建筑构件连接处防水密封膏的研制

2018-11-23赵长才陈晓龙王勇

新型建筑材料 2018年10期

赵长才，陈晓龙，王勇

（苏州市建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏苏州 215129）

0 前言

建筑物渗漏是较为突出的建筑质量通病，细部节点构造做法不当是造成建筑渗漏的主要原因之一[1]。细部节点构造复杂，并且材料种类众多，如水泥、铝材、塑料及玻璃等构件。实际施工选材中，多采用普通防水涂料、油膏等密封材料处理，这类材料粘结性或其他物理性能本身较弱，如密封处理不好，短期表现为泡水溶胀、缩裂，长期表现为与粘结面脱壳、翘边、脆裂等，即便选用了高档的密封膏/胶（如硅酮、聚硫、聚氨酯等），有时节点也会渗漏，究其原因，除与密封材料本身成分有关外，还与密封材料与接缝基材的相容性有关[2]，若所选密封膏与基层材质两面或一面相容性差，则长时间后界面容易剥离，形成渗水、漏水通道。

2016年首次发布并实施的JG/T 501—2016《建筑构件连接处防水密封膏》，充分考虑了建筑构件连接处材料的多样性、复杂性，有针对性地进行了技术参数的设定，确保产品对建筑构件连接处各类材质能有效、长久地密封防水。作为一类新型的有别于硅酮、聚硫、聚氨酯等建筑密封材料，要求材料粘结性能全面，并且具有同步固化粘结性能。

根据标准要求，从改性沥青乳化及防水密封膏配制2个步骤入手，通过调整工艺和多种成分的添加，研制了性能优异的建筑构件连接处防水密封膏（以下简称防水密封膏）。

1 试验

1.1 主要原材料

石油沥青：AH-90#石油沥青，中海沥青（泰州）有限公司，基本性能指标如表1所示；非硫化橡胶（生胶）：天然橡胶、丁苯橡胶，工业级；热塑性丁苯橡胶SBS：工业级，市售；相容剂：高级脂肪酸，化学试剂；增黏剂：低分子质量萜烯树脂，江西麻山化工有限公司；乳化剂：失水山梨醇脂肪酸酯（HLB=2.0～8.8）、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯（HLB=11～16），化学试剂；稳定剂：有机醇胺化合物，化学试剂；憎水剂：甲基硅酸盐，工业级；增稠剂：聚氨酯增稠流平剂，工业级。

表1 90#石油沥青的主要性能

1.2 性能测试方法

防水密封膏的性能按JG/T 501—2016《建筑构件连接处防水密封膏》进行测试。

1.3 制备方法

1.3.1 改性沥青乳化

将90#石油沥青、非硫化橡胶、SBS、相容剂、增黏剂加入反应釜A中（记为A料），加热至160～180℃，搅拌熔解，2 h后通过胶体磨研磨分散，玻璃棒蘸料观察，料均一无颗粒表明熔解完成；在另一反应釜B中加入水、乳化剂、稳定剂，加热至90℃左右，搅拌均匀，制成乳化组分（记为B料）。

开启乳化釜（转速3000 r/min以上），将A料和B料同时输送到乳化釜，对改性沥青进行乳化，制得固含量为50%～60%的改性乳化沥青。

1.3.2 防水密封膏配制

将改性乳化沥青冷却到室温，加入搅拌釜，开启搅拌，分别加入憎水剂、方解石粉、增稠剂，搅拌均匀，即得到防水密封膏。

2 试验结果与分析

2.1 改性沥青乳化

2.1.1 石油沥青的选择

本研制的防水密封膏是以石油沥青为基质的防水材料，石油沥青占比大，对密封膏性能有重要影响。石油沥青成分复杂，划分方法有多种，雷西西纳法将石油沥青划分为油质、树脂质和沥青质3个组分，各组分的特征如表2所示[3]。油质由低分子直链烷烃组成，呈液态油状；沥青质由难熔性的固体状高分子化合物组成，基本无黏性；树脂质由中低分子质量树脂材料组成，常温呈液态或半固态黏稠状。石油沥青以针入度作标号依据分若干种，如 10#、30#、70#、90#、100#，标号越低，说明其中沥青质占比越高，反之，油质和树脂质占比越高，油质高有利于界面的浸润，树脂质高有利于界面的粘结，因此，防水密封膏应选标号相对较高的石油沥青，如70#～100#等。

表2 石油沥青组成与特征

2.1.2 橡胶的选择

由JG/T501—2016可知，防水密封膏低温柔性要求-10℃以下，70#～100#石油沥青0℃便无柔韧性，因此需要添加高分子材料改性。改性沥青使用的橡胶一般为热塑性线性丁苯橡胶（SBS），其市售常见牌号有SBS1301（YH-791）、SBS1401（YH-792）等，其物理性能[4]如表3所示。

表3 热塑性丁苯橡胶的物理性能

由表3可知，SBS橡胶拉伸强度高，内聚力大。试验表明，即便开始将SBS均匀热熔于石油沥青中，若SBS添加量超过5%，则乳化沥青粗糙，不细腻；若添加量超过8%，则乳化难以进行，乳化沥青呈絮状、团状，其次，干燥后的改性乳化沥青内聚力大，粘结性弱。综合考虑，完全以热塑性丁苯橡胶（SBS）改性沥青不妥。

