聚合物水泥防水涂料的耐久性研究進(jìn)展

王宏霞 王志新

（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施、市政及交通工程建設(shè)的飛速發(fā)展，具有優(yōu)異防水性能的聚合物水泥防水涂料（簡(jiǎn)稱JS防水涂料）以其兼具柔韌性、與潮濕基層粘結(jié)力強(qiáng)、施工方便、整體防水效果佳及環(huán)境友好等優(yōu)良特性，在我國(guó)的多個(gè)建筑結(jié)構(gòu)部位（例如，廁浴、廚房、建筑物屋面、地下室等）中得到廣泛應(yīng)用，目前其已成為我國(guó)建筑防水材料領(lǐng)域中不可或缺的重要材料[1-3]。

JS防水涂料作為一類雙組分水性防水涂料，是以聚合物乳液和水泥為主要原料，同時(shí)加入其他助劑和填料配制，因而其兼有聚合物和水泥的優(yōu)點(diǎn)，即既具備聚合物乳液優(yōu)異的延伸性和防水性，也有水硬性膠凝材料強(qiáng)度高、與潮濕基層黏結(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而任何材料都有缺餡，隨著JS防水涂料在工程中的廣泛應(yīng)用，其不足之處也逐漸顯現(xiàn)。已有的研究和工程實(shí)踐表明[4-7]，當(dāng)JS防水涂料應(yīng)用于建筑物屋面等易受到風(fēng)吹日曬的自然環(huán)境下時(shí)，其易出現(xiàn)耐水性變差、開裂等耐久性問題，這表現(xiàn)為長(zhǎng)期浸水后材料明顯軟化、強(qiáng)度下降，在屋面暴露兩三年后材料明顯發(fā)硬，延伸率下降、開裂等。為此，本文從影響JS防水涂料耐久性的主要因素出發(fā)，分別從JS防水涂料自身的組成結(jié)構(gòu)、與其相粘結(jié)的基層特性、外界溫濕度條件及施工工藝等方面，闡述各因素對(duì)JS防水涂料耐久性影響的研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上提出改善JS防水涂料耐久性的研究方向。

1 JS防水涂料組成結(jié)構(gòu)對(duì)其耐久性的影響

聚合物乳液的種類是影響JS防水涂料耐久性的主要因素之一。較為常用的聚合物乳液主要有乙烯-醋酸乙烯酯、丙烯酸酯和丁苯乳液等。三種乳液由于其工藝和組分的不同，其耐候性和耐水性相差較大。乙烯-醋酸乙烯酯乳液是由醋酸乙烯與乙烯單體共聚而成。乙烯單體的引入可降低該乳液的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，但由于采用水溶性的聚乙烯醇作為保護(hù)膠體，因而其長(zhǎng)期耐水性不理想。丁苯膠乳由丁二烯和苯乙烯單體共聚而成，其柔韌性和耐水性較佳，但聚合物分子鏈中含有C=C不飽和鍵，因而分子易受外界熱能、紫外線和臭氧干擾而斷裂降解，該類材料的耐候性不佳[8]。相比而言，丙烯酸酯的結(jié)構(gòu)中存在著-COOR基團(tuán)，該基團(tuán)可在成膜過程中形成立體網(wǎng)狀交織結(jié)構(gòu)，因而分子鍵能較強(qiáng)、形成的大分子結(jié)構(gòu)不易降解，涂膜抗紫外線、耐高溫的能力較強(qiáng)。但丙烯酸乳液的長(zhǎng)期耐水性能偏差[9]。因此，從耐久性角度來講，現(xiàn)有的三種乳液均存在弊端。如何通過交聯(lián)改性處理來提高改善三種乳液的綜合性能則是下一步研究的方向。

