疏水剂和防水剂对硫氧镁水泥胶凝材料性能影响的试验研究

朱效甲，朱倩倩，朱芸馨，朱玉杰

（济南市杰美菱镁建材研究所，山东 济南 250031）

0 引言

1 试验

1.1 原材料

轻烧氧化镁粉（MgO）：采用水合法测得其活性氧化镁含量为62.58%，细度通过0.075 mm方孔筛，含水率为3.68%，950℃烧失量为7.83%，主要化学成分见表1。

表1 轻烧氧化镁粉的主要化学成分 单位：%

工业七水硫酸镁（MgSO4·7H2O）:MgSO4·7H2O含量为99.87%，主要化学成分见表2。

河沙：主要技术指标见表3。

表3 河沙主要技术指标

锯木粉：细度通过1.2 mm方孔筛，含水率为6.38%，无霉烂变质。

柠檬酸（CA）：工业级，化工市场购买。

疏水剂S1、防水剂B2技术指标见表4。

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表4 疏水剂、防水剂技术性能指标

1.2 试验配方

结合前期试验，确定柠檬酸掺量为轻烧氧化镁质量的0.6%，疏水剂、防水剂掺量分别为氧化镁质量的0、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%。具体配比为m（MgO）∶m（河沙）∶m（锯木粉）∶m（CA）∶m（疏水剂或防水剂）∶m（硫酸镁溶液）=1∶1∶0.1∶0.006∶（0~0.03）∶0.86。

1.3 试件制备

将计量好的轻烧氧化镁粉、河沙、锯木粉预混合后倒入搅拌机，加入定量的硫酸镁溶液及CA改性剂，再加入S1或B2搅拌，制备成均匀的改性硫氧镁水泥胶凝材料料浆，分2次注入三联试模内，振动60 s，在自然环境中养护至规定龄期进行性能测试。

1.4 试验方法

水化硬化热效应的测试：采用多通路温度巡检仪记录不同养护时间硫氧镁水泥胶凝材料试块的水化热的释放情况。

力学强度参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（IOS法）》进行测试。

耐水软化系数及质量吸水率按式（1）、（2）计算：

式中：R—试件浸水14 d或28 d的抗折、抗压软化系数；R1—试件养护28 d的抗折或抗压强度，MPa；R2—试件浸水14 d或28 d的抗折或抗压强度，MPa；G—试件浸水14 d或28 d的质量吸水率，%；G1—试件养护28 d的质量，g；G2—试件浸水14 d或28 d的质量，g。

2 试验结果与分析

2.1 疏水剂、防水剂对硫氧镁水泥胶凝材料水化硬化热效应的影响

测试了疏水剂S1、防水剂B2不同掺量对硫氧镁水泥胶凝材料养护过程中的放热峰值温度和出现峰值温度的时间，结果见图1。

由图1可以看出，掺S1、B2的试件都是随掺量提高，养护峰值温度逐渐降低，出现峰值温度的时间逐渐延长。根据试验过程和S1、B2掺入后对料浆的影响观察分析，掺S1试件养护峰值温度降低及出现峰值温度时间延长是因为S1疏水剂具有一定的缓凝作用，而掺B2试件则是因为浆体密度降低、孔隙率增加所致。

图1 疏水剂S1、防水剂B2掺量对硫氧镁水泥胶凝材料硬化热效应的影响

2.2 疏水剂、防水剂掺量对硫氧镁水泥胶凝材料浆体密度的影响

硫水剂、防水剂掺量对硫氧镁水泥胶凝材料浆体密度的影响见图2。

图2 疏水剂、防水剂对硫氧镁水泥胶凝材料浆体密度的影响

由图2可以看出，随着S1掺量的提高，试件密度皆有不同程度的提高。掺B2的试件随掺量的提高，试件密度逐渐下降。其原因是由于B2防水剂在硫氧镁水泥胶凝材料中具有一定的引气和稳定气泡的作用，能够通过自身的引气功能，引入部分空气进入浆体，形成微小气泡，并将这些微小气泡完整的稳定和保护下来，导致随B2掺量提高，试件密度逐渐降低。

