硬脂酸钙和有机硅烷类粉末憎水剂对水泥基填缝剂性能的影响

周天正，蔡良飞，徐鹏，田晓航，杨铁龙，孔金鸣，柯伟席

（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430083；2.武汉源锦建材有限公司，湖北 武汉 430070）

0 前言

21世纪以来，建筑行业迎来了空前的发展，目前建筑行业处于高质量、低碳环保的发展阶段。人们对生活居住和工作环境的有了更高的要求，促进了建筑装饰材料的发展[1]。瓷砖是一种常用的装饰材料，由于瓷砖存在热胀冷缩现象，所以铺贴瓷砖时需要留膨胀收缩缝[2]。水泥基填缝剂就是填补瓷砖缝隙的材料。其优点一方面是有良好的装饰作用，能抵消瓷砖膨胀收缩带来的应力；另一方面是能有效防止水分侵入瓷砖与墙体接触位置导致产生难闻的气味或者发生瓷砖脱落。水泥基填缝剂正在由普通型向为低吸水型发展，低吸水型水泥基填缝剂主要是通过加入一些憎水组分，在制备过程中形成憎水薄膜，可以有效阻止水分浸入以及内部水分扩散。与此同时，表面形成的憎水薄膜并不会影响基体的透气性[3]。

常见的憎水组分大多为有机硅烷类憎水剂，此类憎水剂能降低水泥基填缝剂的吸水性。硬脂酸钙是一种有机化合物，可用作防水剂、润滑剂和塑料助剂，硬脂酸钙作为防水剂时具有良好的抗渗、抗侵蚀能力[4]。本研究以硬脂酸钙和有机硅烷类粉末憎水剂作为憎水组分，对比分析了硬脂酸钙和有机硅烷类粉末憎水剂对水泥基填缝剂性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：华新P·O42.5水泥，28 d抗压强度45 MPa；石灰石粉：200目；砂：河砂，70～140目；羟丙基甲基纤维素：黏度100 Pa·s；乳胶粉：8818型，乙烯/醋酸乙烯酯类，德国瓦克公司；硬脂酸钙A：工业级，武汉凌盛兴化工有限公司；硬脂酸钙B：工业级，武汉一枝花油脂化工有限公司；有机硅烷类粉末憎水剂：甲基硅酸钠粉末防水剂，郑州荣辉化工产品有限公司。

1.2 性能测试方法

水泥基填缝剂的性能按照JC/T1004—2017《陶瓷砖填缝剂》和GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》中的相关规定进行测试。

1.2.1 抗折、抗压强度

采用符合JC/T 681—2022规定的行星式搅拌机，按照JC/T17671—2021规定进行成型。按照JC/T 1004—2017规定的养护条件以及测试方法，测试水泥基填缝剂在标准试验条件下以及冻融循环25次后的抗折、抗压强度。

1.2.2 吸水量

按照JC/T 17671—2021规定成型，将试块放置于标准试验条件下养护，到达规定龄期后，按照JC/T 1004—2017测试水泥基填缝剂的吸水量。

1.2.3 耐磨值

按照JC/T 17671—2021规定成型，1 d后脱模，并将试块放置于标准试验条件下养护，养护到龄期后采用符合GB/T 3810.6—2016《陶瓷砖试验方法 第6部分：无釉砖耐磨深度的测定》要求的耐磨试验机进行测试。

1.2.4 收缩值

按照JC/T 17671—2021规定成型，1 d后脱模并作好标记，采用精度为0.01 mm的立式收缩仪测量在标准试验条件下养护27 d时填缝剂试件的初始长度L0，养护到28 d龄期后测量其长度L1。收缩值按式（1）计算：

