減水劑對(duì)聚合物水泥防水涂料的性能影響

陳梓禾 周成宇 付彎彎 盧雨婷 李雪玲

（武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023）

0 引言

聚合物水泥防水涂料（簡(jiǎn)稱JS防水涂料）是以丙烯酸酯、乙烯-乙酸乙酯等聚合物乳液和水泥為主要原料［1］，加入填料及其他助劑配制而成，經(jīng)水分揮發(fā)和水泥水化反應(yīng)固化成膜的雙組分水性防水涂料［2］，兼具有機(jī)材料彈性高以及無(wú)機(jī)材料耐久性好的特點(diǎn)［3］，并以水作為載體，是一種綠色環(huán)保型的防水材料，在建筑防水領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用［4］。

有機(jī)聚合物乳液、水泥以及石英砂是聚合物水泥防水涂料成膜物質(zhì)的組成部分，它們通過(guò)反應(yīng)固化成膜，其成膜過(guò)程既有聚合物乳液的物理?yè)]發(fā)，也有無(wú)機(jī)膠凝材料劇烈的水化反應(yīng)［3］，成膜過(guò)程中水泥顆粒在短時(shí)間內(nèi)被聚合物乳液所包覆，該過(guò)程伴隨著一定量水分的揮發(fā)損失，由于失去部分水分，高分子顆粒物之間的黏滯力增強(qiáng)，繼而使顆粒分子產(chǎn)生黏結(jié)效果，在其表面形成一層彈性薄膜；另一部分存在于乳液之中的水分則被水泥吸收，發(fā)生水化反應(yīng)使得水泥固化，這是由于在加入聚合物乳液后形成了一種致密的防水結(jié)構(gòu)，加快了水泥水化反應(yīng)的效率，進(jìn)而提高了固化速度。通過(guò)兩種組分自身與水以及兩種組分之間的物理化學(xué)反應(yīng)和相互作用，最終形成有機(jī)高分子聚合鏈與無(wú)機(jī)水泥水化物之間相互貫穿包裹的致密結(jié)構(gòu)，從而阻擋水分子的滲透，起到阻水、防水的作用［4］，對(duì)于防水涂料性能的改變以及提升具有顯著的影響［5］。而加入減水劑能有效降低水泥用量并提高聚合物水泥防水涂料產(chǎn)品性能，其中聚羧酸系高效減水劑相較于傳統(tǒng)減水劑具有更好的性能，對(duì)傳統(tǒng)減水劑的不足有明顯改善［6-8］,聚羧酸高效減水劑相較于傳統(tǒng)減水劑能在混凝土施工過(guò)程中，更好地保證一定時(shí)間內(nèi)混凝土的坍落度保持在一定范圍內(nèi)，而不出現(xiàn)減小的情況，同時(shí)使混凝土的收縮性能維持一定水平，可有效減少混凝土的收縮狀況，在實(shí)際產(chǎn)品制備中聚羧酸減水劑無(wú)須使用CH4，更加清潔經(jīng)濟(jì)，未來(lái)具有可持續(xù)發(fā)展的潛力［9］。有機(jī)硅減水劑以及萘系減水劑則因?yàn)槠渲苽浞椒ê?jiǎn)單易行，原料來(lái)源廣泛，制備成本低［10］，具有良好的應(yīng)用前景。基于此，筆者選用上述三類減水劑進(jìn)行試驗(yàn)研究。目前，已公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，僅有針對(duì)聚羧酸減水劑對(duì)聚合物水泥防水涂料性能影響的研究，相關(guān)文獻(xiàn)表明，聚羧酸減水劑與JS防水涂料均為環(huán)境友好型產(chǎn)品，并且兩者具有良好的兼容性，在JS防水涂料中加入聚羧酸減水劑后能顯著改善涂膜的拉伸性能，與此同時(shí)，在實(shí)際生產(chǎn)中也能有效控制生產(chǎn)成本，因此，聚羧酸減水劑具有良好的應(yīng)用前景［11］。而其他類型減水劑也同樣對(duì)于聚合物水泥防水涂料性能具有明顯改變，但缺少關(guān)于不同類型減水劑的摻量對(duì)聚合物水泥防水涂料性能影響的研究，因此，本研究探討了不同類型減水劑的摻量對(duì)聚合物水泥防水涂料的性能影響，以期為后續(xù)聚合物水泥防水涂料的制備提供性能更良好的配方。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液，北京蒙泰偉業(yè)建材有限公司生產(chǎn)；42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，華新水泥廠生產(chǎn)；普通河砂，粒徑100～200目；γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550，分子式C9H23NO3Si，分子結(jié)構(gòu)見圖1），山東優(yōu)索化工科技有限公司；萘系減水劑（FDN-C），山東優(yōu)索化工科技有限公司生產(chǎn)；聚羧酸減水劑（PCE-11），山東優(yōu)索化工科技有限公司生產(chǎn)；有機(jī)硅減水劑，湖北新四海化工股份有限公司生產(chǎn)。

