聚合物水泥防水涂料的耐水性研究及制备

2022-09-13龚兴宇卢锐贤温泽玲黄莉恒

广东建材 2022年8期

龚兴宇卢锐贤温泽玲黄莉恒

（科顺防水科技股份有限公司）

聚合物水泥防水涂料（简称JS 防水涂料）是一种环境友好，耐化学性强，抗老化性好的双组份、水性绿色建筑环保材料。它使用方便，粘结力强，可直接在无明水的潮湿基面上辊涂或喷涂施工，可应用在厨卫间、坡屋面、建筑物内外墙等。JS 防水涂料实行国标GB/T 23445-2009，该标准根据力学性能的不同将产品划分为I、II、III 三种，其中II 型产品的应用最广泛。

在实际的地下防水工程中，常用的防水材料一般为高聚物改性沥青防水卷材、合成高分子防水卷材、合成高分子防水涂料，代表性产品有SBS、TPO、PU 等，JS 防水涂料在地下工程中的应用却极少。究其原因，主要受限于产品长期浸水后的性能保持率难以满足要求[1]。GB 50108-2008 和即将实施的《建筑与市政工程防水通用规范》都对JS 防水涂料浸水后的物理性能有很高的要求。特别是浸水处理后的拉伸性能、粘结强度保持率及抗渗性保持率这三个力学性能指标，对水性涂料在长期浸水环境中的应用具有极其重要的意义。本研究主要围绕这三个力学性能指标，考察乳液类型对JS 防水涂料浸水后物理性能的影响，并确定聚灰比、水泥和填料等因素的最佳配方组，为防水涂料在长期浸水环境的应用提供思路和参考。

1 实验部分

1.1 主要原材料

苯丙乳液A、VAE 乳液B、丁苯乳液C ：市售产品；P·O42.5，海螺水泥；P·W32.5，阿尔博；400 目重钙、400 目滑石粉、250 目石英粉：广东英德；增稠剂：万华化学；分散剂：广州凯聚；消泡剂：巴斯夫；防腐剂：广州凯聚。

1.2 实验设备

微机控制电子万能试验机：ETM 530B 5000N，深圳万测试验设备有限公司；拉拔试验机：LBY-V 0.5 级，北京天誉科技有限公司；分析天平：XSE 204，METTLER TOLEDO；马弗炉：LT15/12，纳博热工业炉有限公司；真空干燥箱：DZF 6050，嘉兴市中新医疗器械有限公司；超景深三维数码显微镜：DVM 6，招徕相机贸易（上海）有限公司；接触角测量仪：SDC 200S，广州澳金工业自动化系统有限公司；砂浆数显抗渗仪：SJS-1.5S，无锡建仪仪器机械有限公司；防水卷材不透水仪：TDS-5，沧州大地龙华仪器有限公司。

1.3 耐水型聚合物水泥防水涂料的制备

采用表1 所示的配方制备耐水型聚合物水泥防水涂料。

表1 耐水型聚合物水泥防水涂料基础配方

1.4 性能测试

JS 防水涂料样品的制备、养护均按GB/T 16777-2008 的要求进行。吸水率试验按照标准JG/T 375-2012 的要求进行。JS 防水涂料的性能判定按照GB/T 23445-2009 II 型和GB 50108-2008《地下工程防水技术规范》聚合物水泥的要求进行。环保绿色指标检测及判定按照JC 1066-2008 A 级要求进行。

2 结果与讨论

2.1 乳液对接触角的影响

接触角是指在气、液、固三相交点处的气液界面的切线与固液界面之间所形成的夹角θ，是表征液体对基材表面润湿能力的重要参数。在本次试验中，接触角θ 越大，表明水在乳液膜或涂膜表面的润湿性越差，意味着水难以在乳液膜或涂膜表面铺展。

