改性納米二氧化硅提高聚合物水泥防水涂料性能研究

黃世平 （福建省建筑科學研究院 福建省綠色建筑技術重點實驗室，福建 福州 350025）

1 引言

防水材料是建筑發展中不可或缺的組成部分，已大量應用于地下室、地鐵、屋面、衛生間等的防水工程，它不僅可以防止建筑物滲漏，更是能保護沿海地區鋼筋混凝土免受海水的侵蝕，對提高混凝土耐久性有著不言而喻的意義。聚合物水泥防水涂料（JS防水涂料）是目前國內外用于建筑領域較為廣泛的一種防水材料，所謂JS防水涂料以丙烯酸酯、乙烯-乙酸乙烯酯等聚合物乳液和水泥為主要原料，再輔以填料和其他助劑配制而成，經水分揮發和水泥水化反應固化成膜的雙組分水性防水涂料。

隨著建筑物對防水性能要求日益提高，科研人員從多方面研究不斷改善JS防水涂料的性能，如張磊等采用正交試驗法以苯丙乳液和乙酸乙烯酯乳液為主要原料制得拉伸性能優異的JS防水涂料，其拉伸強度達1.56MPa，斷裂延伸率高達460%[1]。黃金榮通過研究各主要成分的用量確定JS防水涂料性最優性能時的配比，其粉液比為1∶1、消泡劑及分散劑用量分別為0.5%及0.6%[2]。JS防水涂料在實際建筑工程防水中的應用較為成熟和廣泛，但仍然存在些不足，如現階段大部分產品力學性能差強人意，耐久性及耐腐蝕性差等。納米SiO2具有優異的穩定性、耐候性、高強度、高韌性等特點[3]。本文以改性納米SiO2添加入JS防水涂料中，并研究其對JS防水涂料性能的影響。

2 實驗部分

2.1 主要原材料

聚合物水泥I型粉料、液料（福建銅浪建材科技發展有限公司），納米二氧化硅（15nm～20nm，深圳市天盛偉業化工有限公司），硅烷偶聯劑（KH-550，南京向前化工有限公司），鹽酸（AR，西隴化工股份有限公司），氫氧化鈉（AR，西隴化工股份有限公司），氯化鈉（AR，西隴化工股份有限公司），無水乙醇（AR，西隴化工股份有限公司），甲酸（AR，西隴化工股份有限公司）。

2.2 改性納米SiO2的制備

將10g納米二氧化硅分散入5g超純水與95g無水乙醇中，置于超聲波清洗儀分散30min，加入甲酸調節pH值約為4，而后加入5g的KH-550。然后置于溫度為90℃、轉速300r/min的恒溫加熱磁力攪拌機中水浴12h，反應結束后冷卻至室溫，將所得溶液于真空抽濾機抽濾，抽濾所得樣品于105℃電熱鼓風干燥箱烘干3h，而后置于干燥器冷卻，所得粉末為改性納米SiO2

2.3 涂膜的制備與測試

2.3.1 涂膜的制備

將一定量改性納米SiO2分散入聚合物水泥I型粉料，而后與液料攪拌均勻，粉料與液料的比例為1:1，改性納米SiO2質量百分數為其質量與粉料及液料的比例。涂膜制備按按標準《聚合物水泥防水涂料》（GB/T 23445-2009）進行，分2次或3次涂覆，兩道間隔時間為（12～24）h，使涂膜厚度為（1.5±0.2）mm，涂膜在溫度（23±2）℃，相對濕度為（50±10）%靜置 96h后脫模，脫模后涂膜反面向上在（40±2）℃恒溫干燥箱處理48h，取出后置于干燥器冷卻至室溫。

2.3.2 涂膜耐酸、耐堿、耐鹽測試

涂膜耐酸、耐堿測試方法為：將6個（120×25）mm的矩形試件浸入不同pH的酸堿溶液，液面高出試件表面10mm，連續浸泡（168±1）h取出，充分用水沖洗，擦干，在標準試驗條件下放置4h，裁取符合GB/T 528要求的啞鈴I型試件，按GB/T 16777-2008中9.2.1章節進行拉伸試驗。

耐鹽測試方法為：將6個（120×25）mm的矩形試件浸入不同濃度的氯化鈉溶液，液面高出試件表面10mm，連續浸泡（168±1）h取出，充分用水沖洗，擦干，在標準試驗條件下放置4h，裁取符合GB/T 528要求的啞鈴I型試件，按GB/T 16777-2008中9.2.1章節進行拉伸試驗。