聚灰比是影響JS防水涂料耐久性的另一主要因素。相對(duì)于聚合物來說，水泥具有優(yōu)良的耐水性和耐候性。降低聚合物用量、提高水泥用量，也就是降低聚灰比，可以在一定程度上改善聚合物水泥防水涂膜的耐水性和耐候性。但問題是，降低聚灰比將會(huì)導(dǎo)致斷裂延伸率的大幅度下降，而實(shí)際工程要求聚合物水泥涂料必須具備良好的彈塑性、延伸率[9]。研究[10]表明，聚灰比為0.6是聚合物水泥基防水涂料的“剛-柔”分界點(diǎn)。即當(dāng)聚灰比<0.6時(shí)，涂膜呈“剛”性，其拉伸強(qiáng)度主要受水泥水化程度影響；當(dāng)聚灰比>0.6時(shí)，涂膜呈“柔”性，其拉伸強(qiáng)度由聚合物顆粒黏附、堆積情況而定。這是因?yàn)檩^高聚灰比的涂料體系中聚合物可形成更為完整的有機(jī)聚合物連續(xù)相，少量水泥等無機(jī)粉料僅以粒狀顆粒分布在連續(xù)相中，此時(shí)形成的涂膜具有較為優(yōu)良的延伸性和低溫柔性；而在低聚灰比體系中，由于水泥水化形成了局部剛性凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而聚合物的連續(xù)相存在許多斷點(diǎn)和缺陷，因而所形成的涂膜斷裂伸長(zhǎng)率和低溫柔性能都明顯下降[11]。相關(guān)研究也進(jìn)一步表明，就不同種類的聚合物而言，聚灰比對(duì)其拉伸強(qiáng)度有著不同的影響規(guī)律。對(duì)丙烯酸酯類乳液防水涂料而言，聚灰比越大，涂膜的拉伸強(qiáng)度越大；聚灰比<0.6時(shí)，涂膜的拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢；聚灰比>0.6時(shí)，涂膜的拉伸強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速。而對(duì)于聚醋酸乙烯-乙烯乳液而言，聚灰比<0.6時(shí)，拉伸強(qiáng)度隨聚灰比增大而增大；聚灰比>0.6時(shí)，拉伸強(qiáng)度隨聚灰比增大而減小[10]。造成上述這一現(xiàn)象的成因除了聚合物乳液組成含量及本身分子結(jié)構(gòu)不同外，可能還在于，不同聚合物活性基團(tuán)與水泥水化產(chǎn)物之間存在的化學(xué)反應(yīng)及形成的不同界面結(jié)構(gòu)所致。

粉料組成對(duì)JS防水涂料的耐久性能也有很大影響。已有研究發(fā)現(xiàn)，不同粉料組成體系對(duì)其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有著不同的影響趨勢(shì)，其中摻入某種粉料組分可顯著改善JS防水涂料的耐久性。文獻(xiàn)[11]和[12]的研究表明，在由水泥、重鈣和石英粉組成的粉料體系中，其涂料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均隨水泥和重鈣比例提高，呈先增大后減小的趨勢(shì)；而其隨石英粉用量增大，拉伸強(qiáng)度降低、斷裂伸長(zhǎng)率增大。文獻(xiàn)[13]的研究發(fā)現(xiàn)，在JS防水涂料粉料體系中摻入1.0%的改性納米SiO2可顯著增強(qiáng)JS防水涂料的拉伸強(qiáng)度，該值相較于未摻改性納米二氧化硅的涂料，提高了約52%，并且其斷裂伸長(zhǎng)率僅有輕微降低。經(jīng)檢測(cè)，摻有1.0%改性納米二氧化硅的JS防水涂料還具有優(yōu)異的耐酸性、耐堿性及耐鹽性等。這表明，摻入填料或改變填料與水泥的比例可調(diào)整JS防水涂料拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率的變化，但不同種類的填料以及水泥與填料的比例對(duì)涂料性能的影響目前還尚未形成普適性的規(guī)律，還需進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。

