改善普硅发泡水泥防水性能的试验研究

2021-08-13李启金范宪文

广东建材 2021年8期

李启金范宪文王明颜晗

（湖南省建设工程质量检测中心有限责任公司）

发泡水泥是一种新型无机建筑保温材料，它不燃烧、保温隔热性好、耐老化，可用来替代传统有机类保温材料，应用前景广阔[1,2]。吸水率高是目前发泡水泥制品存在的通病，过高的吸水率会导致发泡水泥制品的抗冻性、软化系数、使用寿命等显著下降，极大阻碍了发泡水泥的应用。加入防水剂是降低发泡水泥吸水率最有效、便捷的方法，目前其防水处理工艺主要有浸泡法、表面喷涂法和内掺法三种。浸泡法是将发泡水泥制品浸泡于防水剂溶液中再经烘干而获得防水功能，表面喷涂法是在制品表面喷涂防水剂再经烘干或自然干燥而获得防水功能，而内掺法则是将防水剂作为原材料在制品制备时直接加入，使制品直接具备防水功能。采用浸泡法和表面喷涂法时，由于制品还需再经专门的防水处理工序，因此延长了制品生产时间，降低了生产效率，相比之下采用内掺法时生产更为简便，因此是最为理想的防水处理方法，但是采用内掺法时由于防水工序是在制品成型过程中进行，而目前在普通混凝土和砂浆制品中广泛使用的绝大多数防水剂与发泡水泥体系适应性差，直接掺入时在料浆发泡成型过程中会对料浆泡沫体系的稳定性造成破坏，产生消泡现象，严重时甚至会导致塌模，因而采用内掺法的关键在于找到与发泡水泥体系相容性好的防水剂[3,4]。

本实验以密度约170㎏/m3的普硅发泡水泥为对象，选用甲基硅醇钠有机硅防水剂、聚硅氧烷有机硅防水剂、EVA乳液、硬脂酸钙为防水剂，首先对四者与发泡水泥体系的相容性进行了研究，在此基础上，选择相容性好的防水剂，考察了防水剂对普硅发泡水泥制品防水性能的影响，并对其作用机理进行了探讨。

1 实验原料与方法

1.1 实验原料

52.5普通硅酸盐水泥，南方水泥有限公司生产；Ⅱ级粉煤灰，45μm方孔筛筛余量16%；双氧水，质量分数27.5%，市售；硬脂酸钙粉末，75μm方孔筛筛余量＜1%，市售；聚羧酸减水剂，固含量30%，市售；聚丙烯纤维，横截面为Y型，长度9～12mm，市售；甲基硅醇钠有机硅防水剂，无色透明液体，固含量30%，市售；EVA乳液，固含量48%，市售；聚硅氧烷有机硅防水剂，白色粉末，自制；稳泡剂，自制；促凝剂，自制；自来水。

1.2 普硅发泡水泥试样制备

普硅发泡水泥试样制备方法：准确称量水泥、水、外加剂等原料，称量结束后将液体类外加剂加入35～45℃水（视室温调整）中混合均匀，固体类外加剂与水泥混合均匀；将固体物料加入水中搅拌1～2min后再加入双氧水搅拌5～10s，然后将料浆注入模具中发泡成型。料浆发泡结束后，在试样表面覆盖薄塑料膜防止水分蒸发，并将模具放入40℃烘箱内恒温养护；放入烘箱24h后脱模，脱模后对试样进行切割并在约20℃环境中养护至规定龄期。

1.3 性能测试

按照GB/T 5486-2008《无机硬质绝热制品试验方法》对试样密度、抗压强度、体积吸水率进行测定，其中体积吸水率试验试样尺寸为300mm×300mm×30mm；按照GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》对试样导热系数进行测定。

2 结果与讨论

2.1 防水剂与发泡水泥体系相容性

表1为未加防水剂时经大量试验确定的密度约170㎏/m3的普硅发泡水泥的较优配合比。以表1配合比为基础，添加不同种类防水剂，具体掺量如表2所示。按照1.2中方法制备发泡水泥料浆，然后将料浆注入150mm×150mm×150mm的模具中发泡成型；料浆发泡结束24h后拆模，测量试样尺寸，进而算出其体积，同时拍摄试样发气方向的中心截面照片，再利用图像处理软件计算其平均泡孔尺寸，通过比较加入防水剂试样与空白试样的体积百分比值以及泡孔平均尺寸来衡量防水剂与发泡水泥体系的相容性，试验结果如表2所示。

表1 未加防水剂时普硅发泡水泥配合比

表2 防水剂与普硅发泡水泥体系的相容性试验

由表2可见：

⑴加入硬脂酸钙后，试样体积比空白试样大，同时试样的泡孔平均尺寸变小，这表明硬脂酸钙的加入可改善制品的泡孔结构，即其料浆发泡过程中具有稳泡作用；

⑵加入EVA乳液、甲基硅醇钠有机硅防水剂、聚硅氧烷有机硅防水剂后，试样体积都比空白试样体积小，同时试样的泡孔平均尺寸变大，这表明此3类防水剂的加入对发泡水泥料浆泡沫体系的稳定性均具有不利影响，具体作用强弱为：甲基硅醇钠有机硅防水剂＞EVA乳液＞聚硅氧烷有机硅防水剂；

