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利用外加剂改善建筑石膏的耐水性能

济南大学材料科学与工程学院 王志、俎全高、姜伟、马健

前言

      建筑石膏制品具有轻质、保温、隔热,防火、隔音、装饰效果好等优点,正逐步成为墙体材料的主导产品。但是,普通建筑石膏制品的吸水率较高,其饱和吸水后的强度降低很多,软化系数仅为0.2-0.3,致使它的应用受到了很大的限制。
    如同混凝土外加剂给混凝土带来优良的性能一样,石膏外加剂的开发也对石膏制品性能产生较大的影响。本文在石膏胶凝材料研究基础上,对提高其耐水性能的化学外加剂进行了系列研究。
1、影响石膏制品耐水性差的因素
    根据目前已有的研究结果,石膏制品耐水性差的主要原因归结为三个方面。首先是石膏具有很大的溶解度,当受潮时,由于石膏的溶解,其晶体间的结合力减弱,从而造成强度的降低;其次,因为石膏体中存在大量的微裂缝,当石膏体浸水时,内表面吸湿,水膜便产生楔入作用,从而产生石膏对水的吸附作用;三是石膏材料自身的高孔隙率也会加重吸湿效果,使得石膏体在潮湿状态下强度显著降低。
    当前,世界各国对石膏防水研究的途径和采取的措施,可以归纳为如下几个方面:

(1)、在石膏制品表面涂覆或浸渍憎水物质或涂刷防水涂料使其表面形成难溶性物质来改善防水性能。
  (2)、掺加水泥、石灰、硅藻土、磨细粒状高炉渣及粉煤灰等具有活性火山灰质材料,这些活性材料与建筑石膏生成针状钙矾石晶体和纤维状C-S-H 凝胶等水硬性物质,由于这些物质具有难溶解性,并且能够与二水石膏晶体相互交叉搭接,从而增强了石膏的耐水性能。

(3)、在石膏中掺加占有石膏胶凝材料总量5%以下的水乳型或水溶型憎水物质,比如掺加有机硅来改变表面能,掺加石蜡、沥青、松香等增加密实度,封闭空隙,与高分子树脂形成复合材料,形成耐水膜,提高强度、粘接性、耐磨性等,从而提高防潮、防水性能。
2、化学外加剂对建筑石膏耐水性能的影响

2.1、石蜡、聚乙烯醇、减水剂、硼砂的复配对建筑石膏性能的影响

图l(a)(b)是石蜡乳液对建筑石膏性能的影响,图1(c)(d)分别是石膏空白样和13号样品的扫描电镜照片。表l是石蜡、聚乙烯醇、减水剂、硼砂的复配对建筑石膏性能的影响。
    从图l(a)能够看出,随着石蜡乳液掺量的增加,其吸水率几乎成直线下降,但是从图1(b)看出,石膏体的抗折强度也随之大幅度降低,石蜡乳液降低石膏体的吸水率是以牺牲石膏体强度为代价的。

表1数据表明,当掺加石蜡乳液3.0%, PVA0.3 % ,减水剂1.0% ,硼砂0.02 %时,石膏体的软化系数从0.362提高到0.835,而且72h 吸水率降低了约8 % ,干强度保留率接近70 % ,湿强度也有较大幅度提高,提高了50%。当掺加石蜡5.0%, PVA0.1% , 减水剂1.0% ,硼砂0.01%时,72h 吸水率降低约9 % ,抗折抗压强度整体都有所提高,其中湿折强度提高25 % ,湿压强度提高20 % ,干折强度提高32 % ,干压强度提高16%。对比图l (c)(d)两幅照片,可以看出,13号试样的石膏晶体有团簇状结构,可见,晶体的相互搭接紧密会增加石膏体的强度,石膏晶体的晶型变化对石膏制品的性能起到很大的影响。

2.2乙烯基三乙氧基硅烷及其与甲基硅酸钠复配对建筑石膏性能的影响

图2(a)(b)是乙烯基三乙氧基硅烷对建筑石膏性能的影响,图2(c)(d)分别是掺加4%乙烯基三乙氧基硅烷和复配试验7号试样的扫描电镜照片。表2是甲基硅酸钠、乙烯基三乙氧基硅烷、石蜡的复配对建筑石膏性能影响的正交试验结果。

从图2(a)(b)可以看出,随着乙烯基三乙氧基硅烷掺量的增加,石膏吸水率呈线性下降,并且强度还会略有增高。表2表明甲基硅酸钠、乙烯基三乙氧基硅烷、石蜡的复配。整体来看还不如单掺乙烯基三乙氧基硅烷的效果,可见这种复配是不合理的。从图2(c)可以看出,石膏晶体搭接比较紧密,在一定区域还有大的孔隙,这种结构保留了石膏体原有的良好的透气性。图2(d)显示的7号复配试样的微观结构,石膏晶体发生了晶形变化,板状晶体增多,且搭接比较疏松。