2 基層特性對(duì)其耐久性的影響

JS防水涂料的耐久性優(yōu)劣與其所涂基層特性密切相關(guān)。具有不同潔凈度、密實(shí)度、粗糙度及含水率的基層首先影響涂料的粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而會(huì)對(duì)其后期的耐水性、開裂等性能造成不同程度的影響。已有研究[14]發(fā)現(xiàn)，表面沾污、松散、粗糙的基層與JS防水涂料粘接不良，粘結(jié)強(qiáng)度偏低；基層含水率越大，粘結(jié)強(qiáng)度越小。與參照樣含水率2%的基層相比，基層含水率0.2%的粘結(jié)強(qiáng)度可提高到120%；而基層含水率6%的粘結(jié)強(qiáng)度下降至85%。試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)，JS防水涂料在含水量0.2%的基層上表干時(shí)間較短，此時(shí)若涂覆過厚可能出現(xiàn)表面開裂。由此可見，基層特性對(duì)JS防水涂料性能影響更為直觀，為此在JS防水涂料施工過程中，除了保證基層一定的潔凈度外，還應(yīng)控制其含水率，理想的基層含水率宜在2%～6%。此外，除了保持基層一定特性，研究[15]還發(fā)現(xiàn)，在柔韌型聚合物水泥防水涂料施工前，通過在基層水泥砂漿塊上預(yù)涂一層水泥漿料處理層，并當(dāng)該水泥漿料聚灰比小于0.4時(shí)，柔韌型聚合物防水涂料的粘接強(qiáng)度最佳。這顯然提供了一種改善基層特性的方法，然而有關(guān)處理層漿料與JS防水涂料間的相互影響機(jī)制尚不明確。

3 環(huán)境溫濕度對(duì)其耐久性的影響

JS防水涂料以水泥和聚合物乳液為主，外界溫濕度變化不但影響水泥的水化進(jìn)程，而且影響聚合物乳液中分子的運(yùn)動(dòng)。較高溫度會(huì)導(dǎo)致材料變形，而溫度過低又會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生脆性變化，因此在使用過程中要注意環(huán)境溫濕度的影響。JS防水涂料最適宜的環(huán)境溫度是5～35℃，濕度在50%～70%之間[16]。外界溫濕度對(duì)JS防水涂料性能影響的本因在于，溫度可對(duì)聚合物乳液的高分子鏈產(chǎn)生影響，較高的溫度能促進(jìn)聚合物高分子鏈的移動(dòng)，而低溫又會(huì)使聚合物分子鏈凍結(jié)；濕度則主要對(duì)水泥的水化產(chǎn)生影響，較高的濕度能促進(jìn)水泥水化，但同時(shí)濕度太大也可能對(duì)聚合物與水泥或無機(jī)填料界面力產(chǎn)生破壞作用[6]，從而影響其耐久性能，而低濕度會(huì)促使水分蒸發(fā)，降低水泥的水化程度，由此可能造成材料開裂等。而且，針對(duì)不同聚合物乳液，水分子對(duì)其涂膜的破壞機(jī)理及程度也不同。因此，需針對(duì)不同聚合物乳液，研究不同溫濕度對(duì)JS防水涂料性能影響機(jī)制，從而從根本上掌握J(rèn)S防水涂料在不同溫濕度條件下的應(yīng)用規(guī)律。

