發泡劑對防水石膏性能的影響探析

李永強

（福建省建筑科學研究院有限責任公司福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州350025）

0 前言

石膏制品具有體積穩定、輕質、調濕和防火的特點，但是耐水性一般較差，在潮濕環境下強度有較大損失，這使得石膏制品只能在干燥環境當中使用，極大的限制了石膏制品推廣應用[1，2]。因此，許多學者側重于研究輕質石膏，對石膏進行輕質化處理，可以在降低體積密度的同時增強隔熱效果，提高保溫性能[3]。目前，石膏輕質化的方法主要有摻加輕質材料和發泡兩種方式，輕質材料摻入石膏當中，雖然可以降低體積密度，但是吸水率較大。另外，由于石膏的凝結時間對用水量較敏感，當水膠比較低時，如果輕骨料吸水量較大，可能造成凝結時間縮短，對石膏的凝結性能造成不良影響[4，5]。所以在對石膏進行輕質化處理中以后者居多。

發泡石膏制品具有輕質、保溫隔熱和防火的特點，是一種良好的環保、節能材料[6，7]。發泡劑是發泡石膏生產過程中的主要添加劑之一，對發泡石膏的物理和力學性能等有著重要的影響。文章通過研究發泡劑的種類及用量的變化對發泡石膏的力學性能、吸水率、軟化系數和導熱系數的影響，探索其相應的影響規律。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

磷建筑石膏。購買于濟南鴻圖化工有限公司，外觀為淡黃色粉末，性能符合《建筑石膏》（GBT9776-2008）標準。

檸檬酸。購于天津市風船化學試劑科技有限公司，無色柱狀結晶或白色結晶顆粒，有刺激性。外加劑。選用聚羧酸高效減水劑，減水率26%。

動物蛋白發泡劑和植物發泡劑。起泡性好、氣泡穩定、密度大。

十二烷基硫酸鈉及十二烷基苯磺酸鈉。購買于廈門土立方工貿有限公司，白色粉末。

憎水劑。選用甲基硅酸鈉，固含量45%。

水。采用自來水。

1.2 試驗方法

防水脫硫石膏的制備工藝如圖1所示。

圖1 防水脫硫石膏的制備工藝流程圖

2 試驗結果與分析

2.1 發泡劑對防水發泡石膏力學性能的影響

由如圖2（a）、（b）可知，較空白試樣相比，加入發泡劑后，其抗折、抗壓強度的基本趨勢是減小的，符合實驗的預期。植物發泡劑和動物發泡劑的波動最大，動物發泡劑在摻量為0.3%時，力學強度有回升，回升后也是呈現下降趨勢。其中抗折性能最好和最差的的分別摻量為0.1%和0.2%的植物發泡劑，對應的抗折強度損失率分別為20%、77%。抗壓性能最好的是摻量為0.1%的植物復合發泡劑，其抗壓強度損失率為33%；最差的是摻量為0.2%的動物發泡劑，強度損失率高達96%。這是因為石膏的表觀密度越大力學性能也就越好，密度越大，意味著石膏內部的缺陷越少。

圖2 發泡劑對防水發泡石膏力學性能的影響

2.2 發泡劑對防水發泡石膏軟化系數的影響

軟化系數是試樣浸泡24h之后的抗壓強度與對應試樣的絕干抗壓強度之比。所以，軟化系數越大，說明防水發泡石膏的力學性能越好。如圖3所示，為發泡劑摻量對防水發泡石膏軟化系數的影響。可以看到，隨著發泡劑摻量的增加，數據均在空白試樣軟化系數附近波動。同樣，植物發泡劑的變化幅度最大。且在發泡劑摻量一樣的情況下，植物復合發泡劑及動物發泡劑的軟化系數較高。總體來說，軟化系數在0.30～0.50之間變化。防水發泡石膏自身含有較高的孔隙率及不規則的連通孔導致試樣在水中浸泡期間，吸水較多，從而導致軟化系數的降低。

圖3 發泡劑摻量對軟化系數的影響

2.3 發泡劑對防水發泡石膏導熱系數的影響

固體的傳熱速度要大于氣體的傳熱速度，而防水發泡石膏內部有大量的孔隙。基于這一點，便可知發泡劑的摻量對防水發泡石膏的導熱系數影響較大。從圖4中可以看出，植物發泡劑在摻量為0.2%時，導熱系數最高。這是由于植物發泡劑發泡效率高、泡沫穩定性好，制備的試樣表觀密度小，因此在發泡劑摻量相同時，其導熱系數相對較低。而由于化學發泡劑的發泡效果依靠于化學反應的進行程度，所以起泡能力及氣泡穩定性均較差，導致其導熱系數相對較高。

圖3 發泡劑摻量對軟化系數的影響

2.4 孔隙形貌觀察與分析

從圖5可以明顯看出，加入發泡劑后，石膏試樣的泡孔明顯增加，植物發泡劑的泡孔小而密集，分布均勻，因此，其導熱系數低，表觀密度小。但由于其泡孔過于密集，導致其力學性能一般。十二烷基苯磺酸鈉和十二烷基硫酸鈉的泡孔大小及分布情況基本一致，同時也證明了二者的測試數據極為接近。動物發泡劑的泡孔大小均勻，且獨立性好，因而，其力學性能、導熱性能較好。植物復合發泡劑的泡孔大小差異較大，且分布不均，通孔大多集中在中部，是本實驗所有發泡劑中，發泡效果最差的。綜上所述，植物發泡劑的發泡效果最好，植物復合發泡劑的發泡效果最差，化學發泡劑發泡效果基本相同且介于這兩者之間。

3 結論

①研究表明，植物發泡劑的最佳摻量為0.2%，動物發泡劑的最佳摻量為0.1%，植物復合發泡劑、十二烷基苯磺酸鈉及十二烷基硫酸鈉的最佳摻量均為0.5%。

②在5種發泡劑中，植物發泡劑的發泡效果最好，與空白試樣相比，導熱系數從0.229 W/(m2·K)降到0.189W/(m2·K)，表觀密度從1226.56 kg/m3降 到781.25kg/m3，力學性能損失率最大高達84%，但仍符合防水發泡石膏材料的要求。植物復合發泡劑的發泡效果最差，與空白試樣相比，導熱系數從0.229 W/(m·2K)降到0.205W/(m2·K)，表觀密度從1226.56 kg/m3降到1002.02kg/m3，力學性能損失率最高為77%。其他發泡劑的發泡效果介于這兩種發泡劑之間，其中十二烷基苯磺酸鈉和十二烷基硫酸鈉的發泡效果區別不大。