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慧正資訊：由于物理性質的不相容和化學反應，空鼓和脫落問題阻礙了建筑石膏和水泥基材料之間的搭配使用。界面劑是緩解上述問題的有效方法之一。然而，由于界面劑的種類繁多，明確界面劑在不同場景下的篩選策略和應用方案仍是一大難題。因此，本文研究探討了幾種市面上常見的界面劑在不同應用場景下的粘結性能。結果表明，在水泥基材/石膏自流平砂漿中，聚醋酸乙烯酯類界面劑會造成負面影響。在石膏基材/水泥砂漿中，玻璃化轉變溫度較低的（Tg≤0 ℃）的界面劑（苯丙類型）對粘結性能的增強效果最為明顯。同時，綜合吸水量和乳液含量的測試，當界面劑A為20%時，界面劑對粘結性能的增強效果最佳。在石膏基材/瓷磚膠的應用上，各類型的界面劑對粘結性能均會有一定的提升。此外，本研究進一步探討了三種常用助劑對乳液性能的影響。結果表明，市面上常用的增稠劑250HBR和潤濕劑LCN-407均會對界面劑A造成一定的負面影響，而分散劑SN-5040可以明顯提升界面劑A的粘結性能。
關鍵詞：建筑石膏、水泥、界面劑、粘結性能、應用場景
作者| 胡兆頌、譚海金、黃莉恒、劉燕
前言
隨著建筑工程技術的發展，建筑基層的種類及功能呈現出多元化的發展趨勢[1]。伴隨著種類及規格的增加，建筑市場對不同基層之間的界面粘結性能提出來更高的需求。其中，石膏因輕質、保溫、隔音等優點，被廣泛應用于建材工程領域。然而，由于吸水量、彈性模量和化學反應等問題，建筑石膏與水泥基材料之間的粘結效果相對較差，這阻礙了建筑石膏的進一步應用拓展。
目前，建筑石膏的主要應用場景分為水泥基材/石膏自流平砂漿、石膏基材/水泥砂漿、石膏基材/瓷磚膠等。針對上述基層中出現空鼓和脫落的現象，在基層之間增設界面層可以有效地提高基層之間的粘結性能[2]。界面劑的種類繁多，主要可以分為干粉型界面劑和乳液型界面劑。其中，聚丙烯酸類乳液性能卓越，漸漸成為了發展最快的一種乳液。聚丙烯酸類乳液作為界面劑可以有效地提高界面相容性和粘結性能，并提高復合材料的整體強度及耐久性[2,3]。然而，選擇不恰當的界面劑不僅無法增加粘結性能，甚至會起到負面效果。因此，在不同應用場景下，明確界面劑的適配性已經成為近年來界面劑發展的一大難題[4,5]。
本文以市面上常用的界面劑為基準，在水泥基材/石膏自流平砂漿、石膏基材/水泥砂漿、石膏基材/瓷磚膠等界面進行了粘結性能的測試和界面探究。針對不同體系的界面劑及其應用場景進行一系列的應用測試和機理分析。通過實驗設計和數據分析，明確了界面劑在不同場景下篩選策略和應用方案，這對界面劑應用領域的拓展有著重要的發展意義。
01 實驗部分
1.1實驗材料
界面劑A（苯丙乳液、玻璃化轉變溫度Tg為27±2 ℃、乳液粒徑為0.1-0.2μm）、界面劑B（無機復合型乳液）、界面劑C（苯丙乳液、Tg為16±2 ℃、乳液粒徑0.1-0.15μm）、界面劑D（苯丙乳液、Tg≤0 ℃、乳液粒徑0.25-0.35μm）、界面劑E（苯丙乳液、Tg≤0 ℃、乳液粒徑0.1-0.2μm）由巴德富集團有限公司生產。苯丙乳液型界面劑F、聚醋酸乙烯酯類白乳膠型界面劑G和有機硅改性苯丙型界面劑H為市面上常用的界面劑。實驗選用的增稠劑為亞什蘭250HBR（三萬羥乙基纖維素醚），潤濕劑為科萊恩LCN-407，分散劑為諾普科SN-5040。425水泥由英德海螺塑料包裝有限公司生產。中國ISO標準砂購自廈門艾思歐標準砂有限公司。實驗采用的40cm×40cm×4cm的混凝土板由上海增司工貿有限公司生產。實驗中的DY·EP型環氧由湖南把兄弟新材料股份有限公司提供。中性硅酮耐候密封膠（合志793-A）來自廣東匯禧五金實業有限公司。實驗中使用的石膏自流平（HS200）由湖北嘉貝樂建材有限公司生產。C0瓷磚膠和墻固型界面劑購自德高建材有限公司。
