聚合物水泥防水涂料的耐久性研究進展

王宏霞 王志新

（中國建筑材料科學研究總院有限公司，綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024）

隨著我國基礎設施、市政及交通工程建設的飛速發(fā)展，具有優(yōu)異防水性能的聚合物水泥防水涂料（簡稱JS防水涂料）以其兼具柔韌性、與潮濕基層粘結力強、施工方便、整體防水效果佳及環(huán)境友好等優(yōu)良特性，在我國的多個建筑結構部位（例如，廁浴、廚房、建筑物屋面、地下室等）中得到廣泛應用，目前其已成為我國建筑防水材料領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，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度高、與潮濕基層黏結能力強等優(yōu)點。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用，其不足之處也逐漸顯現。已有的研究和工程實踐表明[4-7]，當JS防水涂料應用于建筑物屋面等易受到風吹日曬的自然環(huán)境下時，其易出現耐水性變差、開裂等耐久性問題，這表現為長期浸水后材料明顯軟化、強度下降，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構、與其相粘結的基層特性、外界溫濕度條件及施工工藝等方面，闡述各因素對JS防水涂料耐久性影響的研究進展，在此基礎上提出改善JS防水涂料耐久性的研究方向。

1 JS防水涂料組成結構對其耐久性的影響

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變溫度，但由于采用水溶性的聚乙烯醇作為保護膠體，因而其長期耐水性不理想。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，丙烯酸酯的結構中存在著-COOR基團，該基團可在成膜過程中形成立體網狀交織結構，因而分子鍵能較強、形成的大分子結構不易降解，涂膜抗紫外線、耐高溫的能力較強。但丙烯酸乳液的長期耐水性能偏差[9]。因此，從耐久性角度來講，現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，降低聚灰比將會導致斷裂延伸率的大幅度下降，而實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。即當聚灰比<0.6時，涂膜呈“剛”性，其拉伸強度主要受水泥水化程度影響；當聚灰比>0.6時，涂膜呈“柔”性，其拉伸強度由聚合物顆粒黏附、堆積情況而定。這是因為較高聚灰比的涂料體系中聚合物可形成更為完整的有機聚合物連續(xù)相，少量水泥等無機粉料僅以粒狀顆粒分布在連續(xù)相中，此時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絡，從而聚合物的連續(xù)相存在許多斷點和缺陷，因而所形成的涂膜斷裂伸長率和低溫柔性能都明顯下降[11]。相關研究也進一步表明，就不同種類的聚合物而言，聚灰比對其拉伸強度有著不同的影響規(guī)律。對丙烯酸酯類乳液防水涂料而言，聚灰比越大，涂膜的拉伸強度越大；聚灰比<0.6時，涂膜的拉伸強度增長緩慢；聚灰比>0.6時，涂膜的拉伸強度增長迅速。而對于聚醋酸乙烯-乙烯乳液而言，聚灰比<0.6時，拉伸強度隨聚灰比增大而增大；聚灰比>0.6時，拉伸強度隨聚灰比增大而減小[10]。造成上述這一現象的成因除了聚合物乳液組成含量及本身分子結構不同外，可能還在于，不同聚合物活性基團與水泥水化產物之間存在的化學反應及形成的不同界面結構所致。

粉料組成對JS防水涂料的耐久性能也有很大影響。已有研究發(fā)現，不同粉料組成體系對其拉伸強度和斷裂伸長率有著不同的影響趨勢，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[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，其涂料的拉伸強度和斷裂伸長率均隨水泥和重鈣比例提高，呈先增大后減小的趨勢；而其隨石英粉用量增大，拉伸強度降低、斷裂伸長率增大。文獻[13]的研究發(fā)現，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JS防水涂料的拉伸強度，該值相較于未摻改性納米二氧化硅的涂料，提高了約52%，并且其斷裂伸長率僅有輕微降低。經檢測，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整JS防水涂料拉伸強度與斷裂伸長率的變化，但不同種類的填料以及水泥與填料的比例對涂料性能的影響目前還尚未形成普適性的規(guī)律，還需進一步的系統(tǒng)研究。