3 結果分析與討論

改性納米二氧化硅摻量對JS涂膜拉伸性能影響如圖1所示，當未摻入改性納米SiO2時，JS涂膜拉伸強度為1.42MPa、斷裂伸長率為255%；隨著改性納米SiO2的摻量增加，JS涂膜拉伸強度顯著提高，斷裂伸長率略微降低，當改性納米SiO2摻量為1.0%，JS涂膜拉伸強度高達2.16MPa，斷裂伸長率為238%。其原因可能在于改性納米SiO2表面富含高活性的Si-O鍵和Si-OH基團，其中，Si-O鍵可促進涂料成膜時SiO2納米顆粒在涂膜中均勻分散，Si-OH基團可使納米SiO2與聚合物的極性基團產生強分子間的作用力。使涂膜形成交聯網絡結構，增強粘結界面作用力，進而導致涂料拉伸強度提高。然而，隨著改性納米SiO2繼續增加，改性SiO2納米顆粒亦會團聚嚴重，引起涂膜不均勻、裂紋、表面有顆粒等缺陷，導致JS涂膜拉伸強度和斷裂伸長率均大幅降低，甚至低于未摻入改性納米SiO2的JS涂膜拉伸性能。因此，當改性納米SiO2的摻量為1%對JS涂膜拉伸性能的提高最為顯著。此外，我們進一步對比未改性納米SiO2摻量對JS涂膜強度的影響發現，隨著比未改性納米SiO2摻量的增加，JS涂膜的拉伸強度與斷裂伸長率均急劇地降低，其主要原因在于未改性的納米SiO2極易發生團聚現象，使納米SiO2無法均勻分散入JS防水涂料中。

圖1 改性納米二氧化硅摻量對涂膜拉伸性能的影響

沿海地區的混凝土建筑物常年經受海水、酸雨等腐蝕性水體的考驗，提高JS防水涂料的耐腐蝕性對保護混凝土壽命具有不言而喻的意義。本文進一步研究所制備改性納米二氧化硅JS涂料的耐腐蝕性，如圖2a所示，1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜在不同pH值酸堿性溶液浸泡168h后拉伸強度均超過1.1MPa，可高達1.96MPa；而未摻改性納米二氧化硅JS涂膜在耐酸堿試驗中拉伸強度僅均超過0.8MPa，最高僅為1.32MPa。可見，1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜在耐酸堿試驗后的拉伸強度要明顯強于未摻改性納米二氧化硅JS涂膜，尤其在面對堿性溶液中，1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜拉伸強度突出的優勢尤為明顯。1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜和未摻改性納米二氧化硅JS涂膜不同pH值酸堿性溶液浸泡168h后的斷裂伸長率卻相距不大（如圖2b）。綜上所述，摻入適量的改性納米二氧化硅有助于提高JS防水涂料的耐酸耐堿腐蝕性能。

圖2 不同pH值酸堿溶液對1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂料和未摻改性納米二氧化硅JS涂料拉伸性能的影響

圖3 不同濃度NaCl溶液對1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂料和未摻改性納米二氧化硅JS涂料拉伸性能的影響

此外，我們進一步研究了改性納米二氧化硅JS涂膜的耐鹽性能。如圖3所示，1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜在經過0%～10%NaCl溶液浸泡168h后的拉伸強度均能超過1.6MPa，斷裂伸長率均能超過160%；未摻改性納米二氧化硅JS涂膜在經過0%～10%NaCl溶液浸泡168h后的斷裂伸長率均能超過175%，但拉伸強度最高僅能達1.22MPa。對比發現，1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜與未摻改性納米二氧化硅JS涂膜在經耐鹽試驗后的斷裂伸長率相差不大，但前者的拉伸強度卻遠大于后者的拉伸強度。由此可見，摻入適量的改性納米二氧化硅有助于提高JS防水涂料的耐鹽腐蝕性能。

4 結論

本文主要研究了改性納米SiO2對JS的聚合物水泥的拉伸性能的影響，當改性納米SiO2的摻量為1.0%時，顯著增強JS涂膜的拉伸強度，相較于未摻改性納米二氧化硅JS涂膜的拉伸強度提高了52%，同時斷裂伸長率僅輕微降低。此外，摻量為1.0%的改性納米二氧化硅JS涂膜展現出優異的耐酸性、耐堿性及耐鹽性，有利于提高混凝土在酸堿性及鹽性環境的耐久性。