濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 王志、俎全高、姜偉、馬健

前言

      建筑石膏制品具有輕質(zhì)、保溫、隔熱，防火、隔音、裝飾效果好等優(yōu)點，正逐步成為墻體材料的主導(dǎo)產(chǎn)品。但是，普通建筑石膏制品的吸水率較高，其飽和吸水后的強(qiáng)度降低很多，軟化系數(shù)僅為0.2-0.3，致使它的應(yīng)用受到了很大的限制。
    如同混凝土外加劑給混凝土帶來優(yōu)良的性能一樣，石膏外加劑的開發(fā)也對石膏制品性能產(chǎn)生較大的影響。本文在石膏膠凝材料研究基礎(chǔ)上，對提高其耐水性能的化學(xué)外加劑進(jìn)行了系列研究。
1、影響石膏制品耐水性差的因素
    根據(jù)目前已有的研究結(jié)果，石膏制品耐水性差的主要原因歸結(jié)為三個方面。首先是石膏具有很大的溶解度，當(dāng)受潮時，由于石膏的溶解，其晶體間的結(jié)合力減弱，從而造成強(qiáng)度的降低；其次，因為石膏體中存在大量的微裂縫，當(dāng)石膏體浸水時，內(nèi)表面吸濕，水膜便產(chǎn)生楔入作用，從而產(chǎn)生石膏對水的吸附作用；三是石膏材料自身的高孔隙率也會加重吸濕效果，使得石膏體在潮濕狀態(tài)下強(qiáng)度顯著降低。
    當(dāng)前，世界各國對石膏防水研究的途徑和采取的措施，可以歸納為如下幾個方面：

（1）、在石膏制品表面涂覆或浸漬憎水物質(zhì)或涂刷防水涂料使其表面形成難溶性物質(zhì)來改善防水性能。
  （2）、摻加水泥、石灰、硅藻土、磨細(xì)粒狀高爐渣及粉煤灰等具有活性火山灰質(zhì)材料，這些活性材料與建筑石膏生成針狀鈣礬石晶體和纖維狀C-S-H 凝膠等水硬性物質(zhì)，由于這些物質(zhì)具有難溶解性，并且能夠與二水石膏晶體相互交叉搭接，從而增強(qiáng)了石膏的耐水性能。

（3）、在石膏中摻加占有石膏膠凝材料總量5％以下的水乳型或水溶型憎水物質(zhì)，比如摻加有機(jī)硅來改變表面能，摻加石蠟、瀝青、松香等增加密實度，封閉空隙，與高分子樹脂形成復(fù)合材料，形成耐水膜，提高強(qiáng)度、粘接性、耐磨性等，從而提高防潮、防水性能。
2、化學(xué)外加劑對建筑石膏耐水性能的影響

2.1、石蠟、聚乙烯醇、減水劑、硼砂的復(fù)配對建筑石膏性能的影響

圖l(a)(b)是石蠟乳液對建筑石膏性能的影響，圖1(c)(d)分別是石膏空白樣和13號樣品的掃描電鏡照片。表l是石蠟、聚乙烯醇、減水劑、硼砂的復(fù)配對建筑石膏性能的影響。
    從圖l(a)能夠看出，隨著石蠟乳液摻量的增加，其吸水率幾乎成直線下降，但是從圖1(b)看出，石膏體的抗折強(qiáng)度也隨之大幅度降低，石蠟乳液降低石膏體的吸水率是以犧牲石膏體強(qiáng)度為代價的。

表1數(shù)據(jù)表明，當(dāng)摻加石蠟乳液3.0％, PVA0.3 % ，減水劑1.0% ，硼砂0.02 ％時，石膏體的軟化系數(shù)從0.362提高到0.835，而且72h 吸水率降低了約8 % ，干強(qiáng)度保留率接近70 % ，濕強(qiáng)度也有較大幅度提高，提高了50％。當(dāng)摻加石蠟5.0％, PVA0.1% , 減水劑1.0% ，硼砂0.01％時，72h 吸水率降低約9 % ，抗折抗壓強(qiáng)度整體都有所提高，其中濕折強(qiáng)度提高25 % ，濕壓強(qiáng)度提高20 % ，干折強(qiáng)度提高32 % ，干壓強(qiáng)度提高16％。對比圖l (c)(d)兩幅照片，可以看出，13號試樣的石膏晶體有團(tuán)簇狀結(jié)構(gòu)，可見，晶體的相互搭接緊密會增加石膏體的強(qiáng)度，石膏晶體的晶型變化對石膏制品的性能起到很大的影響。

