0 前言
石膏砌块是以建筑石膏或化学石膏为主要原料，经料浆拌和、浇注成型、自然干燥或烘干等工艺制成的轻质块型隔墙材料。石膏砌块在干燥状态时，其抗压强度为6～10 MPa，而石膏砌块一个致命的弱点是防水性差，在吸水后强度损失可达70%，并且极易发生翘曲变形，使其应用受到限制，因而防水石膏的研究一直是国内外颇受重视的课题。为解决石膏砌块受潮后强度降低、易翘曲变形等防水性差的问题，各国采取了各种途径和措施进行石膏防水性的研究，总体可以归纳为3 个方面：（1） 在砌块表面涂覆或浸渍憎水物质或涂刷防水涂料；（2）在石膏中掺加磨细矿渣或火山灰质材料，提高砌块的软化系数；（3）在石膏中掺加水乳型的防水剂，改善砌块的防水性能。第1 种方法简单易行，若能严格操作，可以取得较为理想的防水效果，但是一旦被涂覆的表面或局部出现缺陷，裸露的石膏在遇水时溶蚀，甚至剥落，降低防水性能；第2 种方法是石膏与活性混合材混合、水化后，相互反应生成了水化硫铝酸钙等水化产物，虽然提高了防水性能，但是由于掺加了火山灰质材料致使砌块的白度降低，影响其装饰性，并且容易造成砌块后期发生开裂；第3 种方法则既能保持石膏砌块的装饰效果，又能达到防水的目的。
目前，国外进口石膏防水剂主要为有机硅、硅油类高档防水剂，其添加量小，防水效果好，但价格昂贵；国内主要为石蜡乳液、松香乳液类防水剂，其添加量大，一般在8%左右；储存稳定性较差，一般贮存期为3 个月。而乳化含氢硅油与高分子材料复合制备的石膏防水剂，防水效果好，添加量低，不仅可以有效地形成防水膜，还能使石膏砌块的强度、粘结性、软化系数均有很大提高。
1 实验
1.1 材料与仪器
甲基硅油：QLS-201，运动黏度（25 ℃）（20±2）mm2/s，折光率（25 ℃）1.3980～1.4020，相对密度0.946～0.955；含氢硅油：QLS-202，运动黏度（25 ℃）10～50 mm2/s，含氢量0.1%～1.5%；Tween-80：羟值68～85，pH 值6.0～7.0，HLB 值15.6；Span-80：羟值193～210，HLB 值4.3；OP-10：pH 值（1%水溶液）6～7，HLB值14.5，浊点61～67 ℃；丙烯酸酯聚合物乳液：pH 值4.0～5.0，黏度（25 ℃）500～1000 mPa·s，低成膜温度不高于5 ℃，粒径2 μm；PVA 改性胶：浓度6%，醇解度99%，聚合度2000。GFJ04A-高速分散机；SAⅠ-3 型实验室高剪乳化机；FA2004A 电子天平：大称量200 g，d=0.1 mg；LP3102 电子天平：d=0.01 g；LD4-2A 离心机；DH-101 电热恒温鼓风干燥箱；SJ2-160 型水泥净浆搅拌机；DY-208 型全自动水泥强度
试验机；FBK-5000N 型非金属薄板抗折机。
1.2 含氢硅油乳化液的制备
1.2 含氢硅油乳化液的制备
由于含氢硅油与水不相溶，应先加入HLB 值合适的表面活性剂进行乳化，再将水慢慢加入，几种表面活性剂加入顺序对乳化硅油黏度、粒径具有一定的影响。通过试验确定，首先加入HLB 值较小的油溶性表面活性剂Span-80，然后再依次加入HLB 值较大的水溶性表面活性剂Tween-80、OP-10，待搅拌均匀后慢慢将水加入，高速搅拌分散。具体乳化工艺过程如下：
首先将计量好的含氢硅油加入搅拌器中，启动高速搅拌机，将Span-80 和Tween-80、OP-10 乳化剂按比例依次加入搅拌器中搅拌10 min，然后将水慢慢加入并高速搅拌20 min，使含氢硅油分散于水中成为均匀的乳化液，后将分散均匀的乳化液利用高剪切乳化机进行乳化10 min，使乳化液的粒径达到0.5～1.0 μm，黏度为200～500 mPa·s（25 ℃）。
1.3 石膏防水剂的制备