2.3 疏水剂、防水剂掺量对硫氧镁水泥胶凝材料力学性能的影响

疏水剂、防水剂掺量对硫氧镁水泥胶凝材料不同养护龄期抗折强度的影响，结果见图3。

由图3可以看出，随着S1掺量的提高，不同养护龄期的抗折强度均呈先提高后降低趋势，掺量为氧化镁质量的1.5%时，各养护龄期的抗折强度均提高。随着B2防水剂掺量的提高，试件各养护龄期的抗折强度逐渐降低，掺量为3.0%时，试件养护1 d、14 d、28 d的抗折强度分别较空白试件分别下降53.86%、46.28%和29.19%。S1掺量超过2.0%后，试件养护1 d的抗折强度皆低于空白试件，而养护至14 d、28 d的抗折强度皆高于空白试件。说明S1疏水剂掺量超过2.0%后，对硫氧镁水泥胶凝材料的早期强度会造成一定的负面影响。

图3 疏水剂、防水剂掺量对硫氧镁水泥胶凝材料不同养护龄期抗折强度的影响

疏水剂、防水剂对硫氧镁水泥胶凝材料不同养护龄期抗压强度的影响，结果见图4。

图4 疏水剂、防水剂对硫氧镁水泥胶凝材料抗压强度的影响

由图4可以看出：①试件养护1 d时，掺S1试件的抗压强度皆低于空白试件。掺B2的试件随B2掺量的提高，抗压强度逐渐降低，掺量为1.0%~1.50%时，降低幅度较大，随掺量的进一步提高，强度下降幅度变缓。掺量为3.0%时的抗压强度较空白试件降低54.33%。②试件养护14 d、28 d时，掺S1试件的抗压强度超过了空白试件，随掺量的提高，抗压强度呈先提高后降低的趋势，掺量为1.50%时，强度最高。掺B2的试件随养护龄期的延长，各养护龄期的抗压强度依然随掺量的提高而逐渐降低，但下降幅度有所变缓，没有1 d龄期时的下降幅度大。说明S1在硫氧镁水泥胶凝材料中具有明显的缓凝作用，导致试件早期强度较低，但后期却有增强效果。主要由于S1疏水剂在硫氧镁水泥浆料中不仅有消泡效果，还有一定的减水和润滑作用，能够减小材料颗粒之间的摩擦，提高料浆的和易性，提高料浆及试件的密度。此外，S1疏水剂还参与水化反应，抑制Mg（OH）2的生成，促进强度相5·1·7的生成，从根本上提高硫氧镁水泥的力学性能。而掺B2试件，无论掺量大小，试件强度都会不同程度的下降。

分析原因：①B2防水剂在硫氧镁水泥料浆中具有引气和稳定气泡的作用，导致试件密度降低，孔隙率提高。②B2防水剂含有甲基硅醇，甲基硅醇[2]会在材料表面形成一层不溶性高分子化合物-网状有机硅树脂膜，这层膜影响了材料之间的结构组成和结合力，从而降低了材料的力学强度。

2.4 疏水剂、防水剂掺量对硫氧镁水泥胶凝材料耐水性能的影响

疏水剂、防水剂掺量对硫氧镁水泥胶凝材料不同浸水龄期抗折软化系数的影响，结果见图5。

由图5（a）可以看出，掺S1、B2的试件浸水14 d的抗折软化系数均呈先提高再缓慢降低的趋势，最佳掺量为氧化镁质量的1.5%，此掺量时，掺S1、B2的试件抗折软化系数较空白试件分别提高20.24%、23.81%。由图5（b）看出，掺S1试件浸水28 d的抗折软化系数较空白试件皆有大幅度的提高，掺量为2.50%时，提高幅度较大，掺3.0%时的抗折软化系数较掺量为1.50%时降低11.24%，但较空白试件提高17.91%。B2防水剂掺量小于2.0%时，试件浸水28d软化系数较空白试件均有大幅度提高，但掺量为3.0%时的抗折软化系数较空白试件只提高了0.3%。

