减水剂对聚合物水泥防水涂料的性能影响

陈梓禾 周成宇 付弯弯 卢雨婷 李雪玲

（武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023）

0 引言

聚合物水泥防水涂料（简称JS防水涂料）是以丙烯酸酯、乙烯-乙酸乙酯等聚合物乳液和水泥为主要原料［1］，加入填料及其他助剂配制而成，经水分挥发和水泥水化反应固化成膜的双组分水性防水涂料［2］，兼具有机材料弹性高以及无机材料耐久性好的特点［3］，并以水作为载体，是一种绿色环保型的防水材料，在建筑防水领域中得到了广泛的应用［4］。

有机聚合物乳液、水泥以及石英砂是聚合物水泥防水涂料成膜物质的组成部分，它们通过反应固化成膜，其成膜过程既有聚合物乳液的物理挥发，也有无机胶凝材料剧烈的水化反应［3］，成膜过程中水泥颗粒在短时间内被聚合物乳液所包覆，该过程伴随着一定量水分的挥发损失，由于失去部分水分，高分子颗粒物之间的黏滞力增强，继而使颗粒分子产生黏结效果，在其表面形成一层弹性薄膜；另一部分存在于乳液之中的水分则被水泥吸收，发生水化反应使得水泥固化，这是由于在加入聚合物乳液后形成了一种致密的防水结构，加快了水泥水化反应的效率，进而提高了固化速度。通过两种组分自身与水以及两种组分之间的物理化学反应和相互作用，最终形成有机高分子聚合链与无机水泥水化物之间相互贯穿包裹的致密结构，从而阻挡水分子的渗透，起到阻水、防水的作用［4］，对于防水涂料性能的改变以及提升具有显著的影响［5］。而加入减水剂能有效降低水泥用量并提高聚合物水泥防水涂料产品性能，其中聚羧酸系高效减水剂相较于传统减水剂具有更好的性能，对传统减水剂的不足有明显改善［6-8］,聚羧酸高效减水剂相较于传统减水剂能在混凝土施工过程中，更好地保证一定时间内混凝土的坍落度保持在一定范围内，而不出现减小的情况，同时使混凝土的收缩性能维持一定水平，可有效减少混凝土的收缩状况，在实际产品制备中聚羧酸减水剂无须使用CH4，更加清洁经济，未来具有可持续发展的潜力［9］。有机硅减水剂以及萘系减水剂则因为其制备方法简单易行，原料来源广泛，制备成本低［10］，具有良好的应用前景。基于此，笔者选用上述三类减水剂进行试验研究。目前，已公开发表的文献中，仅有针对聚羧酸减水剂对聚合物水泥防水涂料性能影响的研究，相关文献表明，聚羧酸减水剂与JS防水涂料均为环境友好型产品，并且两者具有良好的兼容性，在JS防水涂料中加入聚羧酸减水剂后能显著改善涂膜的拉伸性能，与此同时，在实际生产中也能有效控制生产成本，因此，聚羧酸减水剂具有良好的应用前景［11］。而其他类型减水剂也同样对于聚合物水泥防水涂料性能具有明显改变，但缺少关于不同类型减水剂的掺量对聚合物水泥防水涂料性能影响的研究，因此，本研究探讨了不同类型减水剂的掺量对聚合物水泥防水涂料的性能影响，以期为后续聚合物水泥防水涂料的制备提供性能更良好的配方。

1 试验部分

1.1 试验原料

乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，北京蒙泰伟业建材有限公司生产；42.5级普通硅酸盐水泥，华新水泥厂生产；普通河砂，粒径100～200目；γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550，分子式C9H23NO3Si，分子结构见图1），山东优索化工科技有限公司；萘系减水剂（FDN-C），山东优索化工科技有限公司生产；聚羧酸减水剂（PCE-11），山东优索化工科技有限公司生产；有机硅减水剂，湖北新四海化工股份有限公司生产。

图1 KH-550分子结构

1.2 聚合物水泥防水涂料具体配方

聚合物水泥防水涂料具体配方见表1。

表1 加入不同减水剂聚合物水泥防水涂料具体配方

1.3 试验方法

1.3.1 防水涂膜的制备。分别按照表1所示的比例配制JS防水涂料相应的液料和粉料，然后称取一定量的液料加至搅拌容器内手动搅拌1 min，再用电动搅拌机以300 r/min的转速搅拌3 min，使其分散至体系中无明显团聚颗粒，即制成聚合物水泥防水涂料，然后进行涂膜。为了便于脱模，在涂覆前模具表面可用硅油或脱模剂处理。样品分3次涂覆，最后一次将表面刮平，并在标准条件下养护6 d，固化后分2次涂覆，使涂层厚度达到（1.5±0.2）mm。脱模后，用冲片机将试样冲切成符合聚合物水泥防水涂料规定的哑铃Ⅰ型试件，每组5个试件，1个备用件［12-13］。

