填料對聚合物水泥防水涂料性能的影響研究

李雪玲 付彎彎 盧雨婷 陳梓禾 王歡

摘 要：填料填充于聚合物乳膠粒和水泥之間的空隙，使涂膜結構更加密實，增強聚合物水泥防水涂料的拉伸性能并提高其硬度。研究了填料種類及其用量對聚合物水泥防水涂料性能的影響，得出如下結論：隨著填料用量的增加，涂膜的抗拉強度先提高后降低，斷裂伸長率降低;在液粉比為1.0的情況下，以粉煤灰為填料的聚合物水泥防水涂料的抗拉強度高達2.58 MPa，斷裂伸長率為271%，且硬度達到5H，得到的涂膜性能最佳。

關鍵詞：聚合物水泥防水涂料;填料;抗拉強度;斷裂伸長率;硬度

中圖分類號：TU56 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）1-0094-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.020

Study on the Effect of Filler on the Performance of Polymer Cement

Waterproof Coating

LI Xueling? ? FU Wanwan? ? LU Yuting? ? CHEN Zihe? ? WANG Huan

（School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan Polytechnic University， Wuhan 430023，China）

Abstract： Filler is filled in the gap between polymer latex particles and cement， so that the film structure is more dense， enhance the tensile properties of polymer cement waterproof coating and improve its hardness. The influence of filler type and amount on the performance of polymer cement waterproof coating was studied. The following conclusions were drawn： with the increase of filler amount， the tensile strength of the coating film increased first and then decreased， and the elongation at break decreased. Under the condition of liquid powder ratio of 1.0， the tensile strength of polymer cement waterproof coating with fly ash as filler is as high as 2.58MPa， the elongation at break is 271%， and the hardness is up to 5H， and the film performance is the best.

Keywords： polymer cement waterproof coating;filler; tensile strength;elongation at break;hardness

0 引言

聚合物水泥防水涂料由聚合物乳液、水泥、填料和助劑組成，是經水泥水化反應以及高分子微粒脫水粘連在一起，在保護基材表面形成的具有一定憎水性、抗滲性和彈性的連續性薄膜防水材料[1]。其具有聚合物乳液提供的柔韌性兼以水泥、填料等無機材料的剛性[2]，不僅達到大部分建筑、橋梁、隧道等工程防水強度要求，而且無毒無害，符合環境友好型材料的發展趨勢。

填料作為聚合物水泥防水涂料的重要組分，填充于聚合物網絡中，起到限制聚合物分子鏈間自由伸縮的作用[2]，從而提高材料的剛度，并且可以填充有機微粒與無機微粒之間的空隙[3]，增加了材料的強度和穩定性，對聚合物水泥防水涂料的性能產生影響。現階段，在制備聚合物水泥防水涂料的過程中，多采用重質碳酸鈣、滑石粉等礦物質粉末作為填料，然而重質碳酸鈣在涂料中容易沉淀，不利于貯存[4];滑石粉作為填料易造成涂膜分層，影響聚合物防水功能[4]，而且使用過多易使人體致癌。基于此，研究其他性能更佳的填料用于制備聚合物水泥防水涂料十分必要。礦粉和粉煤灰均為工業廢料，二者不僅具有較高活性，其細度也比水泥小，如果能變廢為寶，不僅能減少工業廢料對環境的危害，也找到了新的填料代替物。因此，筆者以礦粉、粉煤灰和砂子作為填料，研究其用量對聚合物水泥防水涂料抗拉強度、斷裂伸長率以及硬度的影響。

1 試驗部分

1.1 原材料

乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液（EVA乳液），北京蒙泰偉業建材有限公司;42.5級普通硅酸鹽水泥，華新水泥股份有限公司;γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯劑（KH-550），山東優索化工科技有限公司;填料：200目礦粉、200目粉煤灰、200目砂子。

1.2 試驗儀器

BSA系列電子天平，精度0.1 g;游標卡尺，精度0.02 mm;DL-D系列電子萬能試驗機，江蘇新真威試驗機械有限責任公司;OU4300鉛筆硬度計，滄州歐譜檢測儀器有限公司。