1.2試件制備
1.2.1水泥基材/石膏自流平砂漿
首先，將界面劑分區刷涂（120gm-²）在40cm×40cm的混凝土板上。隨后，將拉伸粘結模框（內部為50mm×50mm×5mm）置于混凝土板上，將配好的自流平砂漿（粉料：水為1:0.4）倒入模框中并刮平，在標準條件下放置24h后去除模框。養護6d后用環氧樹脂將拉拔頭粘結在樣品上面，24h后進行無處理粘結強度的測試，拉伸速度為5mm min-1。
1.2.2石膏基材/水泥砂漿
首先，在40cm×40cm混凝土板上刷涂一層墻固界面劑。墻固界面劑干燥后，將石膏自流平砂漿倒入伸粘結模框（內部為50mm×50mm×5mm）中并刮平。干燥2d后，刷涂測試用的界面劑（120gm-²）。界面劑干燥后，放置伸粘結模框（內部為40mm×40mm×5mm），并將配置好的水泥砂漿（水泥：砂：水為1:1:0.2）倒入模框中。養護7d后進行粘結強度測試。
1.2.3石膏基材/瓷磚膠
制備方法與石膏基材/水泥砂漿的制備方法相似。先在40cm×40cm混凝土板上制備石膏基材。養護2d后，將測試用的界面劑（120gm-²）涂刷在石膏基材上。界面劑干燥后，通過40mm×40mm×5mm的伸粘結模框，將瓷磚膠（粉料：水為1:0.24）置于界面劑之上。養護7d后進行粘結強度測試。
1.3測試方法
1.3.1粘結拉伸強度測試
使用砂漿拉拔試驗儀，以5mm min-1的拉伸速度進行測試。
1.3.2 24h吸水量測試
首先，將界面劑以120gm-²的涂覆量，涂刷至基層表面。養護6d后，使用密封膠，將卡斯通管粘結至界面劑之上。1d后，倒入自來水至0刻度，24h后進行讀數。實驗結果取中位數（參考JC/T 468-2015）。
02 結果與結論
2.1界面劑在建筑石膏/水泥界面的作用及其機理
圖1.石膏基材/水泥砂漿界面
建筑石膏的主要化學組成為硫酸鈣的不同結晶物及其水合物。當建筑石膏與水泥作為兩種基材并搭配使用時，由于物理及化學性質的不相容，會導致界面強度的下降（如圖1所示）。
3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O+2CaSO4·2H2O+16H2O→
3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O (a）
首先，當石膏基材上涂覆水泥砂漿時，石膏中的硫酸鈣會與水泥水化過程中產生的鋁相（C3A、CAH、AFm）反應并生成鈣礬石（3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O）。然而，單硫型鹽向鈣礬石轉換的過程會導致固相體積的增加（從312.7mLg-1增加到714.9mLg-1）[6]。石膏與水泥砂漿接觸時，會向水泥砂漿釋放硫酸根離子，進而促進氫氧化鈣向硫酸鈣轉換。該過程也會造成固相體積的增加從（33.2mLg-1增加到74.2mLg-1）[6]。因此，石膏基材/水泥砂漿界面可能發生膨脹和開裂等破壞。其次，石膏基材的高吸水量會影響界面處水泥的水化過程，使水泥的水化不完全并降低界面強度。最后，彈性模量、熱膨脹系數的差異和鈣礬石的熱解（70℃就會出現分解現象），會對石膏/水泥界面的粘結強度造成負面影響[7]。