从表2 可见，乳液A 的乳液膜和涂膜浸水前接触角均是三种乳液中最大。浸水后乳液膜和涂膜晾干4h 后接触角能快速恢复到浸水前水平，这得益于聚合物中的苯环和脂肪侧链本身呈现较强的疏水性。加入粉料后，聚合物含量下降，涂膜疏水性随之下降，对比乳液膜接触角下降约33%。乳液B 单体聚合度较高，分子量达二十几万，远高于乳液A 和乳液B，乳液膜也呈现出一定的疏水性。制成涂料后，水进入涂膜后引起乳液膜溶胀，在同等干燥时间内多余水分难以挥发，加之乳液聚合时引入的PVA 带来大量的羟基，导致涂膜表面亲水官能团数量明显上升，因此常温晾干后涂膜接触角仍急剧下降72.7%，呈现极强的亲水性。但经24h 烘干处理后，涂膜内部和表面附着的水膜被完全蒸发，最终干膜的接触角比浸水前涂膜更高。乳液C 所用单体苯乙烯和丁二烯虽是非极性疏水型单体，难溶于水，但在乳液制备过程中会用到大量的表面活性剂，如乳化剂、引发剂等，因此乳液膜和涂膜浸水前亲水性较强。浸水后表面活性剂扩散到水体中，乳胶粒的疏水性就显现出来，表现为浸水后（晾干）乳液膜和涂膜的接触角均有较大幅度增加。

表2 乳液及涂膜浸水前后接触角变化

2.2 乳液对吸水率的影响

将乳液膜和涂膜浸入水中7d 后测定其吸水率，如图1 所示。从图1 可以看出，三种乳液的吸水率差异很大。浸水7d 后乳液A 的乳液膜吸水率为10.9%，为三种乳液中最低，而所制得的涂膜吸水率增加到12.5%，为三种乳液中最高。虽然乳液C 的乳液膜吸水率最高，达到15.4%，但制备的涂膜吸水率只有6.1%，说明涂膜的吸水率由聚合物和水泥填料组成的混合体系所决定[2]。一方面丁苯涂膜浸水后呈现较强的疏水性；另一方面丁苯乳液可促进水泥体系生成难溶于水的钙矾石晶体，进而堵塞水进入的通道，因而达到较低的吸水率。乳液B吸水率介于乳液A 和乳液C 两者之间，但并不能反映出该乳液实际的防水效果。在本次试验中，乳液B 在浸水期间已出现乳液膜起泡分层，涂膜有不溶于水的结晶物析出等异常情况。

图1 乳液膜和涂膜浸水7d 后的吸水率对比

2.3 乳液对水泥水化程度的影响

JS 防水涂料中的水分为化学结合水和非化学结合水两种。其中，化学结合水包括水分与胶凝材料的离子结合和结晶型分子结合。涂膜中的化学结合水量随水化进程而增加。化学结合水较难去除，只能在强化学作用或热作用（如煅烧）时才能将水分除去。因此，为了定性地显示涂料中水泥的水化进程，可使用马弗炉煅烧方法测量化学结合水[3-5]。具体操作过程如下：首先将乳液A、乳液B、乳液C 分别按照聚灰比0.3 配置成涂料，同时配置水灰比相同的纯水泥浆料；随后在标准养护室（23℃，50%RH）下进行养护。对于不同养护期的试样，剪碎后使用粉碎机进行处理，过30 目筛后用异丙醇浸泡处理30min 中止水化，接着放入45℃真空干燥箱中干燥24h，然后于65℃烘箱干燥24h，最后测定试样在1000℃下灼烧l h 的烧失量。其烧失量主要包括化学结合水、乳液在灼烧过程中完全燃烧的质量以及纯水泥自身的烧失量[6]。对于聚合物和水泥混合体系，t 时刻化学结合水含量的计算公式如下：

化学结合水含量Wt（%）=100×[（干燥后浆料质量-灼烧后浆料质量-浆料中乳液固体质量）/灼烧后浆料质量-LOI]，其中：

水泥烧失量LOI（%）=100×（灼烧前水泥质量-灼烧后水泥质量）/灼烧后水泥质量。

图2 是不同养护时间下试件的化学结合水含量。如图所示，在不同养护时间内，涂料的化学结合水均比纯水泥浆料低，即不同种类的乳液添加均抑制了水泥的水化进程，但抑制程度不同。其中，乳液C 涂料中存在的化学结合水最多，表明它对水泥水化的抑制程度最小，乳液A 对水泥水化抑制程度最大。随着养护时间的延长，三种乳液对水泥的水化抑制效果减弱，至11d 时，已趋于平稳。总体来说，乳液C 对水泥的水化进程影响更小，使水泥可以提供给涂料更高的强度，对涂料的力学性能有正向的帮助。

