提高石膏制品耐水性途徑及機(jī)理分析

袁濤，蔣元海，連洵桓，趙宗翰，王文清，曹捷

（嘉興學(xué)院，浙江 嘉興314001）

0 引言

我國石膏資源儲量巨大，作為一種具有較高工業(yè)價(jià)值的非金屬礦物資源， 在我國工業(yè)建設(shè)過程中，有著廣泛的應(yīng)用和不可替代的作用。 但石膏資源的使用，使工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生了如脫硫石膏、磷石膏、檸檬酸石膏等石膏副產(chǎn)品[1]。因此如何有效合理地處理石膏副產(chǎn)品對石膏行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。石膏耐火性好，塑性強(qiáng)，且具有調(diào)節(jié)空氣濕度的能力，被廣泛應(yīng)用于建筑裝飾。但由于石膏防水、防潮性能不足，不同類型石膏制品的吸水率、軟化系數(shù)等衡量耐水性能的指標(biāo)不盡相同，吸水率一般在40%以上，軟化系數(shù)大多小于0.5[2]。 因此，如何提高石膏的強(qiáng)度和耐水性能作為一個(gè)重點(diǎn)課題，已被建材研究專家學(xué)者們廣泛關(guān)注。 目前，提高石膏制品耐水性的方法包括外涂法和內(nèi)摻法[3]。 外涂法一般為在石膏制品表面涂刷有機(jī)防水材料；內(nèi)摻法一是在石膏中加入一定比例的無機(jī)摻合料，如硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、礦渣粉、粉煤灰等，二是在石膏中加入具有憎水性的高分子聚合物，通過降低石膏的吸水率來提高其耐水性。 文章就涂刷防水材料、摻無機(jī)摻合料和憎水性高分子聚合物三種舉措對石膏制品耐水性的影響進(jìn)行了綜述，并分析了提高石膏制品耐水性能的機(jī)理[4-5]。

1 三種舉措對石膏制品耐水性的影響

1.1 涂刷防水材料

在石膏制品表面涂刷防水材料以提高石膏制品的耐水性，國內(nèi)一些學(xué)者對此也有研究。

樊鈞等[6]在脫硫建筑石膏制品表面刷涂防水劑，研究有機(jī)硅防水劑對脫硫建筑石膏制品的作用效果。 通過與未進(jìn)行刷涂處理的試驗(yàn)組進(jìn)行對比，可以看出，隨著浸水時(shí)間的增加，涂刷有機(jī)硅防水劑的試樣其吸水率逐漸增加， 軟化系數(shù)逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定，與未涂刷防水劑試樣的軟化系數(shù)差異不大。由此可知，這種舉措的局限性較大，涂刷防水材料對石膏試件長期耐水性改善作用較弱，只能提高石膏試件短時(shí)間的耐水性。

1.2 摻入無機(jī)摻合料

水泥、粉煤灰、礦渣粉、生石灰等物質(zhì)是較為常用的無機(jī)摻合料，這些無機(jī)摻合料對石膏制品的耐水性有著顯著的改善作用。

付建[7]以硅酸鹽水泥作為無機(jī)改性劑，研究建筑石膏的強(qiáng)度、吸水率和軟化系數(shù)與不同摻量硅酸鹽水泥的聯(lián)系。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較為合理的硅酸鹽水泥摻量為15%，此時(shí)建筑石膏抗壓強(qiáng)度為24.5 MPa，軟化系數(shù)為0.65，吸水率為14.8%。 與不摻硅酸鹽水泥的建筑石膏相比， 摻有硅酸鹽水泥的建筑石膏的抗壓強(qiáng)度明顯提高， 分別增加了64.4% 和62.5%，吸水率則降低了28.5%。

袁英豪等[8]以鋁酸鹽水泥作為無機(jī)摻合料，分析鋁酸鹽水泥摻量對石膏基材料的力學(xué)性能、軟化系數(shù)及吸水率等技術(shù)指標(biāo)的影響。 當(dāng)鋁酸鹽水泥摻量為30% 時(shí)，試樣的軟化系數(shù)為0.60，較不摻水泥試樣提高了50% 左右， 當(dāng)鋁酸鹽水泥的摻量為25%時(shí)， 石膏基材料的強(qiáng)度及軟化系數(shù)與鋁酸鹽水泥摻量30% 時(shí)相比，略有不足，但從強(qiáng)度、軟化系數(shù)及經(jīng)濟(jì)因素等方面考慮， 鋁酸鹽水泥的摻量宜為25%，此時(shí)，軟化系數(shù)為0.54，比不摻鋁酸鹽水泥的石膏試樣提高了三分之一， 石膏基的抗壓抗折強(qiáng)度比不摻鋁酸鹽水泥的石膏分別提高了69%、46.8%。