4 施工工藝對(duì)其耐久性的影響

攪拌是JS防水涂料施工工藝的第一環(huán)節(jié)。已有研究[17]表明，不同的攪拌工具和攪拌速率可改變其密度。相比于槳葉式攪拌桿，上下齒分散盤攪拌桿攪拌成型的JS防水涂料密度較小；較之800r/min,采用1200r/min攪拌成型的JS防水涂料密度較小。在同等原材料的情況下，JS防水涂料密度減小說明該體系含氣量增大，這表明不同的攪拌工具和攪拌速率度可改變JS防水涂料的含氣量，從而影響其密度和物理力學(xué)性能。為消除或降低由不同攪拌方式所引入氣泡對(duì)JS防水涂料的不利影響，文獻(xiàn)[18]研究了不同攪拌制度對(duì)JS防水涂料密度、拉伸強(qiáng)度及斷裂延伸率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)械攪拌5min后靜置1～3min消泡效果不佳，而機(jī)械攪拌5min后再低速攪拌有利于消泡，此時(shí)JS防水涂料的密度、拉伸強(qiáng)度及斷裂延伸率均有不同程度的增加。這表明JS防水涂料中氣泡的消除需要一定時(shí)間。JS防水涂料一般呈較稠狀態(tài)，其中所含氣泡的消除必須經(jīng)過氣泡再分布、氣泡膜壁厚度減薄及氣泡膜的破裂等過程。當(dāng)在JS防水涂料中機(jī)械攪拌5min后再低速攪拌時(shí)，其所含消泡劑會(huì)以微粒的形式滲入泡沫體系中，由于消泡劑本身具有較低的表面張力，從而會(huì)使含有消泡劑的氣泡膜壁逐漸變薄、表面張力逐漸不平衡，最終氣泡被周圍表面張力大的膜層強(qiáng)力吸引，氣泡破滅。

成型是JS防水涂料施工工藝的第二環(huán)節(jié)。不同成型方式對(duì)JS防水涂料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有很大影響。較之實(shí)驗(yàn)室刮涂成型方式，工程實(shí)際施工中常采用滾涂或刷涂成型。已有研究[19-20]表明，不同成型方式主要是從其所含氣泡量、氣泡特征、分布情況及水的揮發(fā)速率等方面影響其施工性和耐久性。氣泡會(huì)使JS防水涂料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率降低，其影響的程度與所含氣泡多少及大氣泡的比例密切相關(guān)[20]。滾涂成型方式的涂覆次數(shù)最多，消泡效率最高，其所含大氣泡的數(shù)量和比例較小。刷涂成型方式雖然和刮涂的次數(shù)相同，但反復(fù)涂刷也有利于消泡。而刮涂只能靠氣泡從漿料內(nèi)部向JS防水涂料表面遷移并破滅來消泡，其消泡效率最低，相對(duì)含氣量最大。采用顯微鏡對(duì)涂膜載體截面的研究也發(fā)現(xiàn)：經(jīng)成型后的薄涂層（厚度不超過0.5mm)內(nèi)部存在的氣泡較小，并呈封閉狀態(tài)；而厚涂層（厚度在0.8mm以上）的漿料內(nèi)氣泡相對(duì)較大，有時(shí)氣泡幾乎貫穿整個(gè)涂層。此外，不同成型方式、刮涂次數(shù)還會(huì)影響其所含水的揮發(fā)速率。研究表明，在相同原材料情況下，相比于2遍刮涂，5個(gè)樣品3遍刮涂后的拉伸強(qiáng)度和斷裂延伸率變化程度不同。這表明，成型方式對(duì)JS防水涂料的性能確有很大的影響，其中若氣泡的數(shù)量、存在形態(tài)及水的揮發(fā)速率控制得當(dāng)，則成型的JS防水涂料性能良好，但無論何種攪拌和成型工藝，完全消除氣泡是不可能的。

5 結(jié)論與展望

綜上所述，現(xiàn)有研究在影響JS防水涂料耐久性方面已經(jīng)開展了大量的工作，并獲得了許多有價(jià)值的成果，但仍有許多問題亟待進(jìn)一步深入探討。在材料組成結(jié)構(gòu)方面，尚需開展交聯(lián)改性的聚合物乳液、液粉比、成膜性能及其流掛性等對(duì)防水材料耐久性的影響；開展不同種類的填料以及水泥與填料的比例對(duì)涂料性能的影響規(guī)律；在基層特性方面，需開展基層胎體增強(qiáng)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，及其與JS防水材料間復(fù)合技術(shù)的研究；在環(huán)境溫濕度和施工工藝方面，需在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23445-2009的指導(dǎo)下，進(jìn)一步深入開展該因素對(duì)JS防水涂料性能的影響機(jī)制。本文旨在從根本上解決JS防水涂料耐久性差的問題，為JS防水涂料室外高效應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。