图5 疏水剂、防水剂对硫氧镁水泥抗折软化系数的影响

疏水剂、防水剂掺量对硫氧镁水泥胶凝材料不同浸水龄期抗压软化系数的影响，结果见图6。

图6 疏水剂、防水剂对硫氧镁水泥胶凝材料抗压软化系数的影响

由图6可以看出，掺S1、B2的试件不同浸水龄期的抗压软化系数皆呈先提高后降低的趋势，其拐点掺量都为氧化镁质量的1.5%，此掺量时，掺S1、B2试件浸水14 d的抗压软化系数，较空白试件分别提高25.0%、14.47%，浸水28 d的抗压软化系数较空白试件分别提高27.94%、19.12%。综上，掺S1的试件耐水性要好于掺B2的试件。分析原因：S1疏水剂参与了硫氧镁水泥的水化反应，抑制了低强度、不耐水的Mg（OH）2的生成，促进了5·1·7强度相的生成，从根本上解决了材料的耐水问题。而B2防水剂在硫氧镁水泥胶凝材料中基本不参与反应，只是以封堵和屏蔽的方式达到防水的目的。再加上掺入B2后的试件密度降低，孔隙率提高，很难完全达到理想化要求，从而影响其防水性和耐久性。

2.5 疏水剂、防水剂对硫氧镁水泥胶凝材料不同浸水龄期质量吸水率的影响。

疏水剂、防水剂对硫氧镁水泥胶凝材料不同浸水龄期质量吸水率的影响见图7。

图7 疏水剂、防水剂对硫氧镁水泥胶凝材料质量吸水率的影响

由图7可以看出，掺S1试件不同浸水龄期的质量吸水率皆先降低再提高，其拐点掺量为氧化镁质量的2.5%，此掺量时，试件浸水14 d、28 d的质量吸水率较空白试件分别降低42.86%、52.41%。掺B2试件掺量为1.0%时，浸水14 d质量吸水率，较空白试件降低27.27%，浸水28 d时，掺量为1.5%时的质量吸水率较空白试件降低24.89%。相同浸水龄期时，掺S1的试件要比掺B2的试件降低21.43%和36.63%。其原因是S1疏水剂能够抑制耐水性差的Mg（OH）2的生成，并能通过改变内部毛细孔的表面张力，降低其质量吸水率[2]，再加上它的消泡功能，使得试件硬化体结构更加致密。而B2防水剂在硫氧镁水泥胶凝材料中，能够引气和稳泡，导致试件孔隙率提高，再加上B2防水剂在试件内部的空洞、孔隙及毛细管璧上的封堵效果并不一定十分完美，会产生一些漏洞或薄弱环节。以上多种原因都会导致B2试件质量吸水率S1试件提高。

3 结论

（1）S1疏水剂、B2防水剂掺入硫氧镁水泥胶凝材料中，都会导致试件养护峰值温度降低，出现峰值温度的时间延长，其主要原因是S1疏水剂的缓凝作用及B2防水剂的引气稳泡作用。

（2）由于S1疏水剂的缓凝作用，掺量为3.0%时，养护1 d的抗折强度和抗压强度较空白试件分别降低15.0%和8.28%，但是能够大幅度提高试件的后期强度。

（3）由于B2防水剂具有引气和稳泡功能，会导致试件密度随掺量提高而降低，同时能够大幅度降低试件力学强度。

（4）S1疏水剂、B2防水剂都能够大幅度提高硫氧镁水泥胶凝材料的耐水性，降低质量吸水率。