聚合物水泥防水涂料的耐水性研究及制備

龔興宇 盧銳賢 溫澤玲 黃莉恒

（科順防水科技股份有限公司）

聚合物水泥防水涂料（簡稱JS 防水涂料）是一種環境友好，耐化學性強，抗老化性好的雙組份、水性綠色建筑環保材料。它使用方便，粘結力強，可直接在無明水的潮濕基面上輥涂或噴涂施工，可應用在廚衛間、坡屋面、建筑物內外墻等。JS 防水涂料實行國標GB/T 23445-2009，該標準根據力學性能的不同將產品劃分為I、II、III 三種，其中II 型產品的應用最廣泛。

在實際的地下防水工程中，常用的防水材料一般為高聚物改性瀝青防水卷材、合成高分子防水卷材、合成高分子防水涂料，代表性產品有SBS、TPO、PU 等，JS 防水涂料在地下工程中的應用卻極少。究其原因，主要受限于產品長期浸水后的性能保持率難以滿足要求[1]。GB 50108-2008 和即將實施的《建筑與市政工程防水通用規范》都對JS 防水涂料浸水后的物理性能有很高的要求。特別是浸水處理后的拉伸性能、粘結強度保持率及抗滲性保持率這三個力學性能指標，對水性涂料在長期浸水環境中的應用具有極其重要的意義。本研究主要圍繞這三個力學性能指標，考察乳液類型對JS 防水涂料浸水后物理性能的影響，并確定聚灰比、水泥和填料等因素的最佳配方組，為防水涂料在長期浸水環境的應用提供思路和參考。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

苯丙乳液A、VAE 乳液B、丁苯乳液C ：市售產品；P·O42.5，海螺水泥；P·W32.5，阿爾博；400 目重鈣、400 目滑石粉、250 目石英粉：廣東英德；增稠劑：萬華化學；分散劑：廣州凱聚；消泡劑：巴斯夫；防腐劑：廣州凱聚。

1.2 實驗設備

微機控制電子萬能試驗機：ETM 530B 5000N，深圳萬測試驗設備有限公司；拉拔試驗機：LBY-V 0.5 級，北京天譽科技有限公司；分析天平：XSE 204，METTLER TOLEDO；馬弗爐：LT15/12，納博熱工業爐有限公司；真空干燥箱：DZF 6050，嘉興市中新醫療器械有限公司；超景深三維數碼顯微鏡：DVM 6，招徠相機貿易（上海）有限公司；接觸角測量儀：SDC 200S，廣州澳金工業自動化系統有限公司；砂漿數顯抗滲儀：SJS-1.5S，無錫建儀儀器機械有限公司；防水卷材不透水儀：TDS-5，滄州大地龍華儀器有限公司。

1.3 耐水型聚合物水泥防水涂料的制備

采用表1 所示的配方制備耐水型聚合物水泥防水涂料。

表1 耐水型聚合物水泥防水涂料基礎配方

1.4 性能測試

JS 防水涂料樣品的制備、養護均按GB/T 16777-2008 的要求進行。吸水率試驗按照標準JG/T 375-2012 的要求進行。JS 防水涂料的性能判定按照GB/T 23445-2009 II 型和GB 50108-2008《地下工程防水技術規范》聚合物水泥的要求進行。環保綠色指標檢測及判定按照JC 1066-2008 A 級要求進行。

2 結果與討論

2.1 乳液對接觸角的影響

接觸角是指在氣、液、固三相交點處的氣液界面的切線與固液界面之間所形成的夾角θ，是表征液體對基材表面潤濕能力的重要參數。在本次試驗中，接觸角θ 越大，表明水在乳液膜或涂膜表面的潤濕性越差，意味著水難以在乳液膜或涂膜表面鋪展。

從表2 可見，乳液A 的乳液膜和涂膜浸水前接觸角均是三種乳液中最大。浸水后乳液膜和涂膜晾干4h 后接觸角能快速恢復到浸水前水平，這得益于聚合物中的苯環和脂肪側鏈本身呈現較強的疏水性。加入粉料后，聚合物含量下降，涂膜疏水性隨之下降，對比乳液膜接觸角下降約33%。乳液B 單體聚合度較高，分子量達二十幾萬，遠高于乳液A 和乳液B，乳液膜也呈現出一定的疏水性。制成涂料后，水進入涂膜后引起乳液膜溶脹，在同等干燥時間內多余水分難以揮發，加之乳液聚合時引入的PVA 帶來大量的羥基，導致涂膜表面親水官能團數量明顯上升，因此常溫晾干后涂膜接觸角仍急劇下降72.7%，呈現極強的親水性。但經24h 烘干處理后，涂膜內部和表面附著的水膜被完全蒸發，最終干膜的接觸角比浸水前涂膜更高。乳液C 所用單體苯乙烯和丁二烯雖是非極性疏水型單體，難溶于水，但在乳液制備過程中會用到大量的表面活性劑，如乳化劑、引發劑等，因此乳液膜和涂膜浸水前親水性較強。浸水后表面活性劑擴散到水體中，乳膠粒的疏水性就顯現出來，表現為浸水后（晾干）乳液膜和涂膜的接觸角均有較大幅度增加。