2.2乙烯基三乙氧基硅烷及其與甲基硅酸鈉復(fù)配對建筑石膏性能的影響

圖2(a)(b)是乙烯基三乙氧基硅烷對建筑石膏性能的影響，圖2(c)(d)分別是摻加4%乙烯基三乙氧基硅烷和復(fù)配試驗7號試樣的掃描電鏡照片。表2是甲基硅酸鈉、乙烯基三乙氧基硅烷、石蠟的復(fù)配對建筑石膏性能影響的正交試驗結(jié)果。

從圖2(a)(b)可以看出，隨著乙烯基三乙氧基硅烷摻量的增加，石膏吸水率呈線性下降，并且強(qiáng)度還會略有增高。表2表明甲基硅酸鈉、乙烯基三乙氧基硅烷、石蠟的復(fù)配。整體來看還不如單摻乙烯基三乙氧基硅烷的效果，可見這種復(fù)配是不合理的。從圖2(c)可以看出，石膏晶體搭接比較緊密，在一定區(qū)域還有大的孔隙，這種結(jié)構(gòu)保留了石膏體原有的良好的透氣性。圖2(d)顯示的7號復(fù)配試樣的微觀結(jié)構(gòu)，石膏晶體發(fā)生了晶形變化，板狀晶體增多，且搭接比較疏松。

3、建筑石膏耐水性能改善的機(jī)理討論

3.1、石蠟、聚乙烯醇、減水劑、硼砂復(fù)配對建筑石膏性能的影響

    石蠟乳液屬于減少石膏體孔隙率的外加劑。隨著石蠟乳液摻量的增加，其吸水率能夠降低，但是絕對強(qiáng)度值降低，其浸水強(qiáng)度有的甚至低于純石膏的浸水強(qiáng)度，這是由于石膏顆粒在凝結(jié)之前受到乳液的包圍，致使二水石膏晶體得發(fā)育受到了阻礙，從而延緩了石膏的凝結(jié)時間，同時也降低了強(qiáng)度。

聚乙烯醇通常是石膏材料的增強(qiáng)劑，有資料顯示，石膏材料經(jīng)聚乙烯醇改性后，強(qiáng)度性能大為改善，強(qiáng)度隨添加物用量的增加而提高，聚乙烯醇對石膏制品的防水性能也有一定的作用。其原因是，聚乙烯醇對石膏有一定的緩凝效果，它可以減緩半水石膏水化硬化過程中二水晶體從漿體中析出的速度，使二水石膏晶體有更充足的時間發(fā)育，生長成為交錯的針狀晶體，從而形成了結(jié)合力比較強(qiáng)的顯微結(jié)構(gòu)，再者，聚乙烯醇還是一種粘結(jié)劑，它具有水溶性，能夠以溶液的形式加入（在一定的溫度下使其溶解于水），它在結(jié)構(gòu)中能夠形成高度分散的且比較均勻的聚乙烯醇物相，這些物相填充了晶粒之間的空隙，也增強(qiáng)了晶粒之間的結(jié)合力，這些聚乙烯醇物相隨著石膏硬化體中水分的逐漸蒸發(fā)，與石膏的水化過程協(xié)調(diào)發(fā)展，逐漸變硬，并形成經(jīng)緯交織的不規(guī)則網(wǎng)膜，這些網(wǎng)膜對建筑石膏后期的防水效果比較的好。