張金山[9]等將水泥（復(fù)合硅酸鹽水泥）、硅鈣渣及高鋁粉煤灰作為無機(jī)摻合料分別摻入到石膏制品中，研究三種無機(jī)摻合料對石膏制品的力學(xué)性能及耐水性能的作用，試驗(yàn)得出，摻加水泥對石膏制品的耐水性及力學(xué)性能有所提高， 且摻量愈高，效果愈為明顯，但建議水泥摻量控制在20% 以下，這是基于對石膏制品的耐水性能及安全因素綜合考慮的。 摻加硅鈣渣的石膏制品與不摻該摻合料的石膏制品相比，石膏制品的密度隨硅鈣渣摻量的增加而下降，且密度下降的趨勢受摻量、強(qiáng)度提高、吸水率變化等影響。 在石膏制品中摻加高鋁粉煤灰，其軟化系數(shù)增大，吸水率提高，強(qiáng)度降低。 總體而言，摻高鋁粉煤灰對石膏制品的防水方面有利。

1.3 摻入憎水性高分子聚合物

丁益等[10]以γ-氨丙基三乙氧基硅烷為偶聯(lián)劑，添加AEC—7Na 乳化劑等， 改善甲基硅醇鈉有機(jī)硅憎水劑，制備出了一種性能更好的新型憎水劑。研究表明， 建筑石膏的強(qiáng)度受新型憎水劑的不利影響較小，可應(yīng)用于石膏制品生產(chǎn)中；在石膏的軟化系數(shù)方面，當(dāng)摻加甲基硅醇鈉0.8%時(shí)，石膏制品的軟化系數(shù)達(dá)到了最大，軟化系數(shù)提高了27%，當(dāng)摻加同樣摻量的新型憎水劑時(shí)， 石膏制品的軟化系數(shù)提高了33%左右，通過對比發(fā)現(xiàn)，該新型憎水劑對建筑石膏軟化系數(shù)提高作用更為明顯； 在吸水率方面， 隨著新型建筑石膏用憎水劑摻量的增加，建筑石膏制品的吸水率有明顯降低。

王東等[11]研究了有機(jī)硅憎水劑SILRES BS 94對不同石膏軟化系數(shù)的影響。 一方面，當(dāng)防水劑摻量為0.15%時(shí)， 建筑石膏表現(xiàn)出較好的防水效果，但另一方面，對于石膏的強(qiáng)度，憎水劑則有負(fù)面效果，強(qiáng)度因憎水劑的摻加而降低。 吸水率與軟化系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，吸水率愈低，軟化系數(shù)愈高，可見有機(jī)硅憎水劑主要是通過影響石膏的吸水率來改善石膏的軟化系數(shù)。王東[12]進(jìn)一步試驗(yàn)了4 種不同的有機(jī)硅憎水劑對石膏力學(xué)性能、 軟化系數(shù)等方面的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)硅憎水劑SILRES BS 94 的應(yīng)用效果最好。

2 提高石膏制品耐水性機(jī)理

2.1 涂刷防水材料

將石膏制品浸潤或在石膏制品表面涂刷防水材料，當(dāng)被處理過的試樣表面干燥后，形成了一層具有包裹作用的密實(shí)憎水膜， 提高了石膏制品的耐水性。 也有專家學(xué)者用草酸或草酸鹽溶液刷涂、浸漬石膏制品[13]，采用這種方法是在石膏制品的表面形成難溶性的草酸鈣來提高其防水性能。

