環保背景下防水涂層的制備與性能研究

鐵正檢測科技有限公司 楊清華

一、研究背景

隨著國內基礎建設的開展，高速公路、鐵路、房建、橋梁等規模不斷增加，整個建筑行業穩步發展，但是由于建筑材料和施工技術等限制，工程質量問題也逐漸凸顯，尤其是建筑的滲漏水、孔隙和裂縫問題影響著工程的使用壽命、提高了工程實體的維護保養和后期修復的成本[1-4]。在我國南方地區，由于氣候溫暖潮濕，空氣中存在大量的水分，造成建筑物墻體發霉、滲水現象，嚴重影響了房屋的使用年限和人們的日常生活。

在北方，夏季、冬季的降雨降雪同樣給不僅給建筑物的施工帶來了考驗，在使用過程中，滲水和凍融高速鐵路、公路、建筑的水泥混凝土結構帶來巨大的威脅[5-6]。由于施工技術和原材料的問題，水泥混凝土結構往往存在較多的微小孔隙，氯離子在混凝土中的擴散性與其微觀孔結構有很強的相關性，尤其是用于水工的混凝土由于海水中有害離子的侵蝕導致耐久性嚴重不足，凍融循環和氯離子的侵蝕對沿海城市的房屋及跨海大橋的損害更是屢見不鮮，成為影響結構耐久性及服役壽命的重要因素。建筑物的滲漏問題會影響建筑的外觀、實用性、耐久性和安全性。資料顯示，發達國家對建筑防水的投入高達建筑物總造價的10%，目前我國的防水造價一般占建筑物造價的1%左右[7-8]。建筑防水材料的研發和使用已連續三年被國家質檢局列入國家重點提升產品名單，建材的防水需求也日益提高。

目前，建筑防水材料主要分為以下五大類：防水卷材、防水片材、剛性防水材料、密封材料和防水涂層。憑借簡單的施工工藝、取材容易、造價低等優點，防水涂層目前在防水材料市場排名第二。防水涂層主要分為有機類、無機類和有機-無機復合類。有機涂層主要包括環氧樹脂涂層、有機硅涂層、聚氨酯涂層等，這類涂層的特點是柔韌性好、耐腐蝕性好，但是耐候性差、耐久性差。無機涂層主要包括無機鹽防水材料和水泥基滲透結晶型防水材料，其特點為與基體結合性好，耐候性好，但是柔韌性差，耐腐蝕性差。無機-有機涂層綜合具備無機涂層和有機涂層的優點，具備耐久性好，防水性能、力學性能優異，與基體結合性好的優點，并且對環境污染小。隨著人們對環境保護的重視，涂料產業也漸漸向無毒、綠色、無污染的方向的發展，有機-無機防水涂層是現在防水領域的熱點。

二、原材料及實驗方法

（一）原材料

1.水泥

防水涂層采用由山東生產的42.5快硬型硫鋁酸鹽水泥（RSAC）,其成分如下：氧化鈣含量46.1%，三氧化二鋁含量18.3%；二氧化硅8.6%,硫酸鹽含量14.7，其他12.3%。

2.乳液

乳液采用改性丙烯酸乳液（PA）以及改性VAE乳液，其中，PA乳液為乳白色，固含量51%，黏 度890mPa.S，pH=8.3;VAE乳液為乳白色，固含量59%，黏度730mPa.S，pH=4.6。

3.納米材料

填料等選用納米碳酸鈣、納米二氧化鈦、納米二氧化硅，純度99%。

4.助劑（見表1）

表1 基本信息

（二）試驗方法

水泥基聚合物防水涂料的檢測方法采用GB/T 23445-2009《聚合物水泥防水涂料》標準中要求的試驗方法檢測黏結強度、吸水率、不透水性、低溫柔性以及耐久性；拉伸性能采用 GB/T 528《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》檢測。

