石膏砌塊防水劑的制備與研究

孟曉林，王秋芹，曹 蒙

(蚌埠學院 材料與化學工程學院，安徽 蚌埠 233000)

隨著近幾年來脫硫石膏的綜合利用率在明顯的提高，如何高效的使用脫硫石膏也越來越得到人們的重視。脫硫石膏砌塊材料具有生產能耗低、密度小、防火、保溫等優點，是良好的環保材料。但同時因為脫硫建筑石膏制品具有較低的耐水性的特點，且隨濕度的增加其制品的強度會大幅度降低，因此，在使用上受到限制。目前，提高石膏砌塊的防水性能的方法就是在石膏砌塊中加入防水劑，使石膏的防水性能得到改善。不同的防水劑的作用機理并不一樣，根據目前的研究看來，石膏砌塊防水劑可分為以下兩種：

(1)降低溶解度，提高軟化系數的外加防水劑，如硼酸銨，草酸等，目的就是使溶解度大的二水硫酸鈣轉變成為溶解度較小的硼酸鈣，草酸鈣，磷酸鈣，脂肪酸鈣等，以提高石膏砌塊的耐水性。

(2)降低吸水率，通過減少砌塊的孔隙率以達到降低石膏砌塊吸水率的目的。可以加入石蠟乳液，瀝青乳液等。

為比較兩種防水劑的作用效果，在實驗室利用試塊系統研究了不同比例的硼酸銨、石蠟乳液對脫硫石膏砌塊性能可能產生的影響，分析其對砌塊耐水性，吸水率，強度等性能的影響。

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

所用材料主要為脫硫建筑石膏、生石灰、硼酸銨、液體石蠟、石蠟乳化劑、自來水等。脫硫建筑石膏為湖北省應城生產，細度≥140目，經實驗測得其標準稠度水膏比為65%，初凝、終凝時間分別為6 min、17 min；乳化劑為江蘇海安石油化工廠所生產，其外觀為乳白色至淡黃色固狀物乳化劑含量≥99%，pH值為5.0～7.0(1%水溶液)；生石灰、硼酸銨、液體石蠟，均為市購。

1.2 實驗方法

試塊養護條件：試件成形后在標養條件下養護，再放入(40±5)℃的恒溫干燥箱中烘干至恒重。

建筑石膏性能測試：建筑石膏凝結時間、標準稠度、強度測定參照《建筑石膏》GB9776-88進行。

1.3 石蠟乳液的制備

1)通常對于實驗用液體石蠟而言，石蠟乳液的含固量一般為20%～30%(其中包括石蠟與乳化劑)，乳化劑與液體石蠟和水的配比設置為7∶23∶70 。

2)配制過程：將水放于水浴鍋內加熱到 85～90℃；同時液體石蠟也放入水浴鍋中加熱到85～90℃；將乳化劑加入到石蠟中混合加熱熔化；然后加入到熱水中攪拌均勻，在85～90℃條件下保溫 60 min，冷卻后即可以得到石蠟乳液。

2 實驗結果與討論

2.1 不同配合比硼酸銨對砌塊性能的影響

表1為脫硫石膏砌塊在加入不同量的硼酸銨之后，標準稠度用水量控制在60%，測得其初、終凝時間分別為12 min、15 min，標準養護7 d后取出所測得的各種性能，從結果可知硼酸銨的摻入對石膏砌塊的各項性能都有一定的影響，石膏砌塊的各種性能都有了一定的改善。硼酸銨內摻入石膏漿體，能使石膏中溶解度較大的二水硫酸鈣轉化成溶解度較小的硼酸鈣，從而提高石膏砌塊的耐水性能。

表1 硼酸銨對石膏性能的影響

圖1 硼酸銨對石膏軟化系數的影響

從表1和圖1可以看出在加入硼酸銨之后，石膏砌塊的吸水率、干強度、浸水強度都有很大的改善。通過查閱文獻得知，在石膏硬化體中加入適量的生石灰，可使其更有效的產生硼酸鈣，有助于提高石膏砌塊的防水性能。因此，嘗試在石膏漿體中加入一定比例的生石灰，所得實驗結果如表2所示。

由表2可得：在一定的范圍內隨著生石灰的量的不斷增加，石膏硬化體的強度增加到一定的值后又逐漸的降低了。這是由于生石灰的特殊比表面積對脫硫石膏復合系統有一定的堿性激發作用(催化劑)。由上述實驗結果可以看出經過7 d的標準養護，石膏砌塊在生石灰含量為2%時強度均達到了最大值。

由于生石灰與水的特殊反應，石灰的加入使石膏砌塊減少用水量(在石灰內和在石膏內同樣有一些本身效應也要發生作用，即水化作用、物理結晶效應及形成強度的機械效用，所以石灰的存在會使石膏的標準稠度用水量下降)。同時生石灰的細度小，比表面積較大，因此在試驗中它可以填充到石膏砌塊的內部縫隙中，這就使得砌塊擁有了一個較高的密度，從而使石膏砌塊獲得高的強度；制品的密度增加，因此石膏的軟化系數也相應的提高了。