⑶加入聚硅氧烷有机硅防水剂时，试样的体积百分比为96.5%，泡孔平均尺寸为1.7mm，较空白试样仅增大0.1mm，这表明聚硅氧烷有机硅防水剂虽然在料浆发泡过程中对料浆泡沫体系的稳定性具有不利影响，但其不利影响非常小。

在发泡过程中，发泡水泥体系是气体分散于水泥料浆中形成的粗分散体系，由于存在着巨大的气—液—固界面，料浆中的气泡受到表面张力排液、重力排液及不同尺寸气泡内压力差的作用，气泡间会发生相互兼并现象。硬脂酸钙的稳泡机理主要在于其作为一种表面活性剂，当料浆中加入双氧水产生气泡后，硬脂酸钙会排列到气泡与水泥料浆的界面上，其烷烃端指向气泡内气体侧，钙端吸附在液固复合膜的水泥颗粒上，从而降低了界面处的表面张力，使得气泡的稳定性得到增强，同时如图1所示，硬脂酸钙的加入可使试样的内部泡孔逐渐变得更加细小、大小均一并降低泡孔间连通率，即可改善试样的泡孔结构。

图1 硬脂酸钙对发泡水泥试样泡孔结构的影响

综上所述，在上述四种防水剂中，硬脂酸钙和聚硅氧烷有机硅防水剂与普硅发泡水泥体系相容性好，适合在普硅发泡水泥体系中使用。

2.2 防水剂对普硅发泡水泥防水性能的影响

在上述相容性研究基础上，选择硬脂酸钙和聚硅氧烷有机硅防水剂为防水剂，研究其不同掺量对普硅发泡水泥制品2h体积吸水率的影响（考虑到硬脂酸钙对发泡水泥体系具有稳泡作用，可起到基础配比中稳泡剂的作用，所以在加入硬脂酸钙时不加入表1配比中的稳泡剂），结果如图2所示。

由图2可见：

⑴随着硬脂酸钙和聚硅氧烷有机硅防水剂掺量的增加，试样的体积吸水率均呈逐渐降低的趋势，这表明硬脂酸钙和聚硅氧烷有机硅防水剂的加入均可显著降低试样的体积吸水率，同时对比图2（a）和图1（b）曲线可知，聚硅氧有机硅防水剂的效果要明显强于硬脂酸钙；

图2 硬脂酸钙和聚硅氧烷有机硅防水剂掺量对普硅发泡水泥体积吸水率的影响

⑵对于硬脂酸钙和聚硅氧烷有机硅防水剂，当其掺量分别大于1%和0.4%后，随着其掺量的增加，试样的吸水率下降趋势均明显减弱，当掺量分别为1%和0.4%时，此时试样的体积吸水率分别为8.9%和4.5%，均达到JC/T 2200-2013《水泥基泡沫保温板》中体积吸水率≤10%的要求。

综上所述，从提高试样防水性能的角度来看，硬脂酸钙和聚硅氧烷有机硅防水剂的最佳掺量分别为1.0%和0.4%，此时普硅发泡水泥试样的主要性能如表3所示。

表3 0.4%聚硅氧烷有机硅防水剂和1.0%硬脂酸钙掺量普硅发泡水泥性能

2.3 防水剂的作用机理

硬脂酸钙的防水机理主要是当发泡水泥固体粉料与水拌合后，水泥颗粒开始发生水化反应，熟料中的Ca2+、OH-、Na+等离子进入溶液，水泥颗粒表面形成缺钙的富硅层，使水泥颗粒带负电，此时硬脂酸钙会吸附在水泥颗粒表面及气泡与水泥料浆界面处，其钙端指向水泥颗粒侧，憎水烷烃端指向液相或气相，随着胶凝材料水化反应的进行，水泥浆体逐渐硬化，最终硬脂酸钙的存在使得泡孔表面及水泥石的空隙表面由亲水性变为憎水性，阻止了水分侵入，从而使得试样的吸水率显著降低。

本实验中所用的聚硅氧烷有机硅防水剂是用可溶于水的保护胶体包裹低聚硅氧烷，再通过喷雾干燥工艺而得到的粉末状颗粒。将其掺入发泡水泥固体粉料时，在粉料加水拌合过程中，聚硅氧烷有机硅防水剂颗粒首先均匀分散于料浆中，随着时间的推移，其保护胶体逐渐溶解于水，释放出原本受到包裹的聚硅氧烷内核，而释放的聚硅氧烷内核在水泥水化的高碱性环境下，聚硅氧烷中的亲水官能团水解形成高反应活性的硅烷醇基团，生成的硅烷醇基团会继续同水泥水化产物中的羟基基团发生不可逆反应形成化学结合，使得聚硅氧烷牢固的固定在泡孔表面及水泥石的孔壁表面，由于憎水的烷烃链朝向孔壁外侧，因此随着上述反应的进行，试样泡孔壁及水泥石中孔隙表面由亲水性变成憎水性，从而显著提高了制品憎水效果[4]。