1.3 聚合物水泥防水涂料試樣制備及性能測試

1.3.1 防水涂料與試樣的制備。聚合物水泥防水涂料實驗室配合比如表1所示，首先按照比例稱取一定量的水泥放入燒杯中，根據編號分別加入相應的礦粉、粉煤灰、砂子三種填料，混合攪拌均勻制成粉料;而后按照比例稱取一定量的EVA乳液放入燒杯中，加入質量分數為1%的硅烷偶聯劑KH-550，混合攪拌均勻制成液料;最后將粉料和液料混合后用玻璃棒進行人工攪拌1 min，然后采用電動攪拌機以300 r/min的轉速攪拌3 min，制得聚合物水泥防水涂料。

在模具上刷一層脫模劑，將聚合物水泥防水涂料倒入模框中，用鏟子進行防水涂料涂覆，涂覆厚度保證在1.5 mm±0.2 mm范圍內，然后置于室溫條件下養護6 d后脫模、標線，最后將試樣裁成啞鈴Ⅰ型并編號。

1.3.2 拉伸強度測試。依照《建筑防水涂料試驗方法》（GB/T 16777—2008）測定試樣的抗拉強度和斷裂伸長率，抗拉強度按照式（1）計算[5]：

1.3.3 硬度測試。根據《色漆和清漆鉛筆法測定漆膜硬度》（GB/T 6739—2006）相關規定，通過由低至高不同硬度的鉛筆芯推過試樣表面至少7 mm的距離，直至產生大于3 mm長的劃痕為止[6]的方法測定涂膜的硬度。

2 結果與分析

2.1 填料用量對聚合物水泥防水涂料拉伸性能的影響

以礦粉、粉煤灰和砂子作為不同填料，研究這三種填料用量對聚合物水泥防水涂料抗拉強度和斷裂伸長率的影響。從圖1可以看出，隨著填料用量的增加，三種填料的涂膜抗拉強度均呈增大趨勢。當m（填料）∶m（水泥）=0.5∶1時，砂子作為填料制作的涂膜抗拉強度達到1.20 MPa，礦粉作為填料制作的涂膜抗拉強度達到1.34 MPa，粉煤灰作為填料制作的涂膜抗拉強度高達2.58 MPa;繼續增加礦粉，涂膜的抗拉強度增大到1.53 MPa;繼續增加砂子和粉煤灰，涂膜的抗拉強度分別降至0.85 MPa和2.15 MPa。由此可得，這三種填料中，采用粉煤灰制得的涂膜抗拉強度最大。

從圖2可以看出，隨著填料用量的增加，涂膜的斷裂伸長率逐漸降低。以粉煤灰作填料制作的涂膜斷裂伸長率由300%降至50%，礦粉的由432%降至76%，砂子的由570%降至290%。由此可知，這三種填料中，采用砂子制得的涂膜斷裂伸長率最好。

針對以上現象的解釋如下。當填料用量較少時，隨著填料用量的增加，填料顆粒不斷填充聚合物-水泥網絡結構之間的空隙[7]，且不影響聚合物乳液和水泥的膠結[8]、凝結能力，逐漸提高涂膜的密實度，故礦粉、粉煤灰和砂子的抗拉強度逐漸增大，添加到適當量時具有較好的斷裂伸長率并達到最大抗拉強度。繼續增加填料，抗拉強度反而降低。空隙被最大密實后，仍舊不斷添加填料，過多的填料破壞了水泥凝結能力和聚合物乳膠粒膠結能力，而且由于填料顆粒過細，比表面積和表面能很大，填料顆粒形成非均勻分散的聚集成團狀態[9]，變成二次粒子，包覆二次粒子表面的未水化的水泥顆粒水化，阻礙水分子往內部滲透，影響了內部水泥粒子水化和聚合物乳膠粒的膠結能力，形成黏結力薄弱部位[10]，影響防水涂料固化后的強度、剛度和穩定性。因此，抗拉強度和斷裂伸長率均隨著填料過多地使用而下降。

2.2 填料種類對聚合物水泥防水涂料拉伸性能的影響

基于2.1小節的結果，在m（填料）∶m（水泥）=0.5∶1的基礎上，繼續研究不同填料對涂膜抗拉強度和斷裂伸長率的影響，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，以粉煤灰為填料的聚合物水泥防水涂料抗拉強度最大，達到2.58 MPa，但斷裂伸長率僅有271%;礦粉制備的聚合物水泥防水涂料抗拉強度和斷裂伸長率分別為1.34 MPa、300%;砂子作填料的涂膜斷裂伸長率雖高達379%，但抗拉強度只有1.20 MPa。綜上可知，當填料用量一定時，采用粉煤灰作填料制得的涂膜抗拉強度最大，礦粉制得的涂膜次之，砂子作填料制得的涂膜抗拉強度最小。