表2 摻入生石灰和硼酸銨對石膏性能的影響

圖2 摻入生石灰和硼酸銨對石膏軟化系數的影響

隨著石灰含量的增加，石灰在石膏砌塊中起到了分散劑的作用，可以增加石膏砌塊的緊密度，使強度提高(如：僅摻入0.5%的硼酸銨和摻入0.5%硼酸銨與2%生石灰的脫硫石膏砌塊養護7 d時浸水強度分別為3.53 MPa與5.10 MPa)。但是當石灰的含量增加到一定量度的時候，石灰達到飽和，效果反而會下降(如：摻入0.5%的硼酸銨與3%的生石灰時養護7 d的浸水強度僅為4.10 MPa)，能讓脫硫石膏砌塊制品的強度有一定程度的降低，軟化系數增加，耐水性能降低。

2.2 不同配合比石蠟乳液對砌塊性能的影響

本實驗在石膏砌塊中摻入了不同量的石蠟乳液(以石蠟乳液的固含量計算)，石膏與水的配比為100∶60，測得其初、終凝時間分別為15 min、18 min。研究乳液摻量的改變對石膏砌塊防水性能的影響，實驗結果見表3。

表3 石蠟乳液的摻入對石膏砌塊性能的影響

圖3 石蠟乳液的摻入對石膏砌塊吸水率的影響

圖4 石蠟乳液的摻入對石膏砌塊軟化系數的影響

在石蠟乳液的制備過程中，乳化條件的改變對石蠟乳液的穩定性有直接的影響，而影響石蠟乳液穩定性的因素有很多，其中，攪拌的速度、乳化所用時間和乳化時保持的溫度是最主要的三個影響因素。本實驗就這三個影響因素對石蠟乳液防水效果的影響進行了探討：

(1)攪拌的速度應控制適中(試驗中控制為110～120 r/min)，如果控制速度過慢，石蠟就會在水中分布不均勻，因此得到的石蠟乳液就不穩定，出現分層現象；速度過快就會產生泡沫，在使用的過程中就控制不好量，影響其使用量而對實驗產生較大影響。

(2)乳化的時間應保持在60 min左右，因為當乳化時間過長時，乳液在放置后會凝固住，過稠以至于失去了流動性，在加入到石膏砌塊中就會很難攪拌均勻，從而更加難以進行實驗。乳化時間過短時，乳液就會不均勻而在靜置后產生分層。

(3)乳化溫度在85～90℃之間，當乳化溫度低于85℃時，得到的石蠟乳液不穩定，容易分層，使試驗數據出現很大的誤差，致使實驗難以進行。

石膏砌塊中加入一定量的石蠟乳液，砌塊的防水性會提高。石蠟乳液摻量加大，石膏砌塊的軟化系數增大，摻加5%時，石膏砌塊的浸水強度最高為4.3 MPa，軟化系數為0.72，為石膏砌塊的最好防水表現。而當石蠟乳液加入量大于5%到達6%時，石膏砌塊的浸水強度和軟化系數又分別為4.1 MPa和0.79，雖然軟化系數在增大，但是在實際的防水效果中并沒有太大幫助，而這可能是石蠟薄膜減少了石膏晶體接觸點的原因。另外，石膏砌塊的強度和吸水率也會有所降低。

半水石膏水化生成二水石膏，晶體間相互交叉搭接，形成空間網絡結構，是石膏材料的強度來源。二水石膏溶解度較大，與水接觸造成晶體接觸點減少，呈現出較差的耐水性。石蠟乳液微粒在表面活性劑的作用下，在石膏顆粒表面呈定向排列，其親水基團與石膏顆粒表面連接，憎水基團則一致朝外，失水后形成致密的保護層，使外面包裹了一層石蠟薄膜， 這層膜有效地阻礙了水進入石膏材料的內部，降低了對CaSO4·2H2O 晶體的溶蝕，從而提高了石膏材料的防水性。

3 實驗結果與討論

以脫硫建筑石膏為材料，通過加入不同類型的以及不同含量的防水劑對石膏砌塊防水性能的影響所表現出的各種性能可得出以下結論：

(1)當內摻硼酸銨時，其對石膏砌塊的防水效果并不是很明顯，但當其與生石灰共同使用摻入時，其防水性的效果是明顯有所改善的。而從數據也可以輕易看出當硼酸銨摻量為0.5%左右時，生石灰的摻入量為2%左右時，其作為防水劑的效果最好。

(2)當乳液的摻入量為5%左右時，其作為石膏砌塊的防水劑的效果最好(即強度最高，吸水率最低，軟化系數最高)。石蠟乳液的制作方法簡便，用量少，易操作，生產效率高且可長期儲存，是生產生活中良好的外加劑。