式中：S——收缩值，mm/m；

L0——试件初始长度，mm；

L1——试件养护至28 d时的长度，mm；

L——试件本体的长度，为160 mm；

Ld——2个收缩头埋入试件的长度，为（20±2）mm。

1.3 试验配方设计

根据前期的试配试验，基本确定了水泥基填缝剂的试验配方。分别在水泥基填缝剂中采用不同掺量的硬脂酸钙A、硬脂酸钙B和有机硅烷类憎水剂，具体配方见表1。

表1 水泥基填缝剂的配方 kg/m3

2 不同憎水剂及其掺量对水泥基填缝剂性能的影响

硬酯酸钙和有机硅烷类粉末憎水剂对水泥基填缝剂强度、抗冻性、吸水性、耐磨及收缩的影响如表2所示。

表2 水泥基填缝剂的性能

2.1 硬脂酸钙、有机硅烷类粉末憎水剂对水泥基填缝剂强度的影响

由表2可见：

（1）在标准试验条件下，硬脂酸钙A、B和有机硅烷类粉末憎水剂在不同掺量时，水泥基填缝剂的28d抗折强度均大于2.5 MPa、抗压强度均大于15.0 MPa。随着硬脂酸钙A、B掺量的增加，水泥基填缝剂的抗折强度有所提高、抗压强度呈略微提高。这是因为硬脂酸钙的憎水效应，一方面，使水均匀分散到干粉料中，经过搅拌后水泥浆体水化更完全；另一方面，增大了水泥浆体的内聚力，提高了水泥基填缝剂的强度。随着有机硅烷类粉末憎水剂掺量的增加，水泥基填缝剂的抗折、抗压强度呈提高的趋势。而水泥基填缝剂中掺入有机硅烷类粉末憎水剂时，经加水搅拌后，一方面使水泥浆体水化更完全；另一方面有机硅烷类粉末憎水剂中的硅烷醇基团与水泥产物形成化学结合，提高了水泥基填缝剂的强度。

（2）经25次冻融循环处理后，在不同掺量硬脂酸钙A、B和有机硅烷类粉末憎水剂下，水泥基填缝剂的抗折强度均大于2.5 MPa，抗压强度均大于15.0 MPa。随着硬脂酸钙A、B掺量的增加，水泥基填缝剂的抗折、抗压强度呈略微下降。这是因为水泥基填缝剂经标准试验条件养护后，水泥水化已趋于完全，内部结构已趋于稳定。再经过冻融循环处理后，内部硬脂酸钙由于憎水效应，会在周围形成一圈小水珠，经过冻融循环处理，小水珠形成的孔隙逐渐增大，破坏了已经趋于稳定的内部结构，降低了水泥基填缝剂的强度。同样，随着有机硅烷类粉末憎水剂掺量的增加，水泥基填缝剂的抗折、抗压强度呈略微下降的趋势。这是由于，经过25次冻融循环处理后，一方面水泥基填缝剂中憎水剂的憎水效应破坏了已经趋于稳定的内部结构；另一方面硅烷醇基团与水泥产物形成的化学结构遭到破坏，降低了水泥基填缝剂的强度。

硬脂酸钙A与硬脂酸钙B相比，二者对水泥基填缝剂抗折、抗压强度的影响差异不大；硬脂酸钙A、B与有机硅烷类粉末憎水剂相对比，有机硅烷类粉末憎水剂对水泥基填缝剂抗折、抗压强度的影响相对较大。

2.2 硬脂酸钙、有机硅烷类粉末憎水剂对水泥基填缝剂吸水量的影响

由表2可见，随着硬脂酸钙A、B和有机硅烷类粉末憎水剂掺量的增加，水泥基填缝剂的30 min和240 min吸水量均减小。当未掺硬脂酸钙和有机硅烷类粉末憎水剂时，水泥基填缝剂的30 min吸水量为2.3 g，240 min吸水量为6.9 g，符合JC/T 1004—2017规定的普通型水泥基填缝剂30 min吸水量不超过5.0 g、240 min吸水量不超过10.0 g的要求。当硬脂酸钙A、B掺量分别为0.5%或有机硅烷类粉末憎水剂掺量为0.05%时，水泥基填缝剂的30 min吸水量分别为1.8、1.7、1.7g，240 min吸水量分别为4.5、4.5、4.2 g，符合JC/T 1004—2017规定的低吸水型水泥基填缝剂30 min吸水量不超过2.5 g、240 min吸水量不超过5.0 g的要求。