配制石膏防水剂应考虑到石膏料浆的稠度，稠度大，砌块成型时不利于气泡逸出；稠度小，水蒸发后形成的贯通气孔很多，砌块的尺寸稳定性较差。本项目采用表面活性剂乳化含氢硅油作为石膏的憎水剂，使硬化体内部颗粒表面形成防水层；利用高分子聚合物乳液形成阻水膜，并利用柠檬酸盐缓凝剂降低高分子聚合物在水中的溶胀性，通过改性并调整防水剂黏度，以提高其稳定性。复合型石膏防水剂可使石膏制品的吸水率小于5.0%，优于GB 9777—88《装饰石膏板》中优级品性能指标。加入3%复合防水剂时，石膏砌块的软化系数大于0.7，优于JC/T 698—1998《石膏砌块》的技术要求。具体工艺过程为：称取适量的丙烯酸酯聚合物乳液和改性胶加入到水中，启动搅拌机，边搅拌边慢慢加入已乳化好的含氢硅油乳化液、促凝剂、消泡剂、防腐剂等助剂，搅拌约15 min，检测防水剂黏度、pH 值、固含量等指标，经检测合格即可包装。
1.4 样品的制备和吸水率、软化系数测试
根据实验配比称量原料，水灰比控制在标稠的110%～115%，在搅拌锅内搅拌均匀，浇注到尺寸为20 mm×20 mm×20 mm 的模具中，轻微振荡后，手工刮平，即为成型所需试件。1 h 后轻轻卸下模具，将试件放在（40±2）℃的烘箱内烘干，直至恒重后再升温到（70±2）℃保温1 h，然后将样品取出放入干燥器中冷却至室温。分别称量试件的干质量后，常温下浸在自来水中，测试其2 h 后的吸水率变化。软化系数测量所用试模为40 mm×40 mm×160 mm，试件的烘干条件与测吸水率的试件相同，将试样在水泥强度试验机上测试抗压和抗折强度，计算其软化系数。试制的防潮型石膏砌块干燥后，利用非金属薄板抗折机测试砌块干燥和浸水24 h 的断裂荷载，计算砌块的软化系数。
2 结果与讨论
2.1 石膏砌块防水剂憎水物的选择
石膏砌块的防水性差，其主要原因是石膏砌块生产过程中掺加的水量远大于理论需水量，这部分多余的水分在石膏硬化体硬化后从石膏硬化体中逸出，从而在石膏砌块中留下大量的孔隙和毛细孔，这是石膏砌块易于吸水的重要原因，毛细管作用的推动力可用式（1）表示：
式中：γLC———液体-固体表面张力；
θ———浸润角；
r———毛细孔的孔半径。
由式（1）可以看出，若θ<90 ℃，则△P<0，水可以通过毛细管作用进入石膏内；若θ>90 ℃，则△P>0，石膏表面表现出憎水的性质。据此，可以通过改变水与石膏毛细孔的浸润角入手，改变石膏的憎水性质。目前，常用的石膏憎水物质有硅油类和石蜡类产品，其中，硅油主要包括二甲基硅油和含氢硅油。不同硅油及石蜡物质对石膏吸水率和强度的影响见图1 和图2。
由图2 可以看出，随着憎水剂的增加，石膏的抗折强度降低。说明憎水剂会影响石膏砌块的强度，所以应选择憎水效果明显，添加量少，对石膏砌块强度影响较小的憎水剂。由试验结果可见，含氢硅油作为防水剂的憎水物质较理想。
2.2 乳化硅油体系HLB 值的确定
2.2 乳化硅油体系HLB 值的确定
HLB 值是一个用来衡量表面活性剂中亲水或亲油部分对其性质所作贡献大小的物理量，一般情况下，非离子型表面活性剂的HLB 值介于0~20 之间，HLB 值越低，表明其亲油性越强，反之，则亲水性越强。
由于表面活性剂的HLB 值具有可加性，因此，混合表面活性剂的HLB 值可按式（2）计算：
式中：k———单一表面活性剂的HLB值；
a———该表面活性剂所占百分比。
选用不同表面活性剂作为含氢硅油的乳化剂，调整乳化硅油体系的HLB 值，使乳化含氢硅油分散体具有良好的贮存稳定性。乳化硅油HLB 值与贮存稳定性的关系见表1。
由表1 可见，选用与被乳化物质接近或与之相同的HLB值的乳化剂混合物，可制得稳定的水分散体，如Span-80 的HLB 值为4.3，Tween-80 的HLB 值为15.6，OP-10 的HLB 值为14.5，三者比例为35∶50∶15，则该混合物的HLB 值为4.3×35%+15.6×50%+14.5×15%=11.48，通过这种方法乳化制成的乳状液分散体，分散均匀，稳定性高。
2.3 乳化工艺对乳化硅油粒径及稳定性的影响
2.3 乳化工艺对乳化硅油粒径及稳定性的影响
2.3.1 乳化工艺的影响
乳化硅油体系的HLB 值确定后，采用不同的乳化工艺对乳化硅油的粒径及稳定性具有一定的影响（见表2）。