试验中选用了非硫化橡胶（生胶），物理性能[5]如表4。

表4 非硫化橡胶的物理性能

表4表明，非硫化橡胶的拉伸强度小，通过研磨工艺呈糊状均匀地分散在沥青中，容易乳化，即便添加量达到8%，也能乳化，但是添加量达到10%后，乳化困难。非硫化橡胶的伸长率高，由此改性的乳化沥青和防水密封膏的延伸性能优异，黏性也好，这对建筑构件连接处容易形变的缝隙密封有利。但是，内聚力较小的非硫化橡胶对防水密封膏粘结强度不利（标准要求大于0.5 MPa），因此，对沥青的改性需要以非硫化橡胶为主，适量添加SBS复合改性才能达到较好的效果。

2.1.3 乳化

沥青乳化基本分为阳离子型、阴离子型、非离子型3大类，分散均匀、粒径细小而稳定是理想乳化沥青的前提条件。就本研究而言，还要求乳化沥青的固含量高，达到60%左右，以满足制取固含量大于70%的防水密封膏的需要。与一般纯沥青乳化不同，本沥青中添加了一定比例的橡胶，增大了沥青的黏度，乳化相对困难。沥青的乳化可结合斯托克斯公式（1）进行解读：

式中：v——胶团沉降（上浮）速度；g——重力加速度；△ρ——沥青与水的密度差；r——乳化沥青胶团的半径；η——乳化剂溶液的黏度。

由式（1）可知，胶团沉降（上浮）速度v与沥青和水的密度差△ρ成正比，所选70#～100#石油沥青树脂质的比重接近水，△ρ小利于稳定，而沥青质、油质与水的△ρ大，其次，橡胶的比重也小于水，对乳化沥青体系稳定性不利；乳化沥青胶团半径r可通过乳化剂选择及搅拌、加热等工艺控制，显然，过量的乳化剂利于减小胶团的半径，但是会导致乳化沥青耐水性变差；增加体系黏度有利于乳化沥青的稳定，本乳化研究中，由A料中的高级脂肪酸和B料中的有机醇胺生成了脂肪酸胺盐，除乳化作用外，还起到增黏、增稠作用，以稳定乳化沥青。最后得到的复合橡胶改性乳化沥青的性能见表5。

表5 改性乳化沥青的性能

复合橡胶（非硫化橡胶和SBS）添加量直接影响乳化沥青乃至防水密封膏的高低温性能、延伸率、粘结性能等，所以有必要对此加以考察。复合橡胶添加量对改性乳化沥青延伸率、玻璃粘结力及高低温性能的影响见表6。

由表6可见：

（1）复合橡胶添加量对乳化沥青的延伸率影响很明显，当添加量从4%增加到8%时，延伸率从约800%增加到1800%，而对于某一具体添加量，在非硫化橡胶与SBS比例变动的情况下，延伸率变化甚小，说明非硫化橡胶与SBS在沥青中的分布相似，其次，也因两者本身的延伸率接近。

（2）复合橡胶的添加量对粘结性能影响明显。当添加量为4%时，与玻璃粘结强度约0.3 MPa；而添加量为8%时，与玻璃粘结强度达到约0.7 MPa左右，说明橡胶的添加极大地提高了乳化沥青的内聚力。其次，在某一添加量下，当SBS比例增大后，拉伸强度提高，主要源于SBS本身的拉伸强度远大于非硫化橡胶本身的拉伸强度。

表6 复合橡胶掺量对乳化沥青性能的影响

（3）随复合橡胶添加量的增加，乳化沥青的低温柔性越来越优异，耐热性能越来越高。在某一定添加量下，低温柔性基本不变，说明非硫化橡胶与SBS改性的效果相当，耐热性随SBS比例的增大而提高，体现出SBS内聚力远远大于非硫化橡胶的特点。这些变化规律对下一步配制防水密封膏有指导意义。

由表6并结合JG/T 501—2016标准要求，复合橡胶的添加量必须大于6%，否则，粘结强度、高低温等指标与标准要求相差甚远，配制防水密封膏有难度。

2.2 防水密封膏配制

根据JG/T 501—2016标准，防水密封膏高温要求80℃以上，低温Ⅰ型为-10℃、Ⅱ型为-20℃，还有其他诸多指标要求。由2.1.3节可知，仅仅靠2.1节改性乳化沥青还不能完全符合标准要求，为此试验中还添加了超细方解石粉、憎水剂、增稠剂等成分。

2.2.1 超细方解石粉对防水密封膏性能的影响

无机亲水性材料对提高防水密封膏的高温、固含量、性价比等有利，但同时也降低了密封膏的耐水性。对于成分不同的改性乳化沥青，添加相同的超细方解石粉时密封膏的吸水率会不同，试验中对此作过比较。采用改性乳化沥青（复合橡胶添加量为6%，非硫化橡胶与SBS质量比3∶3）配制的防水密封膏的吸水率随超细方解石粉添加量变化见图1。

由图1可见，当未添加超细方解石粉时，防水密封膏的吸水率仅为0.5%，耐水性优异；随着超细方解石粉添加量的增大，吸水率迅速增大，当超细方解石粉添加量为40%时，吸水率上升到9.2%，说明密封膏的耐水性变差，粘结性能降低，宏观上表现为密封膏遇水后色变明显（黑色变成棕色），起鼓，界面脱落等。究其原因为包裹与被包裹的关系。当超细方解石粉添加量较少时，密封膏中憎水性的沥青为连续相，包裹着石粉，避免石粉吸水；随着石粉添加量的增加，石粉慢慢地变成连续相，当沥青不能完全包裹石粉时，石粉吸水，吸水率迅速增大。因此，为保证密封膏的性能，石粉的添加量应在15%～25%较合理。