这是因为，硬脂酸钙会在水泥水化产物基体形成硬脂酸钙膜层，降低水泥石的亲水性，使水泥基填缝剂的吸水量减小；有机硅烷类粉末憎水剂中的甲基硅烷作为疏水的有机官能团附着在水泥基填缝剂孔隙的表面，形成憎水薄膜，从而提高水泥基填缝剂的疏水性，降低其吸水量[5]。

2.3 硬脂酸钙、有机硅烷类粉末憎水剂对水泥基填缝剂耐磨性能的影响

由表2可见，随着硬脂酸钙A、B和有机硅烷类粉末憎水剂掺量的增加，水泥基填缝剂的耐磨值呈减小的趋势，耐磨性逐渐提高。当未掺硬脂酸钙和有机硅烷类粉末憎水剂时，水泥基填缝剂的耐磨值为1520 mm3，符合JC/T 1004—2017规定的普通型水泥基填缝剂耐磨值不大于2000 mm3的要求；当硬脂酸钙A、B掺量分别为0.5%或有机硅烷类粉末憎水剂的掺量为0.05%，水泥基填缝剂的耐磨值分别为840、760、720 mm3，符合JC/T 1004—2017规定的高耐磨水泥基填缝剂耐磨值不大于1000 mm3的要求。

这是因为，硬脂酸钙的憎水效应，一方面，在搅拌过程中使水充分与水泥接触，促进了水泥水化，使水泥基体强度提高，而耐磨性一般与水泥基材料的抗折和抗压强度呈正相关；另一方面，增大了水泥浆体的内聚力，减小了水泥浆体内部的孔隙。掺入有机硅烷类粉末憎水剂时，在搅拌过程中有机硅烷类粉末憎水剂形成的硅烷醇基团会与水泥产物产生化学结合，能提高水泥基填缝剂的强度。因此，使水泥基填缝剂的耐磨性提高。

2.4 硬脂酸钙、有机硅烷类粉末憎水剂对水泥基填缝剂收缩值的影响

由表2可见，随着硬脂酸钙A、B和有机硅烷类粉末憎水剂掺量的增加，水泥基填缝剂的收缩值呈明显减小并趋于稳定。当硬脂酸钙A、B掺量为0.5%或有机硅烷类粉末憎水剂的掺量为0.05%时，水泥基填缝剂的收缩值分别为2.4、2.1、2.2 mm/m，符合JC/T 1004—2017的普通型水泥基填缝剂收缩值不大于3 mm/m的要求。

这是因为水泥基填缝剂中掺入硬脂酸钙和有机硅烷类粉末憎水剂时，在搅拌过程中可使水充分与水泥接触，促进了水泥水化，因而其内部的水分更多地参与水泥的水化进程。在标准试验条件下养护，会减少其内部水分失去的量，可减小其干燥收缩，因此减小了水泥基填缝剂的收缩值。

3 结语

（1）随着硬脂酸钙掺量从0增加到1.0%，及有机硅烷类粉末憎水剂的掺量从0增加到0.10%，水泥基填缝剂在标准试验条件下的抗折强度有所提高、抗压强度略微提高；经25次冻融循环处理后的抗折、抗压强度略微下降；30、240 min的吸水量和收缩值减小，耐磨性能提高。当硬脂酸钙掺量为0.5%及有机硅烷类粉末憎水剂掺量为0.05%时，水泥基填缝剂符合JC/T 1004—2017规定的低吸水、高耐磨性能指标。

（2）不同厂家生产的硬脂酸钙A、硬脂酸钙B和有机硅烷类粉末憎水剂在一定的掺量下对水泥基填缝剂性能的影响相似。综合考虑硬脂酸钙和有机硅烷类粉末憎水剂的价格，可根据实际应用情况，采用合适的憎水组分。

（3）水泥基填缝剂根据其使用环境，可能需要低吸水、高耐磨、快硬性和柔性等特殊指标中的一项和多项。而本文主要研究了其低吸水和高耐磨2项特殊指标，对于快硬性和柔性指标还需要进一步研究与探讨，以期能根据不同使用环境和性能指标要求研发出不同特殊性能的水泥基填缝剂。