3、建筑石膏耐水性能改善的机理讨论

3.1、石蜡、聚乙烯醇、减水剂、硼砂复配对建筑石膏性能的影响

    石蜡乳液属于减少石膏体孔隙率的外加剂。随着石蜡乳液掺量的增加,其吸水率能够降低,但是绝对强度值降低,其浸水强度有的甚至低于纯石膏的浸水强度,这是由于石膏颗粒在凝结之前受到乳液的包围,致使二水石膏晶体得发育受到了阻碍,从而延缓了石膏的凝结时间,同时也降低了强度。

聚乙烯醇通常是石膏材料的增强剂,有资料显示,石膏材料经聚乙烯醇改性后,强度性能大为改善,强度随添加物用量的增加而提高,聚乙烯醇对石膏制品的防水性能也有一定的作用。其原因是,聚乙烯醇对石膏有一定的缓凝效果,它可以减缓半水石膏水化硬化过程中二水晶体从浆体中析出的速度,使二水石膏晶体有更充足的时间发育,生长成为交错的针状晶体,从而形成了结合力比较强的显微结构,再者,聚乙烯醇还是一种粘结剂,它具有水溶性,能够以溶液的形式加入(在一定的温度下使其溶解于水),它在结构中能够形成高度分散的且比较均匀的聚乙烯醇物相,这些物相填充了晶粒之间的空隙,也增强了晶粒之间的结合力,这些聚乙烯醇物相随着石膏硬化体中水分的逐渐蒸发,与石膏的水化过程协调发展,逐渐变硬,并形成经纬交织的不规则网膜,这些网膜对建筑石膏后期的防水效果比较的好。

减水剂的加入使得整个分子链在固液界面成空间立体分布,产生较大的空间位阻,再加上静电斥力的协同作用,产生空间立体分散效果,因此减水剂的加入使石膏颗粒集团间高度分散,对石膏颗粒起到扩散作用,把石膏凝聚体中的游离水释放出来,增加了石膏浆体的流动性,使石膏浆体在保持相同坍落度的情况下可以大大减少石膏的用水量,从而保证了石膏体具有较好的密实性,增加了石膏体的强度。

硼砂和聚乙烯醇具有一定的交联作用,由于聚乙烯醇遇到硼砂非常的敏感,掺加少量硼砂,就大大降低了硼砂的流动性,当掺加量稍微多一点的时候,就会变成透明的粘稠的果冻状物质,这种作用影响了聚乙烯醇的性能,通过聚乙烯醇与硼砂的交互影响,对石膏性能的影响表现在,在适当范围内掺加硼砂,会增大石膏试块的抗折强度,而吸水率有稍微增大的趋势。

可见,借助于石蜡的防水作用,聚乙烯醇的增强、防水效果、减水剂的增强作用以及聚乙烯醇和硼砂的交互作用,将这几种外加剂进行复配,大大改善了建筑石膏的耐水性能。

3.2、甲基硅酸钠、乙烯基三乙氧基硅烷以及复配对建筑石膏性能的影响

甲基硅酸钠与乙基硅酸钠、苯基硅酸钠、聚烷基羧基硅氧烷以及聚硅烷等都属于有机硅类防水剂。它们具有憎水性,并且它们直接掺入石膏中,在搅拌时会引入空气,在石膏中产生独立,均匀分散的微气泡,这些微气泡起到阻断孔道的作用,并且能够使气孔和毛细孔内表面具有憎水性能,因而提高了耐水性能。

甲基硅酸钠与乙烯基三乙氧基硅烷都是有机硅类防水剂。它们的防水作用不是利用堵塞石膏的微细孔隙,提高石膏体的密实度,也不是在石膏颗粒表面形成一层封闭的薄膜,它只是浸润了每一个孔隙的端口,在一定长度范围内改变表面能,即改变了石膏与水的接触角,使水分子凝聚成液滴,从而阻截了水的侵入,达到防水的目的,由于它不堵塞石膏的微细孔隙,因而这种结构还能保持石膏的透气性。

乙烯基三乙氧基硅烷的加入,使得石膏晶体的晶形发生变化,使其晶体之间的搭接更加紧密。这种结构的变化,使得石膏体的整体强度都得到提高。从图7可以看出,石膏晶体之间留有一定的孔隙,保证了石膏体具有优良的透气性能。

利用甲基硅酸钠、乙烯基三乙氧基硅烷和石蜡乳液进行复配,性能没有改善,反而有降低石膏耐水性能的趋势。可见这种复配是不合理的,有待进一步继续深入的研究。

4、结论

4.1、石膏乳液的加入,会降低石膏体的吸水率,但同时还大幅度降低了石膏体的绝干强度。乙烯基三乙氧基硅烷的加入不但使石膏的吸水率大幅度降低,还会增加石膏体的绝干强度。单掺乙烯基三乙氧基硅烷要比单掺石蜡的效果好。

4.2、单掺石蜡乳液和乙烯基三乙氧基硅烷,都能降低石膏体吸水率,但是均不会大幅度增加石膏体饱和吸水后的强度。石膏体吸水后,其强度就维持在一定的数值,软化系数得不到提高。

4.3、石蜡乳液和减水剂等的复配比较成功,在降低石膏体吸水率的同时,还可以弥补石膏体强度的降低。甲基硅酸钠、乙烯基三乙氧基硅烷和石蜡的复配则没有达到理想的效果。


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