2 基層特性對其耐久性的影響

JS防水涂料的耐久性優(yōu)劣與其所涂基層特性密切相關。具有不同潔凈度、密實度、粗糙度及含水率的基層首先影響涂料的粘結強度，進而會對其后期的耐水性、開裂等性能造成不同程度的影響。已有研究[14]發(fā)現，表面沾污、松散、粗糙的基層與JS防水涂料粘接不良，粘結強度偏低；基層含水率越大，粘結強度越小。與參照樣含水率2%的基層相比，基層含水率0.2%的粘結強度可提高到120%；而基層含水率6%的粘結強度下降至85%。試驗過程中還發(fā)現，JS防水涂料在含水量0.2%的基層上表干時間較短，此時若涂覆過厚可能出現表面開裂。由此可見，基層特性對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，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涂一層水泥漿料處理層，并當該水泥漿料聚灰比小于0.4時，柔韌型聚合物防水涂料的粘接強度最佳。這顯然提供了一種改善基層特性的方法，然而有關處理層漿料與JS防水涂料間的相互影響機制尚不明確。

3 環(huán)境溫濕度對其耐久性的影響

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程，而且影響聚合物乳液中分子的運動。較高溫度會導致材料變形，而溫度過低又會導致材料發(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JS防水涂料性能影響的本因在于，溫度可對聚合物乳液的高分子鏈產生影響，較高的溫度能促進聚合物高分子鏈的移動，而低溫又會使聚合物分子鏈凍結；濕度則主要對水泥的水化產生影響，較高的濕度能促進水泥水化，但同時濕度太大也可能對聚合物與水泥或無機填料界面力產生破壞作用[6]，從而影響其耐久性能，而低濕度會促使水分蒸發(fā)，降低水泥的水化程度，由此可能造成材料開裂等。而且，針對不同聚合物乳液，水分子對其涂膜的破壞機理及程度也不同。因此，需針對不同聚合物乳液，研究不同溫濕度對JS防水涂料性能影響機制，從而從根本上掌握JS防水涂料在不同溫濕度條件下的應用規(guī)律。

4 施工工藝對其耐久性的影響

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性能。為消除或降低由不同攪拌方式所引入氣泡對JS防水涂料的不利影響，文獻[18]研究了不同攪拌制度對JS防水涂料密度、拉伸強度及斷裂延伸率的影響，結果發(fā)現機械攪拌5min后靜置1～3min消泡效果不佳，而機械攪拌5min后再低速攪拌有利于消泡，此時JS防水涂料的密度、拉伸強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。當在JS防水涂料中機械攪拌5min后再低速攪拌時，其所含消泡劑會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JS防水涂料的拉伸強度和斷裂伸長率均有很大影響。較之實驗室刮涂成型方式，工程實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。氣泡會使JS防水涂料的拉伸強度和斷裂伸長率降低，其影響的程度與所含氣泡多少及大氣泡的比例密切相關[20]。滾涂成型方式的涂覆次數最多，消泡效率最高，其所含大氣泡的數量和比例較小。刷涂成型方式雖然和刮涂的次數相同，但反復涂刷也有利于消泡。而刮涂只能靠氣泡從漿料內部向JS防水涂料表面遷移并破滅來消泡，其消泡效率最低，相對含氣量最大。采用顯微鏡對涂膜載體截面的研究也發(fā)現：經成型后的薄涂層（厚度不超過0.5mm)內部存在的氣泡較小，并呈封閉狀態(tài)；而厚涂層（厚度在0.8mm以上）的漿料內氣泡相對較大，有時氣泡幾乎貫穿整個涂層。此外，不同成型方式、刮涂次數還會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個樣品3遍刮涂后的拉伸強度和斷裂延伸率變化程度不同。這表明，成型方式對JS防水涂料的性能確有很大的影響，其中若氣泡的數量、存在形態(tài)及水的揮發(fā)速率控制得當，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 結論與展望

綜上所述，現有研究在影響JS防水涂料耐久性方面已經開展了大量的工作，并獲得了許多有價值的成果，但仍有許多問題亟待進一步深入探討。在材料組成結構方面，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材料結構設計，及其與JS防水材料間復合技術的研究；在環(huán)境溫濕度和施工工藝方面，需在國家標準GB/T 23445-2009的指導下，進一步深入開展該因素對JS防水涂料性能的影響機制。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用提供理論依據和技術支撐。