界面劑可以隔絕建筑石膏與水泥之間的不良接觸，并提高建筑石膏/水泥界面的粘結強度。
2.2水泥基材/石膏自流平界面劑的選擇及其作用機理
圖2. 不同界面劑下，水泥基材/石膏自流平砂漿的粘結強度
為了探討各類型界面劑對水泥基材/石膏自流平砂漿界面粘結性能的影響，界面劑A（Tg為27±2℃、苯丙類型）、界面劑B（無機復合類型）、界面劑C（Tg為16±2℃、苯丙類型）、市面上常用的界面劑F（苯丙類型）、界面劑G（聚醋酸乙烯酯類型）被用于提高水泥基材/石膏自流平砂漿之間的粘結性能。如圖2所示，除了界面劑G，其他類型的界面劑均可以達到良好的粘結效果。顯然，聚醋酸乙烯酯類界面劑用于水泥基層/石膏自流平界面時，會對界面的粘結性能造成負面影響（~0.46MPa）。Zhihui Lin的研究表明，聚醋酸乙烯酯（PVAc）在堿性條件會發生水解，并生成聚乙烯醇和醋酸鈣[8]。因此，聚醋酸乙烯酯型白乳膠作為界面劑時，自流平砂漿的流動性及堿性環境，會破壞界面劑G的表面官能團并對粘結性能帶來負面效果。
表1. 以無石棉水泥纖維加壓板為基材，涂刷不同界面劑后的24h表面吸水量。
如表1所示，涂刷界面劑A后，基材的表面吸水量最優（僅為0.35mL）。因此，界面劑A可以有效地降低基材吸水量。綜合24h吸水量和無處理粘結強度分析，水泥基材在吸水量上對石膏自流平砂漿的水化過程影響不大。
圖3. （a）不同含量的界面劑A對水泥基材/石膏自流平砂漿的影響；（b）熱處理下，不同含量的界面劑A對水泥基材/石膏自流平砂漿的影響
為了進一步了解界面劑對水泥基材/石膏自流平砂漿粘結性能的影響，對不同乳液含量的界面劑及熱處理后的粘結性能進行了粘結強度測試。結果表明，隨著乳液含量的增加，粘結強度得到了明顯的提升。由于水泥和石膏之間的熱膨脹系數不一致、鈣礬石的分解，熱處理后的粘結強度會明顯下降。未涂刷界面劑的空白樣品甚至會直接脫落。因此，涂刷界面劑可以有效地降低熱處理帶來的負面影響。總之，乳液含量的增加會提高水泥基材/石膏自流平砂漿的粘結強度，且界面劑A會有效提高界面的熱穩定性。
圖4. 不同界面劑下，石膏基材/水泥砂漿的粘結強度
為了表征不同類型的界面劑對石膏基材/水泥砂漿的粘結強度的作用，實驗對比了界面劑A（Tg為27±2 ℃、苯丙類型）、界面劑B（無機復合類型）、界面劑D（Tg≤0 ℃、乳液粒徑0.25-0.35μm、苯丙類型）、界面劑E（Tg≤0 ℃、乳液粒徑0.1-0.2μm、苯丙類型）、市面上常用的界面劑F（苯丙類型）、界面劑G（聚醋酸乙烯酯類）之間的性能差異。結果表明（如圖4所示），Tg≤0 ℃類型的界面劑D與界面劑E對粘結性能的提高最為明顯（~1.49MPa）。界面劑的Tg主要由共聚物的組成決定。相對較低的Tg會增加聚合物的粘流性、流動性和基材間的潤濕效果[9]。Tg較低類型的界面劑可以更好地嵌入石膏基材，形成有效的機械咬合并增加粘結強度。因此，界面劑D和界面劑E在粘結性能的提升上更為顯著。