1.3.2 拉伸测试。按国家标准GB/T 23445－2009《聚合物水泥防水涂料》进行拉伸试验，拉伸速度为200 mm/min。

1.3.3 硬度测试。按国家标准GB/T 6739－1996《涂膜硬度铅笔测定法》进行测试。

1.3.4 光泽度测试。按照国家标准GB 1743—79（89）《漆膜光泽测定法》中的规定进行光泽度检测。

2 结果与讨论

2.1 减水剂比例对聚合物水泥涂料抗拉强度的影响

由图2可知，随着减水剂掺量的增加，制得涂层的抗拉强度均呈现先增大后减小的趋势，但不同种类减水剂的影响程度不同。其中，有机硅减水剂的添加对涂层的抗拉强度影响最大，当采用聚羧酸减水剂和萘系减水剂时，当加入减水剂用量达水泥用量的0.625%前，涂膜的抗拉强度呈现上升趋势，且增速较为缓慢，聚羧酸减水剂制作的涂膜抗拉强度由1.19 MPa增加到1.25 MPa；萘系减水剂制作的涂膜抗拉强度由1.15 MPa增加到1.22 MPa。对于这两种减水剂而言，在此阶段，减水剂的掺量越大，涂膜抗拉强度越大；在加入减水剂比例从0.625%增加到0.875%时，涂膜的抗拉强度呈下降趋势。聚羧酸减水剂制作的涂膜抗拉强度由1.25 MPa下降到1.17 MPa；萘系减水剂制作的涂膜抗拉强度由1.22 MPa下降至1.15 MPa。而导致涂层抗拉强度变化的原因是在JS防水涂料中，在加入聚羧酸减水剂后，由于混合料中存在水泥，使得JS防水涂料的流动性存在显著的提高。同时，聚羧酸减水剂的应用提高了水泥成分的分散性，使得混合料更加均匀；但聚羧酸减水剂应用过量时，像混凝土出现泌水现象一样，混合料会出现一定的分层，从而降低了涂膜的拉伸强度［11］。而加入萘系减水剂后涂膜抗拉强度变化的原因是萘系减水剂作为一种表面活性材料，加入后对水泥颗粒起扩散作用，将水泥的胶体中包含的游离水释放出来。形象地说，就像减水剂中有两种离子，一种离子可以吸附水分子，所以可以增加减水剂的强度，一种离子可以排斥水泥分子，从而使减水剂的和易性增强［20］。

对于有机硅减水剂而言，在加入减水剂比例由0.25%增加到0.5%时，其涂膜抗拉强度由1.07 MPa增至1.27 MPa，抗拉强度增长率为18.7%。在加入减水剂比例由0.5%增加到0.875%时，抗拉强度由1.27 MPa减小至1.22 MPa。

在加入聚羧酸减水剂后降低了水泥水化所需水量和凝结速度，更加有利于水泥水化。通过提高加入减水剂比例可显著减少水泥水化过程所需水量，胶粉溶解用水量也随之有较大改变。当加量适宜时，水泥水化和胶粉溶解均较充分，胶乳粒子能够满足很完好地包裹水泥及水化产物的需要，同时还有足量的胶乳粒子与水泥的水化产物相互作用，使涂料性能增强，拉伸强度和断裂伸长率数值有所提高［20］。聚羧酸减水剂和萘系减水剂在加入比例为0.6%时，聚合物水泥防水涂料具有最大抗拉强度，有机硅减水剂在加入比例为0.5%时，聚合物水泥防水涂料具有最大抗拉强度。

图2 不同减水剂对涂膜抗拉强度的影响

2.2 减水剂比例对聚合物水泥涂料断裂延伸率的影响

由图3可知，聚合物水泥防水涂料断裂延伸率与减水剂种类和掺量的变化趋势有关。

从减水剂种类上来说，相较于未添加减水剂组，萘系减水剂制成的涂膜，随着加入减水剂比例的增大，其涂膜断裂延伸率没有明显的变化，总体上看呈平稳趋势，但其断裂延伸率明显高于未添加减水剂组数据，在加入减水剂比例由0.25%增加至0.875%时，涂膜断裂延伸率由320.1%改变至321.3%，没有明显的变化趋势，且断裂延伸率变化曲线总体呈平稳趋势。而有机硅减水剂和聚羧酸减水剂两者对于涂膜的断裂延伸率的影响具有相同的趋势，随着这两种减水剂掺量的增加，涂层的断裂伸长率呈现上升趋势。聚羧酸减水剂制成的涂膜，在加入减水剂比例由0.25%增加至0.875%时，涂膜断裂延伸率由245.6 MPa增至286.82 MPa，增长率为16.8%；而有机硅减水剂制成的涂膜，其断裂延伸率由228 MPa增至252.3 MPa，增长率为10.7%。在加入减水剂达到一定比例后，其断裂延伸率强度将优于未加减水剂组断裂延伸率强度。导致涂层断裂延伸率变化的原因是减水剂分子在水泥颗粒表面处产生积蓄，使水泥表面处电荷平衡被破坏，水泥颗粒因此显电性，由于相同电性电荷之间会产生排斥力，在该电荷排斥力作用下水泥颗粒原有平衡状态被打破，水泥颗粒均匀分布在混合液各处，并悬浮于混合液中，原本被水泥所包裹的水分也因水泥颗粒平衡状态的改变被释放出来，从而使涂膜拉伸性能得到显著提高，使涂膜在水油等压力作用下具有更好的抵抗渗透的性能［13］，故若加入减水剂比例不适宜，则会导致涂料性能较差，无法达到经济环保的要求。

