光亮剂与防水剂对水泥石抗泛霜性能的影响

朱洪波，韩亚倩，张祎璐，杨正宏

（先进土木工程材料教育部重点实验室，同济大学，上海 201804）

0 前言

硅酸盐水泥制品的泛霜问题严重影响外观[1-2]，国内外学者为此进行了大量研究，已知泛霜产物主要为CaCO3[3-4]，来自水泥水化产物Ca（OH）2迁移至表面后碳化形成。研究认为[5-6]，可利用粉煤灰[7]、偏高岭土[8-9]等具有火山灰效应的材料来消耗Ca（OH）2，以减少泛霜，但其不能根治并且会影响外观。另有研究指出[10]，通过表面防水处理可以有效减少泛霜，内掺防水剂利用憎水性有机基团封闭孔隙，进而阻止外部水浸入材料内部，降低可溶性盐的迁移。光亮剂和硅烷防水剂都是水泥及装饰材料的常用功能材料，但传统表征泛霜程度的方法具有主观性，缺乏定量分析，本文就此进行了相关的实验研究。

1 实验

1.1 原材料与实验配合比

P·W52.5水泥（C）：产自阿尔博波特兰（安庆）有限公司，化学成分见表1；氧化铁红颜料（YL）：产自乐清市溪边自动化有限公司；光亮剂（GLJ）：苏州市建筑科学研究院有限公司，由六甲基环三硅氧烷等多种高分子聚合物和无机电解质配制而成；防水剂：异丁基三乙氧基硅烷（YDJ）和异辛基三乙氧基硅烷（YXJ），有效含量均≥98.9%，北京蒙泰建材伟业有限公司；水（W）：自来水。

表1 水泥的化学成分

1.2 实验方法

实验配合比如表2所示。

表2 实验配合比 g

（1）试样制备。先将水泥、颜料通过行星式净浆搅拌机（JC/T 681—1997型）慢速搅拌2 min后加水，再慢搅1 min、快搅2 min，最后将水泥净浆浇筑于直径9 cm，高3 cm的圆饼形塑料模具中，手动振实、排空气泡，在实验室自然条件下[温度（20±5）℃，相对湿度（50±5）%]养护1 d后脱模。防水剂和光亮剂均预先溶于拌合水中。自然条件下养护90 d。

（2）热重分析（DTG-TG）。采用美国TA公司生产的STA 650型联合热分析仪，保护气氛为N2，升温速率为20℃/min。按照“米”字形分布取样，每个圆板试样上平均设9个点，以Φ0.6 mm钻头钻取样品，深度2 mm。

（3）压汞分析（MIP）。采用的压汞测孔仪型号为AutoporeⅣ9500。

2 实验结果与分析

2.1 试样外观

各组试块自然条件下养护90 d的外观如图1所示。

根据图1中各试样表面的颜色，按照由深至浅的情况，可以大致判断其泛霜程度依次为基准>2#试样>3#试样>1#试样。

图1 各试样外观

2.2 热重分析（见图2）

图2表明，在DTG曲线的100、450、740℃处分别有水分蒸发、C-S-H与AFt分解产生的3个明显的吸热峰，水泥水化产物氢氧化钙CH晶体的分解吸热峰，以及CaCO3的分解脱碳峰[11]。CaCO3来自水泥水化产物CH的碳化，因为测试样品取自试块表面，所以CaCO3的峰十分明显。TG曲线上600~800℃的质量损失为CO2的质量，通过分子质量可换算得到基准、1#、2#、3#试样中CaCO3的质量百分含量分别为40.34%、29.11%、34.00%、31.89%。添加光亮剂及2种防水剂均可以减少硅酸盐水泥泛霜的产生，其中光亮剂的抑制效果最为明显，可减少泛霜产物量11.23个百分点，内掺YGJ和YXJ分别减少泛霜量6.34个百分点和8.45个百分点。各试样CaCO3的含量实测值大小顺序与根据图1得到的泛霜程度完全对应。

图2 各试样的TG-DTG曲线

2.3 孔径分布

各试样的压汞实验测试结果如图3所示，对图3的数据进行分段统计，结果如表3所示。

图3 各试样的压汞实验结果

表3 孔径分布分析

从图3和表3看出，基准样和掺光亮剂试样的孔尺寸集中在0~1000 nm，掺GLJ试样的平均尺寸略大于基准样的，掺GLJ试样的孔径尺寸在50~200 nm时达到63.08%，而大于200 nm的孔为14.71%，远小于基准样的。有研究表明[12]，孔径小于20 nm时为无害孔，孔径在20~50 nm的为有害孔，孔径在50~200 nm的为少害孔，大于200 nm的为多害孔。这种划分是根据离子在不同孔径中的扩散与迁移速率来判断的，孔径大的扩散与迁移速率较快，因此可能对水泥石的侵害作用较大。上述结果说明，内掺光亮剂可以减少多害孔，增加少害孔，并且起到均匀细化材料孔结构的效果，从而减少水泥的泛霜产物向表面迁移。

从图3还可以看出，基准样和掺2种防水剂试样的孔径集中在0~1000 nm，但后两者中超出1000 nm的孔明显更多，基准、2#、3#试样中大于200 nm的孔分别为44.10%，47.73%和47.75%。当孔径大于1000 nm时，毛细水可以直接以液体的形式向外流，从而将内部的碱带到材料表面，这对硅酸盐水泥的泛霜是不利的，但是硅烷防水剂的掺入，一方面，可以在材料内部的微细孔和毛细孔中形成牢固的憎水性表面层，形成斥水性网状分子膜；另一方面，与水泥中的—OH反应，消耗掉水泥中的羟基，从而减少水泥的泛霜[13]。但是上述结果说明，内掺硅烷防水剂会增加体系内有害孔，使内部孔隙不均匀，对其耐久性不利。

3 结论

（1）添加光亮剂及2种硅烷防水剂均可抑制硅酸盐水泥的泛霜程度，其中掺光亮剂的抑制效果最为明显，可使泛霜产物量减少11.23个百分点，掺防水剂YGJ和YXJ使泛霜量分别减少6.34个百分点和8.45个百分点。各试样CaCO3的含量实测值大小顺序与其外观泛霜程度完全对应。

（2）光亮剂抑制泛霜的机理是其可细化水泥石的内部孔隙并减少有害孔含量；而2种防水剂则会增加有害孔含量，并导致内部孔隙尺寸不均；孔径尺寸对泛霜的影响程度比孔隙率更大。