光亮劑與防水劑對水泥石抗泛霜性能的影響

朱洪波，韓亞倩，張祎璐，楊正宏

（先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

0 前言

硅酸鹽水泥制品的泛霜問題嚴(yán)重影響外觀[1-2]，國內(nèi)外學(xué)者為此進(jìn)行了大量研究，已知泛霜產(chǎn)物主要為CaCO3[3-4]，來自水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2遷移至表面后碳化形成。研究認(rèn)為[5-6]，可利用粉煤灰[7]、偏高嶺土[8-9]等具有火山灰效應(yīng)的材料來消耗Ca（OH）2，以減少泛霜，但其不能根治并且會影響外觀。另有研究指出[10]，通過表面防水處理可以有效減少泛霜，內(nèi)摻防水劑利用憎水性有機(jī)基團(tuán)封閉孔隙，進(jìn)而阻止外部水浸入材料內(nèi)部，降低可溶性鹽的遷移。光亮劑和硅烷防水劑都是水泥及裝飾材料的常用功能材料，但傳統(tǒng)表征泛霜程度的方法具有主觀性，缺乏定量分析，本文就此進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料與實(shí)驗(yàn)配合比

P·W52.5水泥（C）：產(chǎn)自阿爾博波特蘭（安慶）有限公司，化學(xué)成分見表1；氧化鐵紅顏料（YL）：產(chǎn)自樂清市溪邊自動(dòng)化有限公司；光亮劑（GLJ）：蘇州市建筑科學(xué)研究院有限公司，由六甲基環(huán)三硅氧烷等多種高分子聚合物和無機(jī)電解質(zhì)配制而成；防水劑：異丁基三乙氧基硅烷（YDJ）和異辛基三乙氧基硅烷（YXJ），有效含量均≥98.9%，北京蒙泰建材偉業(yè)有限公司；水（W）：自來水。

表1 水泥的化學(xué)成分

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)配合比如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)配合比 g

（1）試樣制備。先將水泥、顏料通過行星式凈漿攪拌機(jī)（JC/T 681—1997型）慢速攪拌2 min后加水，再慢攪1 min、快攪2 min，最后將水泥凈漿澆筑于直徑9 cm，高3 cm的圓餅形塑料模具中，手動(dòng)振實(shí)、排空氣泡，在實(shí)驗(yàn)室自然條件下[溫度（20±5）℃，相對濕度（50±5）%]養(yǎng)護(hù)1 d后脫模。防水劑和光亮劑均預(yù)先溶于拌合水中。自然條件下養(yǎng)護(hù)90 d。

（2）熱重分析（DTG-TG）。采用美國TA公司生產(chǎn)的STA 650型聯(lián)合熱分析儀，保護(hù)氣氛為N2，升溫速率為20℃/min。按照“米”字形分布取樣，每個(gè)圓板試樣上平均設(shè)9個(gè)點(diǎn)，以Φ0.6 mm鉆頭鉆取樣品，深度2 mm。

（3）壓汞分析（MIP）。采用的壓汞測孔儀型號為AutoporeⅣ9500。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試樣外觀