這是因為在拌制涂料過程中，在相同用量的情況下，粉煤灰吸水量最大，拌制的涂料最黏稠;礦粉黏稠性和流動性則居于粉煤灰和砂子之間;砂子幾乎不吸水，拌制的涂料最稀、流動性最好。礦粉和粉煤灰都存在大量玻璃球狀顆粒，但礦粉是由礦物粉碎加工得到的粉料，顆粒大小較為均勻，而粉煤灰是熱電廠高溫燃燒排出的細微顆粒，在排出過程中微粒相互碰撞粘連成粗糙有棱角的顆粒，大小顆粒搭配，顆粒級配更加良好，能夠更好地填充聚合物乳膠粒與水泥顆粒之間的毛細孔洞，使涂膜結構更加密實，因此，粉煤灰制作的涂膜有更好的抗拉強度。砂子因外觀呈圓形，顆粒大小均勻，顆粒級配不良，且表面光滑，其填充在涂膜中，不僅與水泥黏結較差，而且使水泥的水化作用減弱[11]，故抗拉強度最差，對應的斷裂伸長率也最高。

2.3 填料用量及種類對聚合物水泥防水涂料硬度的影響

硬度反映防水涂膜抵抗外來物體壓陷、刮擦和切劃的能力。對此，研究了礦粉、粉煤灰和砂子這三種填料及其用量對聚合物水泥防水涂料硬度的影響，結果如表2所示。

由表2數據可得，隨著礦粉用量的增加，涂膜硬度呈現增大趨勢，當礦粉用量與水泥用量的比為0.5∶1時，涂膜硬度達到6H;隨著粉煤灰用量的增加，涂膜硬度先增大到6H后減小至5H;而隨著砂子用量的增加，涂膜硬度由5H逐漸減小至3H，硬度性能相對較差。

礦粉和粉煤灰含有較多的活性二氧化硅，活性二氧化硅與水泥水化生成的氫氧化鈣起反應，生成具有水硬性的水化硅酸鈣，其可以提高材料的剛性以及與基材的黏結力，因而制備出的聚合物防水涂膜具有較高的硬度，硬度值在5H～6H。然而，砂子屬于非活性填料，主要起填充作用，不與水泥起反應，并且隨著用量的增加，砂子與水泥接觸的表面積增大，砂子表面較圓滑，與水泥的黏結力不強，在外界刮劃作用下，涂膜容易出現裂痕，抵抗外物磨劃的能力較差，因此，隨著砂子用量的增加，涂膜的硬度也隨之下降。由此得出，這三種填料中，采用礦粉作為填料的涂膜硬度最大。

3 結語

①隨著填料用量的增加，涂膜的抗拉強度先升高后降低，斷裂伸長率降低。在礦粉、粉煤灰和砂子這三種填料中，采用粉煤灰制得的涂膜抗拉強度最大，達到2.58 MPa;采用砂子制得的涂膜斷裂伸長率最好，達到570%。

②當m（填料）∶m（水泥）=0.5∶1（液粉比為1.0）時，礦粉、粉煤灰和砂子作填料的涂膜均表現出較好的抗拉強度和斷裂伸長率，其中粉煤灰作填料的涂膜拉伸性能最優，抗拉強度達到2.58 MPa，斷裂伸長率為271%。

③隨著礦粉、粉煤灰、砂子用量的增加，礦粉作填料的涂膜硬度由5H增加到6H;粉煤灰作填料的涂膜硬度先增大到6H后減小至5H;砂子作填料的涂膜硬度由5H逐漸減小至3H。這三種填料中，礦粉制作的涂膜硬度最大。

④綜上所述，當液粉比為1.0時，礦粉、粉煤灰和砂子作填料的涂膜均有較好的拉伸強度和硬度。其中以粉煤灰作填料的涂膜性能最好，抗拉強度達到2.58 MPa，斷裂伸長率達到271%，硬度為5H，已滿足《聚合物水泥防水涂料》（GB/T 23445—2009）中I型產品抗拉強度≥1.20 MPa、斷裂伸長率≥200%的標準要求。

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收稿日期：2021-11-22

作者簡介：李雪玲（1999—），女，本科生，研究方向：綠色建筑材料。

通信作者：付彎彎（1990—），女，博士，講師，研究方向：相變儲能材料和新型建筑涂料的制備及應用。

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