圖5. （a）不同乳液含量的界面劑A對石膏基材/水泥砂漿粘結性能的影響；（b）不同助劑下，界面劑A對石膏基材/水泥砂漿粘結性能的影響
如圖5和表2所示，當乳液含量達到20%時，粘結強度得到顯著提升（從0.98Mpa增加至1.67MPa）且24h表面吸水量最佳（0.1mL）。有效成分的增加和吸水量的減少可以增加界面劑A對石膏基材/水泥砂漿的粘結性能。
此外，為了研究增稠劑、分散劑、潤濕劑對粘結性能的影響，本文評估了市面上常用的增稠劑250HBR、分散劑SN-5040及潤濕劑LCN-407對界面劑A粘結性能的影響。結果表明，增稠劑250HBR和潤濕劑LCN-407的加入均會造成粘結性能的下降。一方面，增稠劑會降低界面劑的流動性，這會使界面劑對基材的潤濕效果和機械咬合帶來負面影響。此外，LCN-407（烷基聚氧乙烯醚型聚合物）分子鏈中的聚氧乙烯醚可以降低乳液的表面張力并提高界面劑對基材的潤濕效果。但其分子中的烷基會增加乳液的稠粘性和剪切增稠性，并對界面的機械咬合能帶來負面影響[10]。總體之下，LCN-407對界面劑A的粘結性能呈現出了負面影響。與此相對，聚羧酸鈉鹽（SN-5040）作為陰離子表面活性劑，具有卓越的潤濕分散特性并改善界面劑的流動性。因此，SN-5040通過降低表面張力、靜電排斥、空間位阻等方式，有效地改善界面劑的流動性和基材的潤濕效果，以此提高界面劑A的粘結性能。總而言之，在石膏基材/水泥砂漿界面，乳液含量的增加和分散劑SN-5040的加入可以有效地提高界面劑的粘結性能。
表2. 以無石棉水泥纖維加壓板為基材，涂刷不同含量界面劑A后的24h表面吸水量。
2.4石膏基材/瓷磚膠界面劑的選擇及其作用機理
為了進一步探討界面劑對建筑石膏/水泥界面的影響，實驗研究了界面劑A、界面劑B、界面劑C和界面劑H（硅改性苯丙乳液）對石膏/水泥基瓷磚膠界面的影響（如圖6所示）。結果表明，各類型的界面劑對石膏/瓷磚膠界面的粘結強度均有所提升（0.67MPa提高至0.87MPa），但粘結性能的提升不高。這可能是因為瓷磚膠中的膠粉將無機組分連接在一起并形成網絡結構[11]。該過程會降低石膏基材與水泥形成鈣礬石及基材吸水量大造成的影響，并提高瓷磚膠與石膏間的粘結強度。因此，界面劑的引入可以在一定程度上增加石膏/水泥基瓷磚膠的交聯程度，但粘結強度的提升相對有限。總之，苯丙類型及無機復合類型界面劑均會對石膏/水泥基瓷磚膠的粘結強度有一定的提高。
03 結語
針對建筑石膏/水泥材料間相容性較差的問題，本文通過引入不同類型的
界面劑，研究界面劑在不同應用場景下的適配性。結果表明：
在水泥基材/石膏自流平砂漿界面，聚醋酸乙烯酯類界面劑會帶來負面影響，僅能達到0.43MPa。
在石膏基材/水泥砂漿界面，玻璃化轉變溫度（Tg≤0 ℃）較低的界面劑對粘結強度的提高效果最佳。同時，綜合吸水率和乳液含量的測試，當界面劑A為20%時，界面劑對石膏基材/水泥砂漿的增強效果最佳。
除此之外，本文針對助劑進行了進一步研究。結果表明，纖維素類型的增稠劑250HBR和烷基聚氧乙烯醚型潤濕劑LCN-407均會對界面粘結效果造成負面影響，而聚羧酸鈉鹽分散劑SN-5040可以有效提高界面劑A的粘結性能。
在石膏基材/瓷磚膠的應用上，苯丙類型的界面劑僅對粘結性能有一定的提升。
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