2.1 平衡含湿率
所有试件在空气相对湿度分别为33.8%、61.2%、76.6%、85.9%和99.0%的环境下达到湿平衡时,在25 ℃下其吸、放湿平衡含湿率与环境相对湿度的关系见图1.
图1 相对湿度与平衡含湿率的关系
Fig.1 Relationship between relative humidity and equilibrium moisture content
由
图1可知,试件的平衡含湿率随空气相对湿度增加而提高,且同一相对湿度条件下放湿平衡含湿率高于吸湿平衡含湿率.与无稻壳灰的DG-0组相比,复合稻壳灰试件的吸、放湿平衡含湿率均有所提高,且稻壳灰复合量越大,平衡含湿率提高.在空气相对湿度分别为33.8%、61.2%、76.6%、85.9%和99%的条件下,未复合稻壳灰组的吸、放湿平衡含湿率分别为1.05%和1.67%、3.18%和5.2%、5.59%和8.27%、8.29%和10.85%、16.22%; 稻壳灰复合量为17%时在上述湿度环境下吸、放湿平衡含湿率分别为1.42%和2.25%、4.47%和6.66%、7.56%和10.59%、1.01%和13.89%、20.76%; 将稻壳灰复合量提高至29%时,吸、放湿平衡含湿率可分别达到1.73%和2.76%、5.2%和7.85%、8.84%和12.49%、13.12%和16.38%、24.49%.稻壳灰复合量分别为9%、17%、23%和29%时,材料的吸、放湿平衡含湿率比未复合稻壳灰组分别提高约20%、40%、56%和65%.
2.2 吸放湿速率
各组试件在33.8%和99%相对湿度环境下达到湿平衡,根据测定结果计算其在各时刻的含湿率和吸放湿速率,结果显示各组材料均在吸湿第1天达到最大吸湿速率,放湿第1天达到最大放湿速率,7 d后基本达到吸湿平衡,而22 d后达到放湿平衡.分析各组数据并根据计算结果绘制出吸、放湿动力曲线和最大吸、放湿速率图,见图2和图3.
图2 吸、放湿动力曲线
Fig.2 Adsorption and desorption kinetic curves
图3 最大吸、放湿速率
Fig.3 Maximum adsorption and desorption rates
分析
图2可知,未复合稻壳灰组的总吸、放湿率为15.17%和14.55%,复合量为9%、17%、23%和29%时总吸湿率分别达到17.39%、19.34%、21.3%和22.76%; 总放湿率分别为16.65%、18.51%、20.36%和21.73%.即随稻壳灰复合量增大,吸、放湿率均提高.
由图3可知,稻壳灰复合量分别为9%、17%、23%、29%时,最大吸湿速率分别为0.058 0 kg/(kg·d)、0.066 0 kg/(kg·d)、0.069 7 kg/(kg·d)和0.077 6 kg/(kg·d),最大放湿速率分别为0.042 6 kg/(kg·d)、0.047 5 kg/(kg·d)、0.050 4 kg/(kg·d)和0.054 0 kg/(kg·d).总体上,材料的吸湿速率大于放湿速率.稻壳灰复合量分别为9%、17%、23%和29%时材料的吸湿速率比未复合稻壳灰组分别提高约8.6%、23.6%、30.5%和45.3%,放湿速率分别提高约16.3%、29.7%、37.7%和47.5%.
2.3 强度及耐水性
采用LD43.305抗压抗折一体机测定每组试件在规定龄期下的干燥和吸水饱和状态下的抗压强度,并计算其软化系数,各指标与养护龄期的关系见图4～图5.
图4 养护龄期与抗压强度的关系
Fig.4 Relation between age and compressive strength
图5 养护龄期与软化系数的关系
Fig.5 Relation between age and softening coefficient
由
图4可知,复合调湿材料在各龄期抗压强度均低于未复合稻壳灰组,且随稻壳灰复合量加大,材料强度更低.未复合稻壳灰组材料在14 d、21 d、28 d、42 d、60 d龄期的抗压强度分别为5.1 MPa、5.9 MPa、6.4 MPa、6.8 MPa和7.1 MPa; 复合29%稻壳灰的材料在上述龄期的抗压强度分别为3.7 MPa、4.2 MPa、4.6 MPa、4.9 MPa和5.1 MPa.由
图5可知,未复合稻壳灰组材料在上述龄期的软化系数分别为0.57、0.65、0.72、0.78和0.83; 稻壳灰复合量为29%时,在上述龄期的软化系数分别为0.41、0.47、0.52、0.56和0.6,即复合稻壳灰后材料的软化系数均低于DG-0组,且随稻壳灰复合量加大软化系数降低越明显.总体上,稻壳灰复合量在9%～17%时,材料60 d抗压强度可达到6 MPa以上,软化系数达到0.71～0.76.从
图4和
图5还可以看出,随着龄期的延长,材料吸水饱和状态抗压强度的增长速度较干燥状态下的抗压强度快,故软化系数的增长速度比强度快,且超过60 d龄期后,软化系数和强度均有继续增大的趋势.
