游离水时, 再将渗透柱与变压 水头管和渗出液接收容器连接试样再经过 30 d 浸泡后, 有水滴出根据式 1 计算, 1, 2, 3样 品的渗透系数分别为 286 10- 8, 415 10- 8, 478 10- 8cm/ s 2. 4 高温淌度试验 根据文献[ 9] , 试样尺寸约为 20 mm 20 mm 4 mm本试验样品在 80 烘箱中放置 2 h, 结 果发现 1试样油状物溶出量较多; 2油状物溶 出量较少, 流淌范围未超过 1 mm; 3样品无流 淌, 无油状物溶出 2. 5 低温柔性试验 根据文献[ 9] , 试样的尺寸约为 50 mm 100 mm 2 mm1, 2, 3样品在- 20 冷冻装置 中放置 2 h 后均无裂纹 1193第 8 期 刘学贵等 一种新型膨润土类建筑密封膏的研究 2. 6 无限制浸泡试验 对每个试样, 准确称量 2 g 样品加入 50 mL 带刻度的具塞比色管中, 使其均匀填充管底部; 加 入蒸馏水到 50 mL, 3 个样品的初始体积均为 45 mL室温下放置并定时观察膨胀情况以上 3 个样品经过 66 d 浸泡后, 均保持整体膨胀无碎 块, 1本体有微小的裂纹, 2本体有小的裂纹, 3本体有较大的裂纹 3 试验结果与讨论 3. 1 试验温度对样品性能的影响 试验所用原料矿物油和石蜡的熔点范围在 55 80 , 如制备温度高 超过 100 , 则矿物 油、 石蜡会有部分蒸发, 如温度低于 80 时, 矿物 油和石蜡的黏度高, 与钠基膨润土混合较为困难, 也不利于矿物油和石蜡对膨润土表面的浸润; 因 此将制备温度确定在 90 95 扫描电镜图 见 图 1 显示 膨润土能够均匀地分布在矿物油和石 蜡当中, 膨润土表面被矿物油和石蜡均匀地覆盖 样品整体结构黏结得较好, 仍保持了膨润土原有 的吸水膨胀特性 图 1 样品表面形貌扫描电镜图 Fig. 1 SEM image of samples surface morphology 3. 2 样品配方对样品性能的影响 1 由样品相对密度和体积膨胀率的测试结 果可知, 随着膨润土质量分数的增加, 样品的相对 密度、 无限制状态下的体积膨胀率逐渐升高, 说明 在上述测试项目中, 膨润土的质量分数对吸水膨 胀特性起主要作用 2 由于膨润土的高吸水膨胀性和自封闭性, 使样品的相对密度越大, 膨胀倍数就越大, 渗流空 间留给过流液的通道就越窄, 其渗流系数也相应 降低了[11]对于本试验渗透系数的测定, 测试装 置侧壁的渗漏将对非限制状态下测量结果产生一 定影响渗透系数的测试结果表明, 随着膨润土质 量分数的适量减少 矿物油适量增加 , 样品的渗 透系数也逐渐减小; 原因是由于疏水性矿物油和 石蜡填充于膨润土颗粒之间, 随它们质量分数的 适量增加, 不仅使样品的柔度、 韧性得到进一步改 善 浸泡试验可以说明这点 , 增加了抗渗水性, 更 为重要的是矿物油和石蜡的疏水性可有效地避免 在装置壁产生的侧渗漏问题但随着矿物油质量 分数的继续增加, 会使样品硬度降低, 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 另外, 图 2 显示, 3 个样品中膨润土的层间距 基本未发生变化, 因此样品中膨润土的吸水膨胀 能力未受影响随着矿物油和石蜡的质量分数的 适量增加, 样品的渗透系数逐渐降低, 3 个样品的 柔韧性均较好, 所测定的渗透系数基本上与高压 实土渗透系数[ 12]相当 图 2 样品 X射线衍射图 Fig. 2 XRD patterns of samples 3 由高温淌度测试结果可知, 随着矿物油和 石蜡的质量分数的逐渐增加, 样品抗高温能力逐 渐降低由于样品主要是靠物理共混制备而成, 样 品的柔韧性主要是矿物油和石蜡的作用; 因此低 熔点矿物油和石蜡的含量越高, 其在高温下越易 软化, 所以随着膨润土质量分数的增加, 3样品 不流淌, 2样品基本不流淌, 1样品流淌 4 试验样品的柔韧性主要通过矿物油的作 用体现 如矿物油质量分数低于 30, 矿物油不 能完全填充膨润土颗粒间的空隙, 使样品太硬, 成 型性能不好; 如高于 40, 样品太软, 其他性能也 相应降低由低温柔性试验可知, 3 个样品的黏结 性较好, 均无开裂现象 4 结 论 1 本试验制备了一种新型膨润土类遇水膨 胀建筑密封膏其主要由质量分数分别为 60, 65 , 70 的钠基膨润土与矿物油和石蜡混合制 成 2 在非限制状态下, 3 个试样的体积膨胀率 分别为 211, 222, 256 , 渗透系数分别为 1194东北大学学报 自然科学版 第 29 卷 286 10- 8, 415 10- 8, 478 10- 8cm/ s低温 柔性好, 并且在 80 下放置 2 h, 样品 膨润土质 量分数分别为 65, 70 不流淌 3 经过综合评价, 认为 2样品 膨润土质量 分数为 65 性能最佳 4 该产品的制备工艺简单, 原料廉价易得, 加工方便, 具有很好的非限制条件下的抗渗性能, 