由表2 可见，先采用高速分散机高速分散，后利用高剪切乳化机乳化，则乳化含氢硅油粒径细，颗粒粒径为0.5~1.0μm，分散均匀，稳定性好。
2.3.2 含氢硅油含量的影响
含氢硅油作为石膏防水剂中的关键憎水成分，主要通过不同表面活性剂乳化而制得的均匀稳定的分散体，其含量对乳化硅油粒径、石膏吸水率和成本产生不同的影响见图3。
由图3 可见，含氢硅油含量增加，乳化硅油分散体的粒径增大，成本增加，而石膏的吸水率降低（乳化含氢硅油添加量为石膏的0.3%~0.5%），当含氢硅油含量为20%~30%时，乳化硅油的粒径、成本和石膏的吸水率综合性能较好。
2.4 石膏防水剂聚合物的选择
在试验过程中发现，虽然石膏中加入含氢硅油后，能赋予石膏较好的憎水性，在水中浸泡2 h 后，添加了乳化硅油憎水剂的石膏吸水率具有较明显的降低，但其干抗折、抗压强度均稍降低。可以认为，由于乳化硅油有效阻碍了水分向石膏试件内部侵入，从而提高石膏的防水性。但是，它的加入会影响石膏砌块的强度，所以应添加适量的高分子聚合物乳液以提高砌块的抗折、抗压强度。选择提高石膏砌块强度的高分子聚合物品种，关键是聚合物乳液性能的好坏，表3 就市场上不同聚合物乳液的主要性能指标进行分析研究。
由图4 可见，纯石膏的干强度较掺加乳化硅油、乳化硅油与聚合物复合防水剂的石膏强度高，但掺加乳化硅油与聚合物复合防水剂的石膏比单纯加入乳化硅油憎水剂的石膏干强度有了较大提高，与纯石膏强度接近，且石膏的软化系数远远高于前两者。
2.5 促凝剂对石膏凝结时间的影响
虽然加入石膏防水剂可提高石膏砌块的软化系数，但是防水剂不但影响石膏的强度，而且对石膏具有缓凝作用，所以应通过合适的促凝剂来调整石膏的凝结时间。常用的石膏促凝剂主要有硫酸钾，其添加量对石膏凝结时间的影响见表4。
由表4 可知，促凝剂添加量为0.3%~0.4%时，可明显调整石膏的凝结时间，满足生产要求。
2.6 石膏防水剂在防潮型石膏砌块中的应用研究
根据实验室试验结果，进行了以下几组防水剂不同掺量的防潮型石膏砌块中试。主要原料天然石膏粉、脱硫石膏粉的性能：品位≥75%（CaSO4·2H2O），标准稠度（W/P）≥65%，细度为80~100 目筛余≤5%，初凝8~10 min，终凝10~15 min，抗折强度（2 h 湿）≥1.8 MPa；工艺参数：砌块规格600 mm×500mm×100 mm，每块砌块抽芯孔6 个，孔直径60 mm；水灰比0.80，搅拌时间（从投料开始到浇注成型）1.33 min，2~3 min 脱模；工艺过程：计量配料→搅拌混合→刮浆→凝固与脱模→夹具搬运→烘干→码放入库。制备的防潮型石膏砌块经北京建材质检站检测，其性能指标见表5。
由表5 可见，当防水剂的添加量为3%时，防潮型石膏砌块的软化系数、断裂荷载、表观密度及砌块尺寸等性能满足JC/T 698—1998《石膏砌块》的技术要求。防潮型石膏砌块照片见图5。
3 结语
（1）石膏砌块防水剂以含氢硅油为主要基料，以OP-10、Tween-80 和Span-80 为防水剂的乳化体系，使防水剂的HLB值为10～11，通过高剪切乳化机乳化制成稳定的硅油水乳液，确定含氢硅油含量为27%。
（2）以丙烯酸乳液和改性胶为成膜物，在石膏砌块内形成一层阻水膜，降低石膏砌块的吸水率，提高砌块的防水性能。乳液和改性胶的适宜添加量为30%～40%。
（3）以硫酸钾作为防水剂的促凝剂，可明显调整石膏的凝结时间，其添加量为0.3%。
（4）采用水乳型含氢硅油作为防潮型石膏砌块的防水剂，当添加量为3%时，石膏砌块软化系数可达0.7 以上，且对砌块的断裂荷载影响很小。
（5）根据防水剂的固含量，实际加水量应减去防水剂中含水量，即实际水灰比应减少，一般水灰比降低5%～10%。
（3）以硫酸钾作为防水剂的促凝剂，可明显调整石膏的凝结时间，其添加量为0.3%。
（4）采用水乳型含氢硅油作为防潮型石膏砌块的防水剂，当添加量为3%时，石膏砌块软化系数可达0.7 以上，且对砌块的断裂荷载影响很小。
（5）根据防水剂的固含量，实际加水量应减去防水剂中含水量，即实际水灰比应减少，一般水灰比降低5%～10%。