（三）乳液改性

在制備乳液時加入1%的引發劑以及30%的功能性改性單體，0.1%的絡合劑制備改性乳液。

三、納米改性聚合物-水泥基防水涂層

（一）乳液與RSAC相容性

PMCC性能與所選乳液與水泥之間兼容性密不可分，重點是水泥的水化不會導致乳液的分層。因為乳液屬于水分散體，是在陰離子乳化劑作用下形成的微粒懸浮液。乳化劑使粒子表面帶負電，這種帶負電的聚合物粒子通過吸引系統中的陽離子形成雙電層，使乳液能夠更穩定地存在。當乳液和水泥一起攪拌時，乳液中陽離子增加，溶液中粒子相斥減少，從而壓縮雙電層，降低電動電位（總電位），降低乳液的穩定性。

本實驗通過改性乳液（PA/VAE）與其他乳液進行對比驗證RSCA穩定性的變化，即在50ml乳液中分次加入RSAC（每次5g水泥，1g水），直到去乳液情況產生。通過表2對比不同乳液穩定性能夠發現改性乳液由于對負電離子情況進行影響，使得對乳液穩定性影響下降。（見表2）

表2 乳液與水泥的相容性

（二）納米二氧化鈦對聚合物水泥基防水涂層性能影響

1.黏度變化

納米二氧化鈦較高的表面活性與改性乳液制備的PMCC具有較大的積極影響。通過對比1%-2%，3%-5%，7%-9%三個不同情況下的摻配比例最終確定0%-1%為最佳摻和比例，因為隨著納米摻和料的比例增加，涂料逐漸增加，2%以上時很難攪拌成型，無法滿足生產。如圖1。

圖1 不同比例下的性能對比

2.力學性能

納米摻料的引入對涂料流變性能影響較為明顯，同時力學性能也有較大變化。隨著摻和料的摻入比例增加呈現先升后降的情況，當摻和比例達到1.6%時，黏結強度最高達到3.5MPa，比空白試樣強度高1.3MPa，這是因為納米材料的延阻效應，通過阻止聚合物內部分子的滑移，當摻量大于1.6%之后，由于納米材料的特性導致其內部存在一定缺陷，使得力學性能下降。如圖2。

圖2 不同比例下的力學性能對比

3.防水性能

如圖3所示，由于涂層中摻入了一定量納米摻和料，對微孔進行了填充，因此在微觀中明顯隨著摻和料的加入降低了涂層的吸水率，但對比發現摻量對吸水率總的影響不大，因此更加確認對比空白試樣吸水率變化并非親/疏水引起的，而是對微觀孔隙的填充，同時降低微孔。

圖3 不同比例下的防水性能對比

四、耐久性

（一）耐酸堿性

當養護樣品至5d后，分別將PMCC浸入氫氧化鈉/硫酸溶液（0.1mol/L）中7d探究其力學性能損失率，驗證納米摻和料對PMCC性能影響。

隨著摻量的增加，力學性能損失呈現先降后升的趨勢，這說明納米摻和料可以顯著改善涂層的耐酸堿性。當摻量為1.6%時，其拉伸強度損失和斷裂伸長率損失最小。這是因為納米摻料優化了改性乳液的微觀結構，使涂層微觀分子上堆積更緊密。當摻量超過1.6%時，損失率上升，可能是由于團聚造成的微觀缺陷增加。如圖4。

圖4 納米TiO2對PMCC耐酸堿性能的影響

（二）耐老化性

通過熱老化箱對防水涂料熱老化性能進行分析，當養護至5d齡期時放入熱老化試驗箱中7d，探究力學性能損失情況，即高溫是否對PMCC產生較明顯的破壞，如圖5中發現摻料變化對熱老化性能影響較小。

圖5 納米TiO2對PMCC耐堿性的影響

五、結論

本文通過改性乳液及納米摻和料制備的聚合物水泥基防水涂料，主要研究其力學性能及耐久性，得出以下結論：通過研究納米摻料對涂層性能的影響，可以確定納米摻和料的最佳摻量為1.6%；當摻量在1.6%時其力學強度、耐酸堿性均得到極大的提升，但耐老化性影響較小。