data-full-width-responsive="true"> 新型石膏防水剂的研制□□路国忠1 ,李 凯2 (1 北京市建筑材料科学研究总院,北京 100041; 2 山东潍坊盐业公司,山东潍坊 261011)引言耐水石膏的研究一直是国内外颇受重视的课题。为了解决石膏制品受潮后强度降低、易翘曲变形等耐水性差的问题,各国通过各种途径和措施对石膏的防水性进行研究,但总体上可以归纳为3种方法:一是在砌块表面涂覆或浸渍憎水物质或涂刷防水涂料;二是在石膏中掺加磨细矿渣或火山灰质材料,提高砌块的软化系数;三是在石膏中掺加水乳型的防水剂,改善砌块的防水性能。第1种方法简单易行,若能严格操作,可以取得较为理想的防水效果,但一旦被涂覆的表面或局部出现缺陷,裸露的石膏在遇到水时会被水溶蚀甚至造成剥落,导致防水性能降低;第2种方法是石膏与活性混合材发生水化反应,生成了水化硫铝酸钙等水化产物,虽然提高了耐水性能,但由于掺加了火山灰质材料,致使砌块的白度降低,影响其装饰效果,并且容易造成砌块后期发生开裂;第3种方法则既能保持石膏砌块的装饰效果,又能达到防水的目的。目前,进口石膏防水剂主要为有机硅、硅油类高档防水剂,其掺加量小,防水效果好,但价格昂贵。国内主要为石蜡乳液、松香乳液类防水剂,其掺加量大,一般在8 %左右;储存稳定性较差,一般储存期在3个月。而乳化含氢硅油与高分子材料复合制备的石膏耐水剂,其防水效果好、掺加量小,不仅可以有效地形成耐水膜,而且强度、粘结性、软化系数等均有很大的提高。1 试验部分1 1 材料与仪器(1)材料:甲基硅油,型号QLS - 201;含氢硅油,型号QLS - 202; 吐温- 80 ( Tween - 80)、司盘- 80( Span - 80)和OP - 10乳化剂;丙烯酸酯乳液、6 %改性胶(自制)等。(2)仪器: GFJ04A 型高速分散机; SA Ⅰ - 3 型实验室高剪乳化机; FA2004电子天平等。1 2 含氢硅油乳化液的制备首先将计量好的含氢硅油加入搅拌器中,启动高速搅拌机,将Span - 80、Tween - 80和OP - 10乳化剂按比例依次加入搅拌器中搅拌10 min,然后再将水缓慢加入,高速搅拌20 min,使含氢硅油分散于水中成为均匀的乳化液,最后将分散均匀的乳化液利用高剪切蓝式乳化机进行乳化10 min,使乳化液的粒径达到0 5 ～1 0 m,黏度200 ～500 mPa s(25 ℃) 。1 3 样品的制备和吸水率、软化系数的测定根据试验配比称量原料,水膏比控制在0 8左右,在搅拌锅内搅拌均匀,浇注到尺寸为20 mm 20 mm 20 mm的模具中,轻微振荡后手工刮平,即为成型所需试件。1 h后轻轻卸下模具,将试件放在温度为40 ℃ 2 ℃的烘箱内烘干,直至恒重后再升温至70 ℃ 2 ℃并保温1 h,然后将样品取出放入干燥器中冷却至室温,分别测量试件的干质量后,常温下浸入自来水中,测定其2 h后的吸水率变化。软化系数测量所用试模为40 mm 40 mm 160 mm,试件的烘干条件与测定吸水率的试件相同,将试样置于水泥强度试验机上测定其抗压强度和抗折强度,计算其软化系数。2 结果与讨论2 1 石膏防水剂用憎水物质的选择石膏制品的耐水性差,其主要原因是由于石膏制品在生产或使用过程中料浆搅拌掺加的水量远大于其理论需水量,这部分多余的水分在石膏硬化体硬化后将从其中逸出,从而在石膏制品中留下大量的孔隙和毛细孔,这是石膏制品易于吸水的重要原因。毛细管作用的推动力可用(1)式表示:
式中:LC 液体- 固体表面张力;浸润角;r毛细孔的孔半径。 由(1)式可以看出,若 90, 则 0, 水可以通过毛细管作用而进入石膏内; 若 90, 则 0,石膏表面表现出憎水的性质。据此,就可以从改变水与石膏毛细孔的浸润角入手,使石膏表现为憎水性质。目前,常用的石膏憎水物质有硅油类和石蜡类产品,其中硅油主要包括二甲基硅油和含氢硅油。不同硅油及石蜡物质对石膏吸水率和强度的影响见图1和图2。
图1 不同憎水剂掺加量与石膏吸水率的关系
图2 不同憎水剂掺加量与石膏强度的关系由图1可见,随着憎水剂掺加量的增加,石膏的吸水率逐渐降低。在相同掺加量的情况下,含氢硅油与石蜡和201甲基相比,其吸水率更低,说明含氢硅油的掺加量小、憎水效果好。由图2可见,随着憎水剂的增加,石膏的抗折强度降低,说明掺加憎水剂会影响石膏砌块的强度。所以,应选择憎水效果明显、掺加量小、对石膏砌块强度影响较小的憎水剂。由试验结果可见,利用含氢硅油作为耐水剂的憎水物质比较理想。2 2 乳化硅油体系HLB 值的确定HLB 值是一个用来衡量表面活性剂中亲水或亲油部分对其性质所作贡献大小的物理量, 一般情况下,非离子型表面活性剂的HLB 介于0～20之间,HLB 值越低,表明其亲油性越强,反之则表明其亲水性越强。由于表面活性剂的HLB 值具有可加性, 因此,混合表面活性的HLB 值可按(2)式计算:
式中: ki 单一表面活性剂的HLB 值;a该表面活性剂所占的质量百分数。 选用不同的表面活性剂作为含氢硅油的乳化剂,调整乳化硅油体系的HLB 值, 使乳化含氢硅油分散体具有良好的储存稳定性。乳化硅油HLB 值与储存稳定性的关系见表1。
由表1可见,选用与被乳化物质接近或与之相同的HLB 值的乳化剂混合物,可制得稳定的水分散体,如司盘- 80的HLB 值4 3,吐温- 80的HLB 值15 6,OP - 10的HLB 值14 5,三者的比例为3 5∶5∶1 5,则该混合物的HLB 值为: 3 5 4 3 + 5 15 6 +1 5 14 5 = 11 5,通过这种方法乳化制成的乳状液分散体,分散均匀,稳定性高。2 3 乳化工艺对乳化硅油粒径及稳定性的影响乳化硅油体系的HLB 值确定后,采用不同的乳化工艺对乳化硅油的粒径及稳定性具有一定的影响,不同的乳化工艺与乳化硅油的粒径及稳定性的关系结果见表2。表2 不同乳化工艺对乳化硅油粒径及稳定性的影响
由表2可见,先采用高速分散机高速分散,后使用乳化机乳化,则乳化含氢硅油粒径小,约为0 5～1 0m,分散均匀,稳定性高。2 4 含氢硅油含量对乳化硅油粒径及稳定性的影响含氢硅油作为石膏耐水剂中关键的憎水成分,主要是通过不同表面活性剂乳化而成的均匀稳定的分散体,所以,其含量会对乳化硅油粒径、石膏吸水率和生产成本产生较明显的影响(见图3) 。
图3 含氢硅油含量对乳化硅油性能的影响由图3可以看出,含氢硅油含量增加,乳化硅油分散体的粒径增大,成本增加,而石膏的吸水率降低(乳化含氢硅油掺加量为石膏的0 3 % ～0 5 % ) 。当含氢硅油含量在20 % ～30 %之间,乳化硅油的粒径、生产成本和石膏的吸水率等综合性能较好。2 5 石膏防水剂聚合物的选择在试验过程中发现,虽然在石膏中加入含氢硅油后能赋予石膏较好的憎水性,在水中浸泡2 h后,掺加了乳化硅油憎水剂的石膏吸水率具有较大的降低,但是,掺加憎水性乳化硅油的石膏比纯石膏的抗折强度和抗压强度均稍低。可以认为,由于乳化硅油有效地阻碍了水分向石膏试件内部的侵入,可提高石膏的耐水性。由于含氢硅油能使石膏具有一定的憎水效果,明显降低了石膏砌块的吸水率,但其加入会影响石膏砌块的强度,所以,应掺加适量的高分子聚合物乳液提高砌块的抗折强度和抗压强度。提高石膏的强度所用高分子聚合物的品种,关键是聚合物乳液性能的好坏。市场上不同聚合物乳液的主要性能指标见表3。