图2 三种涂料在不同养护时间下的化学结合水量

2.4 乳液对涂料微观形态的影响

将2.3 中三种涂膜养护14d 后，观察涂膜浸水3d后表面或横截面的微观形态。

如图3(a)所示，乳液A 涂膜内部存在较多丝状聚合物胶黏体以及水泥发生水化后生成的凝胶和晶体。浸水3d(b)后发现，涂料内部的丝状物质基本消失，形成了相互交错的蜂窝状结构。这是由于水分子进入涂膜内部，导致聚合物乳液粒子包裹的水泥发生进一步水化，生成的结晶态水化产物析出附着在乳液粒子表面[7]。乳液B 涂膜浸水前后(c、d)表面发现，浸水后(d)涂料表面出现许多明显的微裂纹。裂纹的产生与水进入涂膜后与大量未参与水化反应的水泥颗粒发生“二次水化”有关。与乳液A 不同的是乳液B 本身耐水性更差，生成的无机产物更多，导致涂膜受到膨胀应力破裂。而乳液C 涂膜中，浸水前后(e、f)涂膜内部的丝状聚合物胶黏体没有发生明显的变化，说明没有太多的水分子进入涂料内部促使水泥进一步水化。该试验也进一步说明，乳液C 所制得的涂料有更好的耐水效果，可以有效地阻止水分进入涂料内部。

图3 三种涂料浸水前后的微观形貌

2.5 浸水时间对防水涂膜力学性能的影响

按照GB 50108-2008 标准对三种防水涂料进行长时间浸水试验。由图4 可见，防水涂料浸水3d 后拉伸强度急速衰减，至浸水14d 时趋于稳定。相比乳液A 和乳液B，乳液C 所制的涂料在长期浸水情况下仍保持良好的拉伸强度[8]，表3 不透水性的测试也证明了这一点。浸水28d 后乳液C 防水涂膜的不透水性远好于乳液A和乳液B。

图4 长期浸水拉伸强度监测

表3 不透水性测试

2.6 聚灰比对防水涂膜力学性能的影响

从图5 和图6 可以看出，在液粉比不变的条件下，使用乳液C 制备的JS 防水涂膜随着聚灰比的增加，无处理拉伸强度略有下降，无处理断裂伸长率逐步增加，潮湿基面的粘结强度逐步增加。这是由于配方中已有足够的粘结料润湿和包裹水泥以及填料，颜料体积浓度（PVC）已超过临界颜料体积浓度（CPVC），继续增加聚合物含量，聚合物存在涂膜之中，总体表现为柔性增加，刚性降低。同时乳胶粒也能更好地渗透到水泥标准块的微细毛孔中，产生强力锚固作用，因此附着力更好。浸水7d 后，拉伸性能和粘结强度保持率均有下降，并与聚灰比成反比关系。当聚灰比＞0.7 时，浸水处理后的断裂伸长率大于80%，拉伸强度大于1.5MPa，粘结强度保持率大于80%，符合GB 50108-2008 聚合物水泥防水涂料耐水性能要求。因此，综合考虑浸水前后拉伸性能和粘结强度数据，优选聚灰比为0.715。

图5 聚灰比对防水涂膜拉伸性能的影响

图6 聚灰比对防水涂膜粘结强度的影响

2.7 不同水泥种类及用量对防水涂膜力学性能的影响

由表4 可以看出，随灰水泥添加量提高，无处理及浸水拉伸强度逐渐下降，在40%～60%时性能接近。白水泥体系与灰水泥规律大体一致。白水泥一般为高铝水泥，早期铝酸三钙水化更快，强度建立早。因此，白水泥的浸水拉伸强度及拉伸强度保持率均高于灰水泥，断裂伸长率则相反。为达到较好的浸水拉伸性能，宜选择白水泥。

表4 不同水泥种类及添加量

2.8 填料种类对防水涂膜力学性能的影响

将相同用量、不同种类的填料与白水泥进行混合制备成JS 防水涂料的粉料，粉料成分的比例见表5。

表5 不同填料种类配比

从图7 可以看出，当聚灰比相同、填料种类不同时，防水涂膜的拉伸性能结果存在很大的差异。以重钙为填充材料的防水涂膜的拉伸性能最佳。重钙相比其他粉料，表面粗糙，分散性较好，本身又是弱极性物质，在一定程度上可调节水泥的水化速度，更容易形成致密涂层。石英粉是用石英砂加工成的硬粒子，形状不规则，在涂膜成形过程中形成骨架，虽有利于涂膜的抗开裂性，却对防水涂膜的整体致密性有影响。滑石粉自身吸油量大，施工时涂膜不均匀，长期浸水时缺陷被放大，更容易受到水侵蚀，导致拉伸强度大幅下降。