应具有较好的实际应用前景 参考文献 [ 1 ]Brindley G W.ation and properties of clay -polymer compls[ J] . Earth -Science Reviews, 1979, 15 3 295- 296. [ 2 ]朱一民, 王忠安, 苏秀娟, 等钙基膨润土对水相中铜离子 的吸附[ J]东北大学学报 自然科学版, 2006, 27 1 99 - 102 Zhu Y- i min,WangZhong-an,SuXiu - juan,etal . Adsorption of Cu2by Ca -bentonite in wastewater [ J ] . Journal ofN ortheasternUniversity NaturalScience, 2006, 27 1 99- 102. [ 3 ]Ouyang S, Daemen J J K. Design of bentonite/ crushed rock seals[ J] . Geotechnical and Geological Engineering, 1991, 29 1 63- 72. [ 4 ]Murray H H.Overview clay mineral applications [ J ] . App lied Clay Science, 1991, 5 5/ 6 379- 395. [ 5 ]Roland P,Gsta A.Experience from preparation and application of till/ bentonite mixtures [ J ] .Engineering Geology , 1985, 21 3/ 4 377- 382. [ 6 ]VillarMV,RivasP.Hydraulicpropertiesof montmorillonite -quartz and saponite -quartz mixtures [ J ] . A pplied Clay Science, 1994, 9 1 1- 9. [ 7 ]Shan H Y, Chen R H. Effect of gravel subgrade on hydraulic perance of geosynthetic clay liner[ J] . Geotextiles and Geomembranes, 2003, 21 6 339- 354. [ 8 ]南京水利科学研究院GB/ T 50123 1999 土工试验方法 标准[ S]北京 中国标准出版社, 1999 NanjingWaterConservancyInstituteofScienceand Technology.GB/ T50123 1999Standardforsoiltest [S] . Beijing Standards Press of China, 1999. [ 9 ]北京市橡胶制品设计研究院GB/ T181733 2002 高分 子防水材料第 3 部分 遇水膨胀橡胶[ S]北京 中国标准 出版社, 2002 Beijing Design Research Institute of Rubber Products. GB/ T18173. 3 2002 Polymer water -proof materials part 3 hydrophilic expansion rubber [ S] .BeijingStandards Press of China, 2002. [ 10]Clem A G. Bentonite -gelled oil waterproofing composition U S, 4209568[ P] . 1980- 06- 24. [ 11]白庆中, 刘阳生, 李强, 等新型人工合成膨润土防渗卷 材的研制及其渗透性能[ J]环境科学, 2000, 21 6 56- 60 Bai Qing -zhong,Liu Yang-sheng,Li Qiang,etal . Developmentandpermeabilityofnew -stylesynthetic bentonite -waterproof roll liner material[ J] . Chinese Journal of Environmental Science, 2000, 21 6 56- 60. [ 12]Warr L, Berger J. Hydration of bentonite in natural waters applicationofconfinedvolume wet -cellX - ray diffractometry[ J] . Physics and Chemistry ofthe Earth, 2007, 32 247- 258. 1195第 8 期 刘学贵等 一种新型膨润土类建筑密封膏的研究