提高石膏制品耐水性途径及机理分析

袁涛，蒋元海，连洵桓，赵宗翰，王文清，曹捷

（嘉兴学院，浙江 嘉兴314001）

0 引言

我国石膏资源储量巨大，作为一种具有较高工业价值的非金属矿物资源， 在我国工业建设过程中，有着广泛的应用和不可替代的作用。 但石膏资源的使用，使工业生产中产生了如脱硫石膏、磷石膏、柠檬酸石膏等石膏副产品[1]。因此如何有效合理地处理石膏副产品对石膏行业的发展具有重要意义。石膏耐火性好，塑性强，且具有调节空气湿度的能力，被广泛应用于建筑装饰。但由于石膏防水、防潮性能不足，不同类型石膏制品的吸水率、软化系数等衡量耐水性能的指标不尽相同，吸水率一般在40%以上，软化系数大多小于0.5[2]。 因此，如何提高石膏的强度和耐水性能作为一个重点课题，已被建材研究专家学者们广泛关注。 目前，提高石膏制品耐水性的方法包括外涂法和内掺法[3]。 外涂法一般为在石膏制品表面涂刷有机防水材料；内掺法一是在石膏中加入一定比例的无机掺合料，如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、矿渣粉、粉煤灰等，二是在石膏中加入具有憎水性的高分子聚合物，通过降低石膏的吸水率来提高其耐水性。 文章就涂刷防水材料、掺无机掺合料和憎水性高分子聚合物三种举措对石膏制品耐水性的影响进行了综述，并分析了提高石膏制品耐水性能的机理[4-5]。

1 三种举措对石膏制品耐水性的影响

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，国内一些学者对此也有研究。

樊钧等[6]在脱硫建筑石膏制品表面刷涂防水剂，研究有机硅防水剂对脱硫建筑石膏制品的作用效果。 通过与未进行刷涂处理的试验组进行对比，可以看出，随着浸水时间的增加，涂刷有机硅防水剂的试样其吸水率逐渐增加， 软化系数逐渐下降，最后趋于稳定，与未涂刷防水剂试样的软化系数差异不大。由此可知，这种举措的局限性较大，涂刷防水材料对石膏试件长期耐水性改善作用较弱，只能提高石膏试件短时间的耐水性。

1.2 掺入无机掺合料

水泥、粉煤灰、矿渣粉、生石灰等物质是较为常用的无机掺合料，这些无机掺合料对石膏制品的耐水性有着显著的改善作用。

付建[7]以硅酸盐水泥作为无机改性剂，研究建筑石膏的强度、吸水率和软化系数与不同掺量硅酸盐水泥的联系。 试验发现，较为合理的硅酸盐水泥掺量为15%，此时建筑石膏抗压强度为24.5 MPa，软化系数为0.65，吸水率为14.8%。 与不掺硅酸盐水泥的建筑石膏相比， 掺有硅酸盐水泥的建筑石膏的抗压强度明显提高， 分别增加了64.4% 和62.5%，吸水率则降低了28.5%。

袁英豪等[8]以铝酸盐水泥作为无机掺合料，分析铝酸盐水泥掺量对石膏基材料的力学性能、软化系数及吸水率等技术指标的影响。 当铝酸盐水泥掺量为30% 时，试样的软化系数为0.60，较不掺水泥试样提高了50% 左右， 当铝酸盐水泥的掺量为25%时， 石膏基材料的强度及软化系数与铝酸盐水泥掺量30% 时相比，略有不足，但从强度、软化系数及经济因素等方面考虑， 铝酸盐水泥的掺量宜为25%，此时，软化系数为0.54，比不掺铝酸盐水泥的石膏试样提高了三分之一， 石膏基的抗压抗折强度比不掺铝酸盐水泥的石膏分别提高了69%、46.8%。

张金山[9]等将水泥（复合硅酸盐水泥）、硅钙渣及高铝粉煤灰作为无机掺合料分别掺入到石膏制品中，研究三种无机掺合料对石膏制品的力学性能及耐水性能的作用，试验得出，掺加水泥对石膏制品的耐水性及力学性能有所提高， 且掺量愈高，效果愈为明显，但建议水泥掺量控制在20% 以下，这是基于对石膏制品的耐水性能及安全因素综合考虑的。 掺加硅钙渣的石膏制品与不掺该掺合料的石膏制品相比，石膏制品的密度随硅钙渣掺量的增加而下降，且密度下降的趋势受掺量、强度提高、吸水率变化等影响。 在石膏制品中掺加高铝粉煤灰，其软化系数增大，吸水率提高，强度降低。 总体而言，掺高铝粉煤灰对石膏制品的防水方面有利。

1.3 掺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为偶联剂，添加AEC—7Na 乳化剂等， 改善甲基硅醇钠有机硅憎水剂，制备出了一种性能更好的新型憎水剂。研究表明， 建筑石膏的强度受新型憎水剂的不利影响较小，可应用于石膏制品生产中；在石膏的软化系数方面，当掺加甲基硅醇钠0.8%时，石膏制品的软化系数达到了最大，软化系数提高了27%，当掺加同样掺量的新型憎水剂时， 石膏制品的软化系数提高了33%左右，通过对比发现，该新型憎水剂对建筑石膏软化系数提高作用更为明显； 在吸水率方面， 随着新型建筑石膏用憎水剂掺量的增加，建筑石膏制品的吸水率有明显降低。