各組試塊自然條件下養(yǎng)護(hù)90 d的外觀如圖1所示。

根據(jù)圖1中各試樣表面的顏色，按照由深至淺的情況，可以大致判斷其泛霜程度依次為基準(zhǔn)>2#試樣>3#試樣>1#試樣。

圖1 各試樣外觀

2.2 熱重分析（見圖2）

圖2表明，在DTG曲線的100、450、740℃處分別有水分蒸發(fā)、C-S-H與AFt分解產(chǎn)生的3個(gè)明顯的吸熱峰，水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣CH晶體的分解吸熱峰，以及CaCO3的分解脫碳峰[11]。CaCO3來自水泥水化產(chǎn)物CH的碳化，因?yàn)闇y試樣品取自試塊表面，所以CaCO3的峰十分明顯。TG曲線上600~800℃的質(zhì)量損失為CO2的質(zhì)量，通過分子質(zhì)量可換算得到基準(zhǔn)、1#、2#、3#試樣中CaCO3的質(zhì)量百分含量分別為40.34%、29.11%、34.00%、31.89%。添加光亮劑及2種防水劑均可以減少硅酸鹽水泥泛霜的產(chǎn)生，其中光亮劑的抑制效果最為明顯，可減少泛霜產(chǎn)物量11.23個(gè)百分點(diǎn)，內(nèi)摻Y(jié)GJ和YXJ分別減少泛霜量6.34個(gè)百分點(diǎn)和8.45個(gè)百分點(diǎn)。各試樣CaCO3的含量實(shí)測值大小順序與根據(jù)圖1得到的泛霜程度完全對應(yīng)。

圖2 各試樣的TG-DTG曲線

2.3 孔徑分布

各試樣的壓汞實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖3所示，對圖3的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。

圖3 各試樣的壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 孔徑分布分析

從圖3和表3看出，基準(zhǔn)樣和摻光亮劑試樣的孔尺寸集中在0~1000 nm，摻GLJ試樣的平均尺寸略大于基準(zhǔn)樣的，摻GLJ試樣的孔徑尺寸在50~200 nm時(shí)達(dá)到63.08%，而大于200 nm的孔為14.71%，遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)樣的。有研究表明[12]，孔徑小于20 nm時(shí)為無害孔，孔徑在20~50 nm的為有害孔，孔徑在50~200 nm的為少害孔，大于200 nm的為多害孔。這種劃分是根據(jù)離子在不同孔徑中的擴(kuò)散與遷移速率來判斷的，孔徑大的擴(kuò)散與遷移速率較快，因此可能對水泥石的侵害作用較大。上述結(jié)果說明，內(nèi)摻光亮劑可以減少多害孔，增加少害孔，并且起到均勻細(xì)化材料孔結(jié)構(gòu)的效果，從而減少水泥的泛霜產(chǎn)物向表面遷移。

從圖3還可以看出，基準(zhǔn)樣和摻2種防水劑試樣的孔徑集中在0~1000 nm，但后兩者中超出1000 nm的孔明顯更多，基準(zhǔn)、2#、3#試樣中大于200 nm的孔分別為44.10%，47.73%和47.75%。當(dāng)孔徑大于1000 nm時(shí)，毛細(xì)水可以直接以液體的形式向外流，從而將內(nèi)部的堿帶到材料表面，這對硅酸鹽水泥的泛霜是不利的，但是硅烷防水劑的摻入，一方面，可以在材料內(nèi)部的微細(xì)孔和毛細(xì)孔中形成牢固的憎水性表面層，形成斥水性網(wǎng)狀分子膜；另一方面，與水泥中的—OH反應(yīng)，消耗掉水泥中的羥基，從而減少水泥的泛霜[13]。但是上述結(jié)果說明，內(nèi)摻硅烷防水劑會增加體系內(nèi)有害孔，使內(nèi)部孔隙不均勻，對其耐久性不利。

3 結(jié)論

（1）添加光亮劑及2種硅烷防水劑均可抑制硅酸鹽水泥的泛霜程度，其中摻光亮劑的抑制效果最為明顯，可使泛霜產(chǎn)物量減少11.23個(gè)百分點(diǎn)，摻防水劑YGJ和YXJ使泛霜量分別減少6.34個(gè)百分點(diǎn)和8.45個(gè)百分點(diǎn)。各試樣CaCO3的含量實(shí)測值大小順序與其外觀泛霜程度完全對應(yīng)。

（2）光亮劑抑制泛霜的機(jī)理是其可細(xì)化水泥石的內(nèi)部孔隙并減少有害孔含量；而2種防水劑則會增加有害孔含量，并導(dǎo)致內(nèi)部孔隙尺寸不均；孔徑尺寸對泛霜的影響程度比孔隙率更大。