综上可见，加入有机硅减水剂和聚羧酸减水剂，随加入比例的增加，聚合物水泥防水涂料断裂延伸率会随之增加，加入萘系减水剂的比例改变对于涂料断裂延伸率而言没有较大的影响。而萘系减水剂只含有一种亲水基团（—SO3H），仅以静电斥力为主，刚直链的结构很快就被水化产物所覆盖，故对水泥无缓凝作用［14］。若加入减水剂比例不适宜，则会导致涂料性能较差，无法达到经济环保的要求。

图3 不同减水剂对涂膜断裂延伸率的影响

2.3 减水剂比例对聚合物水泥涂料硬度的影响

铅笔硬度能够反映涂层表面耐划痕或耐产生其他缺陷的能力，是衡量涂层性能的重要指标之一，按照国家标准GB/T 6739－1996《涂膜硬度铅笔测定法》对涂层硬度进行测试［15］。晶体生长发育的好坏和晶体排列的紧密程度直接影响着聚合物水泥防水涂料的强度和硬度等力学性能［15］。减水剂通常是具有较低活性的表面活性剂，分子结构中通过亲水基团与憎水基团的合理搭配，从而达到将胶凝材料颗粒在摔合水中良好的分散，最终产生预期的减水效果［16］,而降低水灰比可以减少聚合物水泥防水涂料的孔隙率，改善晶体聚集体排列结构，并可以提高聚合物水泥防水涂料的密度，从而提高聚合物水泥防水涂料的强度。不同减水剂的掺量对聚合物水泥防水涂料硬度的影响测试结果如表2所示。随着聚羧酸减水剂掺量的增加，制得涂层的硬度呈现增大趋势，其最大硬度为4H，而有机硅减水剂制成的涂膜在加入比例为0.75%时达到最大硬度5H，涂层的铅笔硬度整体趋于稳定。根据测试结果可知，减水剂对涂层的铅笔硬度影响不大，对于添加有机硅减水剂制得的涂层，在加入有机硅减水剂比例为0.75%时达到最大硬度5H，涂层的铅笔硬度整体趋于稳定。对于添加聚羧酸减水剂制得的涂层，随着聚羧酸减水剂掺量的增加，制得涂层的硬度呈现增大趋势，其最大硬度为4H。对于添加萘系减水剂制得的涂层，随加入萘系减水剂比例的增大，其铅笔硬度呈逐渐减小趋势，最小硬度为4H。

表2 减水剂比例对聚合物水泥涂料硬度的影响

2.4 减水剂比例对聚合物水泥防水涂料光泽度的影响

光泽度是表示物体的表面接近镜面的程度的性质，它能有效体现物质是否具有方向选择的反射性质［19］。由图4可知，随着3种减水剂添加量的增加，涂层的光泽度整体上均呈现下降趋势，相比于未加入减水剂组，在加入减水剂比例较低时，其光泽度有显著提高。加入聚羧酸减水剂涂膜光泽度由2.8逐渐减小至2.2，加入有机硅减水剂涂膜光泽度由2.7减小至2.1，有明显下降趋势。加入萘系减水剂的聚合物水泥防水涂膜光泽度由2.7减小至2.2。而在加入减水剂比例至一定量时，聚合物水泥防水涂料光泽度会低于未加入减水剂组的光泽度。

图4 不同减水剂对涂膜光泽度的影响

3 结语

笔者研究了减水剂种类以及用量对JS防水涂料性能的影响。结果表明：在加入0.6%左右比例聚羧酸减水剂、有机硅减水剂以及萘系减水剂后，能有效改善聚合物水泥防水涂层抗拉强度，随加入萘系减水剂和聚羧酸减水剂比例的增大，涂层断裂延伸率也随之增大；涂层硬度基本处于最大硬度，加入聚羧酸减水剂组最大硬度为4H，萘系减水剂组最大硬度为5H，有机硅减水剂最大硬度为4H。JS涂层光泽度随加入减水剂比例的增大呈下降趋势，但在一定范围内，涂层仍具有较好的光泽度。因此存在一定的可行范围，加入减水剂用量在该范围内能有效提高聚合物水泥防水涂料的拉伸能力，同时具有良好的硬度以及光泽度，并能降低生产成本，具有良好的发展前景。