为探究稻壳灰/硅藻土复合调湿材料强度的形成机理,对稻壳灰、硅藻土原材料及复合调湿材料进行XRD分析,衍射图谱见图6.由图6可知,稻壳灰、硅藻土的主要矿物组成为Quartz(石英,SiO2)和Merwinite(镁硅钙石,Ca3Mg(SiO4)2),且谱线存在非晶包,应该为稻壳灰及硅藻土中的活性SiO2所致.稻壳灰/硅藻土复合调湿材料的主要矿物组成除上述物质外,还存在Gismondine(斜方钙沸石,Ca4Al8(SiO4)8 · 18H2O)和Chabazite(菱沸石,CaAl2(SiO4)2Cl2)等,应该为稻壳灰、硅藻土与改性掺合料反应后生成的产物.在材料的养护过程中,无机改性掺合料中的C2S先与水反应生成Ca(OH)2和C-S-H凝胶,提供碱性环境.硅藻土和稻壳灰中的活性SiO2及Al3O2等在碱性环境下与Ca(OH)2及改性掺合料中的其它成分反应生成新的硅铝酸盐矿物.因此,经C-S-H胶结、新化学结合力的作用,使材料产生强度和耐水性.随养护龄期的延长,由改性掺合料作用产生的反应会持续进行,材料的强度和耐水性持续增大.本试验采用的稻壳灰烧失量较高,达到17%.因此一方面由于碳本身强度低,吸水性高,使材料制备时的水固比增大,导致材料的强度和耐水性降低; 另一方面,碳对水具有较强的吸附性,对材料的调湿作用有利.
图6 原材料和复合调湿材料XRD衍射图谱
Fig.6 XRD diffraction pattern of raw materials and composite humidity-controlling material
2.4 微观结构及调湿机理分析
为研究稻壳灰/硅藻土复合调湿材料调节室内空气相对湿度的机理,对稻壳灰、硅藻土原料和稻壳灰/硅藻土复合调湿材料进行扫描电镜分析,见图7～图9.
图7 稻壳灰原料扫描电镜照片
Fig.7 Scanning electron micrographs of rice husk ash raw material
图8 硅藻土原料扫描电镜照片
Fig.8 Scanning electron micrographs of diatomite material
由
图7和
图8可知,粒状稻壳灰颗粒呈堆积状态,粒子间及表面存在大量孔隙,放大至40 000倍后可观察到粒状粒子表面分布大量由SiO
2粒子紧密粘聚而形成的微、纳米级孔; 从硅藻土SEM照片可观察到圆盘藻表面的蜂窝状孔洞,放大60 000倍后可见片状硅藻土表面分布大量直径为250 nm左右的微孔隙.
图9 稻壳灰/硅藻土复合调湿材料扫描电镜照片
Fig.9 Scanning electron micrographs of rice husk ash/diatomite composite humidity-controlling material
由
图9稻壳灰/硅藻土复合调湿材料的SEM照片可见,经试件制备过程的分散、挤压作用以及与无机改性掺合料的反应,材料仍基本保持片状体结构.由此可知,稻壳灰表面含有大量微、纳米级蜂窝状孔洞,结合硅藻土中的蜂窝状孔隙,它们共同构成材料的微孔体系.材料中丰富的微孔结构具有较强的毛细孔道效应
[16],可随环境湿度的变化自动调节湿度; 另一方面,稻壳灰和硅藻土均为生物成因的无机多孔矿物材料,且主要成分均为无定型SiO
2,为硅氧四面体结构,呈独特的壳体结构,具有生物骨架中的大孔及SiO
2间隙构成的微孔.微孔内壁的表面羟基分布紧密,易形成缔合羟基,与水接触时会发生羟基化反应,产生化学吸附
[17-18].此外,稻壳灰中的碳质微粒可对水产生物理吸附作用,在范德华力和活性碳吸附的双重作用下增强材料对水分子的物理吸附作用.毛细孔道效应对水分子的吸附力与孔道数量及尺寸有关,由于稻壳灰的引入以及试件制作的分散挤压作用,使孔道数量增加、尺寸减小,产生的吸附力增强.物理吸附作用的水分子较易脱附,而化学吸附的水分子较难脱附,故总体上吸附易于脱附,材料的吸湿率及吸湿速率均高于放湿率和放湿速率.综合稻壳灰的主要成分及微观形貌,引入稻壳灰可增强材料对水分子的毛细孔道效应、表面化学及物理吸附作用.故随稻壳灰复合量加大,调湿效果越强.