表2 乳液及涂膜浸水前后接觸角變化

2.2 乳液對吸水率的影響

將乳液膜和涂膜浸入水中7d 后測定其吸水率，如圖1 所示。從圖1 可以看出，三種乳液的吸水率差異很大。浸水7d 后乳液A 的乳液膜吸水率為10.9%，為三種乳液中最低，而所制得的涂膜吸水率增加到12.5%，為三種乳液中最高。雖然乳液C 的乳液膜吸水率最高，達到15.4%，但制備的涂膜吸水率只有6.1%，說明涂膜的吸水率由聚合物和水泥填料組成的混合體系所決定[2]。一方面丁苯涂膜浸水后呈現較強的疏水性；另一方面丁苯乳液可促進水泥體系生成難溶于水的鈣礬石晶體，進而堵塞水進入的通道，因而達到較低的吸水率。乳液B吸水率介于乳液A 和乳液C 兩者之間，但并不能反映出該乳液實際的防水效果。在本次試驗中，乳液B 在浸水期間已出現乳液膜起泡分層，涂膜有不溶于水的結晶物析出等異常情況。

圖1 乳液膜和涂膜浸水7d 后的吸水率對比

2.3 乳液對水泥水化程度的影響

JS 防水涂料中的水分為化學結合水和非化學結合水兩種。其中，化學結合水包括水分與膠凝材料的離子結合和結晶型分子結合。涂膜中的化學結合水量隨水化進程而增加。化學結合水較難去除，只能在強化學作用或熱作用（如煅燒）時才能將水分除去。因此，為了定性地顯示涂料中水泥的水化進程，可使用馬弗爐煅燒方法測量化學結合水[3-5]。具體操作過程如下：首先將乳液A、乳液B、乳液C 分別按照聚灰比0.3 配置成涂料，同時配置水灰比相同的純水泥漿料；隨后在標準養護室（23℃，50%RH）下進行養護。對于不同養護期的試樣，剪碎后使用粉碎機進行處理，過30 目篩后用異丙醇浸泡處理30min 中止水化，接著放入45℃真空干燥箱中干燥24h，然后于65℃烘箱干燥24h，最后測定試樣在1000℃下灼燒l h 的燒失量。其燒失量主要包括化學結合水、乳液在灼燒過程中完全燃燒的質量以及純水泥自身的燒失量[6]。對于聚合物和水泥混合體系，t 時刻化學結合水含量的計算公式如下：

化學結合水含量Wt（%）=100×[（干燥后漿料質量-灼燒后漿料質量-漿料中乳液固體質量）/灼燒后漿料質量-LOI]，其中：

水泥燒失量LOI（%）=100×（灼燒前水泥質量-灼燒后水泥質量）/灼燒后水泥質量。

圖2 是不同養護時間下試件的化學結合水含量。如圖所示，在不同養護時間內，涂料的化學結合水均比純水泥漿料低，即不同種類的乳液添加均抑制了水泥的水化進程，但抑制程度不同。其中，乳液C 涂料中存在的化學結合水最多，表明它對水泥水化的抑制程度最小，乳液A 對水泥水化抑制程度最大。隨著養護時間的延長，三種乳液對水泥的水化抑制效果減弱，至11d 時，已趨于平穩。總體來說，乳液C 對水泥的水化進程影響更小，使水泥可以提供給涂料更高的強度，對涂料的力學性能有正向的幫助。

圖2 三種涂料在不同養護時間下的化學結合水量

2.4 乳液對涂料微觀形態的影響

將2.3 中三種涂膜養護14d 后，觀察涂膜浸水3d后表面或橫截面的微觀形態。

如圖3(a)所示，乳液A 涂膜內部存在較多絲狀聚合物膠黏體以及水泥發生水化后生成的凝膠和晶體。浸水3d(b)后發現，涂料內部的絲狀物質基本消失，形成了相互交錯的蜂窩狀結構。這是由于水分子進入涂膜內部，導致聚合物乳液粒子包裹的水泥發生進一步水化，生成的結晶態水化產物析出附著在乳液粒子表面[7]。乳液B 涂膜浸水前后(c、d)表面發現，浸水后(d)涂料表面出現許多明顯的微裂紋。裂紋的產生與水進入涂膜后與大量未參與水化反應的水泥顆粒發生“二次水化”有關。與乳液A 不同的是乳液B 本身耐水性更差，生成的無機產物更多，導致涂膜受到膨脹應力破裂。而乳液C 涂膜中，浸水前后(e、f)涂膜內部的絲狀聚合物膠黏體沒有發生明顯的變化，說明沒有太多的水分子進入涂料內部促使水泥進一步水化。該試驗也進一步說明，乳液C 所制得的涂料有更好的耐水效果，可以有效地阻止水分進入涂料內部。