由表3可见,聚合物乳液应具有一个合理的Tg值,既能保证石膏的耐水强度,又可改善石膏砌块的脆性,降低石膏砌块的破损率。通过试验,确定由丙烯酸乳液和改性聚乙烯醇胶相配合使用,能提高石膏制品的强度,降低石膏防水剂的成本。试验结果见图4。
图4 不同条件下石膏的强度与软化系数的关系由图4可见,纯石膏的干强度均较掺加乳化硅油、乳化硅油与聚合物复合耐水剂的石膏强度高,掺加乳化硅油与聚合物复合耐水剂的石膏比单纯加入乳化硅油憎水剂的石膏干强度有了较大提高,与纯石膏的强度接近,且石膏的软化系数远远高于前两者。2 6 促凝剂对耐水剂凝结时间的影响虽然加入石膏耐水剂后可提高石膏制品的软化系数,但耐水剂不仅影响石膏的强度,而且对石膏具有缓凝作用,所以,应通过合适的促凝剂来调整石膏的凝结时间。常用的石膏促凝剂主要有硫酸钾,其掺加量对石膏凝结时间的影响见表4。表4 促凝剂掺加量对石膏凝结时间的影响
由表4可见,促凝剂掺加量在0 3 % ～0 4 %之间,可明显调整石膏的凝结时间,满足生产要求。2 7 石膏防水剂在防潮型石膏砌块中的应用根据实验室的试验结果,进行了以下几组防水剂不同掺加量的防潮型石膏砌块中试。中试所用主要原料的性能: 天然石膏粉、脱硫石膏粉品位(CaSO4 2H2O) ≮75 % ,标准稠度(W /P) ≮65 %,细度(80～100目筛筛余) 5 %,初凝时间8～10 min,终凝时间10～15 min,抗折强度(2 h湿) 1 8 MPa。中试工艺参数为: 砌块规格: 600 mm 500 mm 100 mm,空心,每块砌块抽芯6 个,孔直径60 mm;水灰比0 80,搅拌时间(从投料开始到浇注成型)80 s, 2～3 min脱模。中试工艺过程为:计量配料料的搅拌、混合凝固与脱模夹具搬运码放入库。制备的防潮型石膏砌块经北京市建材产品质检站检测,结果见表5。
由表5可见,当防水剂的掺加量为3 %时,防潮型石膏砌块的软化系数、断裂荷载、表观密度及砌块尺寸等性能满足JC /T 6981998《石膏砌块》的技术要求。所用石膏防水剂的主要技术指标为:(1)外观:乳白色液体。(2)黏度(25 ℃) : (500 50)mPas。(3)乳液粒径: m。(4) pH值: pH = 6～7。( 5)离心稳定性:经3 000 r/min离心30 min,不分层。(6)石膏制品吸水率(2 h) : 5 %。(7)储存期(10～30 ℃) : 3个月。3 结论3 1 确定了石膏砌块耐水剂用主要基料为含氢硅油,以OP - 10、吐温- 80和司盘- 80为耐水剂的乳化体系,使耐水剂的HLB 值在10～11之间,通过篮式乳化机乳化制成稳定的硅油水乳液,含氢硅油含量为27 %。3 2 以丙烯酸乳液和改性胶为成膜物,在石膏砌块内形成一层阻水膜,降低了石膏砌块的吸水率,提高了砌块的耐水强度。试验确定了乳液和改性胶的掺加量为30 %～40 %。3 3 以硫酸钾作为耐水剂的促凝剂,可明显调整石膏的凝结时间,其掺加量为0 3 %。