王东等[11]研究了有机硅憎水剂SILRES BS 94对不同石膏软化系数的影响。 一方面，当防水剂掺量为0.15%时， 建筑石膏表现出较好的防水效果，但另一方面，对于石膏的强度，憎水剂则有负面效果，强度因憎水剂的掺加而降低。 吸水率与软化系数呈负相关，吸水率愈低，软化系数愈高，可见有机硅憎水剂主要是通过影响石膏的吸水率来改善石膏的软化系数。王东[12]进一步试验了4 种不同的有机硅憎水剂对石膏力学性能、 软化系数等方面的影响。试验结果表明，有机硅憎水剂SILRES BS 94 的应用效果最好。

2 提高石膏制品耐水性机理

2.1 涂刷防水材料

将石膏制品浸润或在石膏制品表面涂刷防水材料，当被处理过的试样表面干燥后，形成了一层具有包裹作用的密实憎水膜， 提高了石膏制品的耐水性。 也有专家学者用草酸或草酸盐溶液刷涂、浸渍石膏制品[13]，采用这种方法是在石膏制品的表面形成难溶性的草酸钙来提高其防水性能。

2.2 掺入无机掺合料

当硅酸盐水泥掺加在石膏制品中， 由于在混合物的水硬化过程中形成了一些难溶性产物(如硅酸钙、铝酸钙等)，这些水化产物耐水性、稳定性和强度均大于石膏结晶结构， 从石膏硬化体的微观结构中可以发现， 水化产物与石膏结晶共同作用形成了稳定的结构，这种结构对石膏有利。 当加入粉煤灰时，粉煤灰中的活性物质会发生缓慢水化，形成部分难溶于水的晶体结构——钙矾石， 钙矾石和石膏结晶结构体相互交叉， 另外粉煤灰中的惰性物质起到了物理填充效果， 在降低石膏吸水性的同时增加了其密实性。 加入矿粉时，在石膏发生早期水化的过程中， 矿粉首先填充石膏的内部空隙，然后随着石膏内部的反应继续发展，矿粉的主要成分活性氧化硅、 氧化铝水化形成了CSH 凝胶等水硬性物质。余海燕等[14]通过对脱硫石膏硬化体进行了SEM、XRD 分析，从微观上对掺有不同掺合料的脱硫石膏进行分析，结果发现，掺合料对石膏的作用主要是靠掺合料的水化产物， 该产物在微观上表现为各种凝胶对石膏晶体的包裹作用，使得石膏晶体结构变得致密， 进而使脱硫石膏的耐水性得到提高。

2.3 掺入憎水性高分子聚合物

有机硅憎水性高分子聚合物以Si—O 键为主链结构，各种基团（主要是活性基团H、OH 等和有机基团CH3-、C6H5-等）与硅原子的余键相连。活性基团和有机基团围绕Si—O 键旋转，基材表面活性基或吸附水可与活性基团起缩合作用，使活性基团与基材表面紧密结合， 非极性有机基团则排列向外。在石膏的固化过程中，结晶水可与有机硅憎水剂的硅—氢键反应，使硬化石膏体内部的表面性质发生变化，导致孔隙壁表面与水的接触角增大，在一定程度上减弱了水的润湿能力。 这种结合方式，使得有机硅憎水剂具有很高的憎水能力，从而达到良好的整体防水效果。 当然，不同的有机硅憎水剂效果不尽相同，不同的产品其有效成分所含的活性基团不相同，且缩合作用需要的条件和方式也不相同。

以γ-氨丙基三乙氧基硅烷为偶联剂， 加入乳化剂、 明矾等其他物质与甲基硅醇钠发生反应，经过乳化制备的新型憎水剂，涵有有机硅憎水剂的部分性能。 乳化剂醇醚羧酸钠发生反应时， 其中的RCOO-具备乳化、分散与稳定的作用，醇醚羧酸钠溶解后所提供的RCOO-具有极强的负吸附性，与Al3+、Ca2+吸附连接，形成可以吸附在二水石膏晶体表面的配合物网络结构，从而进一步提高了石膏制品的耐水能力。

3 结语

随着我国建筑行业的迅猛发展，改善石膏耐水能力的途径也愈来愈多，这些途径削弱了石膏吸水率高、 软化系数低等不利因素对石膏制品的影响。表面涂刷防水材料，不适应长期使用的环境，但外涂防水材料对于施工方面有着一定的便利；在石膏内掺加憎水性高分子聚合物，对石膏的耐水性能有促进作用，但会对石膏制品的力学性能起到削弱作用；在石膏内掺无机掺合料对石膏的耐水性能及力学性能均能起到作用，使得石膏制品的耐久性得到提高。 今后，还应积极着手研究其他有利于改善石膏制品耐水性且对石膏制品综合性能起均衡作用的方法。