圖3 三種涂料浸水前后的微觀形貌

2.5 浸水時間對防水涂膜力學性能的影響

按照GB 50108-2008 標準對三種防水涂料進行長時間浸水試驗。由圖4 可見，防水涂料浸水3d 后拉伸強度急速衰減，至浸水14d 時趨于穩定。相比乳液A 和乳液B，乳液C 所制的涂料在長期浸水情況下仍保持良好的拉伸強度[8]，表3 不透水性的測試也證明了這一點。浸水28d 后乳液C 防水涂膜的不透水性遠好于乳液A和乳液B。

圖4 長期浸水拉伸強度監測

表3 不透水性測試

2.6 聚灰比對防水涂膜力學性能的影響

從圖5 和圖6 可以看出，在液粉比不變的條件下，使用乳液C 制備的JS 防水涂膜隨著聚灰比的增加，無處理拉伸強度略有下降，無處理斷裂伸長率逐步增加，潮濕基面的粘結強度逐步增加。這是由于配方中已有足夠的粘結料潤濕和包裹水泥以及填料，顏料體積濃度（PVC）已超過臨界顏料體積濃度（CPVC），繼續增加聚合物含量，聚合物存在涂膜之中，總體表現為柔性增加，剛性降低。同時乳膠粒也能更好地滲透到水泥標準塊的微細毛孔中，產生強力錨固作用，因此附著力更好。浸水7d 后，拉伸性能和粘結強度保持率均有下降，并與聚灰比成反比關系。當聚灰比＞0.7 時，浸水處理后的斷裂伸長率大于80%，拉伸強度大于1.5MPa，粘結強度保持率大于80%，符合GB 50108-2008 聚合物水泥防水涂料耐水性能要求。因此，綜合考慮浸水前后拉伸性能和粘結強度數據，優選聚灰比為0.715。

圖5 聚灰比對防水涂膜拉伸性能的影響

圖6 聚灰比對防水涂膜粘結強度的影響

2.7 不同水泥種類及用量對防水涂膜力學性能的影響

由表4 可以看出，隨灰水泥添加量提高，無處理及浸水拉伸強度逐漸下降，在40%～60%時性能接近。白水泥體系與灰水泥規律大體一致。白水泥一般為高鋁水泥，早期鋁酸三鈣水化更快，強度建立早。因此，白水泥的浸水拉伸強度及拉伸強度保持率均高于灰水泥，斷裂伸長率則相反。為達到較好的浸水拉伸性能，宜選擇白水泥。

表4 不同水泥種類及添加量

2.8 填料種類對防水涂膜力學性能的影響

將相同用量、不同種類的填料與白水泥進行混合制備成JS 防水涂料的粉料，粉料成分的比例見表5。

表5 不同填料種類配比

從圖7 可以看出，當聚灰比相同、填料種類不同時，防水涂膜的拉伸性能結果存在很大的差異。以重鈣為填充材料的防水涂膜的拉伸性能最佳。重鈣相比其他粉料，表面粗糙，分散性較好，本身又是弱極性物質，在一定程度上可調節水泥的水化速度，更容易形成致密涂層。石英粉是用石英砂加工成的硬粒子，形狀不規則，在涂膜成形過程中形成骨架，雖有利于涂膜的抗開裂性，卻對防水涂膜的整體致密性有影響。滑石粉自身吸油量大，施工時涂膜不均勻，長期浸水時缺陷被放大，更容易受到水侵蝕，導致拉伸強度大幅下降。

圖7 不同填料種類對防水涂膜拉伸性能的影響

2.9 耐水型聚合物水泥防水涂料的綜合性能

通過優選乳液C、選擇合適聚灰比、水泥和填料種類和用量，重新配制的JS 防水涂料的各項性能測試結果見表6。由表6 可知，該防水涂料可同時滿足GB/T 23445-2009 及GB 50108-2008 標準要求。

表6 耐水型聚合物水泥防水涂料性能

2.10 環保綠色指標檢測

由表7 可見，所制得的聚合物水泥防水涂料可滿足JC 1066-2008 A 級要求。

表7 建筑防水涂料中有害物質限量

3 結論

⑴相比乳液A 和乳液B，乳液C 所制成的涂膜浸水后接觸角最大，吸水率最低。乳液C 對水泥的水化抑制效果最小，可以最大程度地發揮水泥水化后所提供的強度。從浸水前后的微觀形態來看，丁苯乳液在水中獨有的疏水效果可以更好地阻止水分子進入涂膜內部，從而提升JS 涂料的耐水性。

⑵以乳液C 為主要原料，篩選出合適的聚灰比、水泥種類和填料，所制得的耐水型JS 防水涂料，不僅符合GB/T 23445-2009 Ⅱ型標準，還符合GB 50108-2008 聚合物水泥防水涂料的耐水性能要求。