減水劑的加入使得整個分子鏈在固液界面成空間立體分布，產(chǎn)生較大的空間位阻，再加上靜電斥力的協(xié)同作用，產(chǎn)生空間立體分散效果，因此減水劑的加入使石膏顆粒集團(tuán)間高度分散，對石膏顆粒起到擴(kuò)散作用，把石膏凝聚體中的游離水釋放出來，增加了石膏漿體的流動性，使石膏漿體在保持相同坍落度的情況下可以大大減少石膏的用水量，從而保證了石膏體具有較好的密實性，增加了石膏體的強(qiáng)度。

硼砂和聚乙烯醇具有一定的交聯(lián)作用，由于聚乙烯醇遇到硼砂非常的敏感，摻加少量硼砂，就大大降低了硼砂的流動性，當(dāng)摻加量稍微多一點的時候，就會變成透明的粘稠的果凍狀物質(zhì)，這種作用影響了聚乙烯醇的性能，通過聚乙烯醇與硼砂的交互影響，對石膏性能的影響表現(xiàn)在，在適當(dāng)范圍內(nèi)摻加硼砂，會增大石膏試塊的抗折強(qiáng)度，而吸水率有稍微增大的趨勢。

可見，借助于石蠟的防水作用，聚乙烯醇的增強(qiáng)、防水效果、減水劑的增強(qiáng)作用以及聚乙烯醇和硼砂的交互作用，將這幾種外加劑進(jìn)行復(fù)配，大大改善了建筑石膏的耐水性能。

3.2、甲基硅酸鈉、乙烯基三乙氧基硅烷以及復(fù)配對建筑石膏性能的影響

甲基硅酸鈉與乙基硅酸鈉、苯基硅酸鈉、聚烷基羧基硅氧烷以及聚硅烷等都屬于有機(jī)硅類防水劑。它們具有憎水性，并且它們直接摻入石膏中，在攪拌時會引入空氣，在石膏中產(chǎn)生獨立，均勻分散的微氣泡，這些微氣泡起到阻斷孔道的作用，并且能夠使氣孔和毛細(xì)孔內(nèi)表面具有憎水性能，因而提高了耐水性能。

甲基硅酸鈉與乙烯基三乙氧基硅烷都是有機(jī)硅類防水劑。它們的防水作用不是利用堵塞石膏的微細(xì)孔隙，提高石膏體的密實度，也不是在石膏顆粒表面形成一層封閉的薄膜，它只是浸潤了每一個孔隙的端口，在一定長度范圍內(nèi)改變表面能，即改變了石膏與水的接觸角，使水分子凝聚成液滴，從而阻截了水的侵入，達(dá)到防水的目的，由于它不堵塞石膏的微細(xì)孔隙，因而這種結(jié)構(gòu)還能保持石膏的透氣性。

乙烯基三乙氧基硅烷的加入，使得石膏晶體的晶形發(fā)生變化，使其晶體之間的搭接更加緊密。這種結(jié)構(gòu)的變化，使得石膏體的整體強(qiáng)度都得到提高。從圖7可以看出，石膏晶體之間留有一定的孔隙，保證了石膏體具有優(yōu)良的透氣性能。

利用甲基硅酸鈉、乙烯基三乙氧基硅烷和石蠟乳液進(jìn)行復(fù)配，性能沒有改善，反而有降低石膏耐水性能的趨勢?？梢娺@種復(fù)配是不合理的，有待進(jìn)一步繼續(xù)深入的研究。

4、結(jié)論

4.1、石膏乳液的加入，會降低石膏體的吸水率，但同時還大幅度降低了石膏體的絕干強(qiáng)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，還會增加石膏體的絕干強(qiáng)度。單摻乙烯基三乙氧基硅烷要比單摻石蠟的效果好。

4.2、單摻石蠟乳液和乙烯基三乙氧基硅烷，都能降低石膏體吸水率，但是均不會大幅度增加石膏體飽和吸水后的強(qiáng)度。石膏體吸水后，其強(qiáng)度就維持在一定的數(shù)值，軟化系數(shù)得不到提高。

4.3、石蠟乳液和減水劑等的復(fù)配比較成功，在降低石膏體吸水率的同時，還可以彌補(bǔ)石膏體強(qiáng)度的降低。甲基硅酸鈉、乙烯基三乙氧基硅烷和石蠟的復(fù)配則沒有達(dá)到理想的效果。