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

（先進土木工程材料教育部重點實驗室，同濟大學，上海 201804）

0 前言

硅酸鹽水泥制品的泛霜問題嚴重影響外觀[1-2]，國內外學者為此進行了大量研究，已知泛霜產物主要為CaCO3[3-4]，來自水泥水化產物Ca（OH）2遷移至表面后碳化形成。研究認為[5-6]，可利用粉煤灰[7]、偏高嶺土[8-9]等具有火山灰效應的材料來消耗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，內摻防水劑利用憎水性有機基團封閉孔隙，進而阻止外部水浸入材料內部，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，本文就此進行了相關的實驗研究。

1 實驗

1.1 原材料與實驗配合比

P·W52.5水泥（C）：產自阿爾博波特蘭（安慶）有限公司，化學成分見表1；氧化鐵紅顏料（YL）：產自樂清市溪邊自動化有限公司；光亮劑（GLJ）：蘇州市建筑科學研究院有限公司，由六甲基環三硅氧烷等多種高分子聚合物和無機電解質配制而成；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%，北京蒙泰建材偉業有限公司；水（W）：自來水。

表1 水泥的化學成分

1.2 實驗方法

實驗配合比如表2所示。

表2 實驗配合比 g

（1）試樣制備。先將水泥、顏料通過行星式凈漿攪拌機（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，手動振實、排空氣泡，在實驗室自然條件下[溫度（20±5）℃，相對濕度（50±5）%]養護1 d后脫模。防水劑和光亮劑均預先溶于拌合水中。自然條件下養護90 d。

（2）熱重分析（DTG-TG）。采用美國TA公司生產的STA 650型聯合熱分析儀，保護氣氛為N2，升溫速率為20℃/min。按照“米”字形分布取樣，每個圓板試樣上平均設9個點，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 實驗結果與分析

2.1 試樣外觀

各組試塊自然條件下養護90 d的外觀如圖1所示。

根據圖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>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、C-S-H與AFt分解產生的3個明顯的吸熱峰，水泥水化產物氫氧化鈣CH晶體的分解吸熱峰，以及CaCO3的分解脫碳峰[11]。CaCO3來自水泥水化產物CH的碳化，因為測試樣品取自試塊表面，所以CaCO3的峰十分明顯。TG曲線上600~800℃的質量損失為CO2的質量，通過分子質量可換算得到基準、1#、2#、3#試樣中CaCO3的質量百分含量分別為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生，其中光亮劑的抑制效果最為明顯，可減少泛霜產物量11.23個百分點，內摻YGJ和YXJ分別減少泛霜量6.34個百分點和8.45個百分點。各試樣CaCO3的含量實測值大小順序與根據圖1得到的泛霜程度完全對應。

圖2 各試樣的TG-DTG曲線

2.3 孔徑分布

各試樣的壓汞實驗測試結果如圖3所示，對圖3的數據進行分段統計，結果如表3所示。

圖3 各試樣的壓汞實驗結果

表3 孔徑分布分析

從圖3和表3看出，基準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樣的，摻GLJ試樣的孔徑尺寸在50~200 nm時達到63.08%，而大于200 nm的孔為14.71%，遠小于基準樣的。有研究表明[12]，孔徑小于20 nm時為無害孔，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。這種劃分是根據離子在不同孔徑中的擴散與遷移速率來判斷的，孔徑大的擴散與遷移速率較快，因此可能對水泥石的侵害作用較大。上述結果說明，內摻光亮劑可以減少多害孔，增加少害孔，并且起到均勻細化材料孔結構的效果，從而減少水泥的泛霜產物向表面遷移。

從圖3還可以看出，基準樣和摻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、2#、3#試樣中大于200 nm的孔分別為44.10%，47.73%和47.75%。當孔徑大于1000 nm時，毛細水可以直接以液體的形式向外流，從而將內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，可以在材料內部的微細孔和毛細孔中形成牢固的憎水性表面層，形成斥水性網狀分子膜；另一方面，與水泥中的—OH反應，消耗掉水泥中的羥基，從而減少水泥的泛霜[13]。但是上述結果說明，內摻硅烷防水劑會增加體系內有害孔，使內部孔隙不均勻，對其耐久性不利。

3 結論

（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，可使泛霜產物量減少11.23個百分點，摻防水劑YGJ和YXJ使泛霜量分別減少6.34個百分點和8.45個百分點。各試樣CaCO3的含量實測值大小順序與其外觀泛霜程度完全對應。

（2）光亮劑抑制泛霜的機理是其可細化水泥石的內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，并導致內部孔隙尺寸不均；孔徑尺寸對泛霜的影響程度比孔隙率更大。