2.2 摻入無機(jī)摻合料

當(dāng)硅酸鹽水泥摻加在石膏制品中， 由于在混合物的水硬化過程中形成了一些難溶性產(chǎn)物(如硅酸鈣、鋁酸鈣等)，這些水化產(chǎn)物耐水性、穩(wěn)定性和強(qiáng)度均大于石膏結(jié)晶結(jié)構(gòu)， 從石膏硬化體的微觀結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn)， 水化產(chǎn)物與石膏結(jié)晶共同作用形成了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對石膏有利。 當(dāng)加入粉煤灰時(shí)，粉煤灰中的活性物質(zhì)會發(fā)生緩慢水化，形成部分難溶于水的晶體結(jié)構(gòu)——鈣礬石， 鈣礬石和石膏結(jié)晶結(jié)構(gòu)體相互交叉， 另外粉煤灰中的惰性物質(zhì)起到了物理填充效果， 在降低石膏吸水性的同時(shí)增加了其密實(shí)性。 加入礦粉時(shí)，在石膏發(fā)生早期水化的過程中， 礦粉首先填充石膏的內(nèi)部空隙，然后隨著石膏內(nèi)部的反應(yīng)繼續(xù)發(fā)展，礦粉的主要成分活性氧化硅、 氧化鋁水化形成了CSH 凝膠等水硬性物質(zhì)。余海燕等[14]通過對脫硫石膏硬化體進(jìn)行了SEM、XRD 分析，從微觀上對摻有不同摻合料的脫硫石膏進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻合料對石膏的作用主要是靠摻合料的水化產(chǎn)物， 該產(chǎn)物在微觀上表現(xiàn)為各種凝膠對石膏晶體的包裹作用，使得石膏晶體結(jié)構(gòu)變得致密， 進(jìn)而使脫硫石膏的耐水性得到提高。

2.3 摻入憎水性高分子聚合物

有機(jī)硅憎水性高分子聚合物以Si—O 鍵為主鏈結(jié)構(gòu)，各種基團(tuán)（主要是活性基團(tuán)H、OH 等和有機(jī)基團(tuán)CH3-、C6H5-等）與硅原子的余鍵相連。活性基團(tuán)和有機(jī)基團(tuán)圍繞Si—O 鍵旋轉(zhuǎn)，基材表面活性基或吸附水可與活性基團(tuán)起縮合作用，使活性基團(tuán)與基材表面緊密結(jié)合， 非極性有機(jī)基團(tuán)則排列向外。在石膏的固化過程中，結(jié)晶水可與有機(jī)硅憎水劑的硅—?dú)滏I反應(yīng)，使硬化石膏體內(nèi)部的表面性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致孔隙壁表面與水的接觸角增大，在一定程度上減弱了水的潤濕能力。 這種結(jié)合方式，使得有機(jī)硅憎水劑具有很高的憎水能力，從而達(dá)到良好的整體防水效果。 當(dāng)然，不同的有機(jī)硅憎水劑效果不盡相同，不同的產(chǎn)品其有效成分所含的活性基團(tuán)不相同，且縮合作用需要的條件和方式也不相同。

以γ-氨丙基三乙氧基硅烷為偶聯(lián)劑， 加入乳化劑、 明礬等其他物質(zhì)與甲基硅醇鈉發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過乳化制備的新型憎水劑，涵有有機(jī)硅憎水劑的部分性能。 乳化劑醇醚羧酸鈉發(fā)生反應(yīng)時(shí)， 其中的RCOO-具備乳化、分散與穩(wěn)定的作用，醇醚羧酸鈉溶解后所提供的RCOO-具有極強(qiáng)的負(fù)吸附性，與Al3+、Ca2+吸附連接，形成可以吸附在二水石膏晶體表面的配合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高了石膏制品的耐水能力。

3 結(jié)語

隨著我國建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，改善石膏耐水能力的途徑也愈來愈多，這些途徑削弱了石膏吸水率高、 軟化系數(shù)低等不利因素對石膏制品的影響。表面涂刷防水材料，不適應(yīng)長期使用的環(huán)境，但外涂防水材料對于施工方面有著一定的便利；在石膏內(nèi)摻加憎水性高分子聚合物，對石膏的耐水性能有促進(jìn)作用，但會對石膏制品的力學(xué)性能起到削弱作用；在石膏內(nèi)摻無機(jī)摻合料對石膏的耐水性能及力學(xué)性能均能起到作用，使得石膏制品的耐久性得到提高。 今后，還應(yīng)積極著手研究其他有利于改善石膏制品耐水性且對石膏制品綜合性能起均衡作用的方法。