圖1 KH-550分子結(jié)構(gòu)

1.2 聚合物水泥防水涂料具體配方

聚合物水泥防水涂料具體配方見表1。

表1 加入不同減水劑聚合物水泥防水涂料具體配方

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 防水涂膜的制備。分別按照表1所示的比例配制JS防水涂料相應(yīng)的液料和粉料，然后稱取一定量的液料加至攪拌容器內(nèi)手動(dòng)攪拌1 min，再用電動(dòng)攪拌機(jī)以300 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌3 min，使其分散至體系中無(wú)明顯團(tuán)聚顆粒，即制成聚合物水泥防水涂料，然后進(jìn)行涂膜。為了便于脫模，在涂覆前模具表面可用硅油或脫模劑處理。樣品分3次涂覆，最后一次將表面刮平，并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)6 d，固化后分2次涂覆，使涂層厚度達(dá)到（1.5±0.2）mm。脫模后，用沖片機(jī)將試樣沖切成符合聚合物水泥防水涂料規(guī)定的啞鈴Ⅰ型試件，每組5個(gè)試件，1個(gè)備用件［12-13］。

1.3.2 拉伸測(cè)試。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23445－2009《聚合物水泥防水涂料》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為200 mm/min。

1.3.3 硬度測(cè)試。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6739－1996《涂膜硬度鉛筆測(cè)定法》進(jìn)行測(cè)試。

1.3.4 光澤度測(cè)試。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1743—79（89）《漆膜光澤測(cè)定法》中的規(guī)定進(jìn)行光澤度檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 減水劑比例對(duì)聚合物水泥涂料抗拉強(qiáng)度的影響

由圖2可知，隨著減水劑摻量的增加，制得涂層的抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但不同種類減水劑的影響程度不同。其中，有機(jī)硅減水劑的添加對(duì)涂層的抗拉強(qiáng)度影響最大，當(dāng)采用聚羧酸減水劑和萘系減水劑時(shí)，當(dāng)加入減水劑用量達(dá)水泥用量的0.625%前，涂膜的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且增速較為緩慢，聚羧酸減水劑制作的涂膜抗拉強(qiáng)度由1.19 MPa增加到1.25 MPa；萘系減水劑制作的涂膜抗拉強(qiáng)度由1.15 MPa增加到1.22 MPa。對(duì)于這兩種減水劑而言，在此階段，減水劑的摻量越大，涂膜抗拉強(qiáng)度越大；在加入減水劑比例從0.625%增加到0.875%時(shí)，涂膜的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。聚羧酸減水劑制作的涂膜抗拉強(qiáng)度由1.25 MPa下降到1.17 MPa；萘系減水劑制作的涂膜抗拉強(qiáng)度由1.22 MPa下降至1.15 MPa。而導(dǎo)致涂層抗拉強(qiáng)度變化的原因是在JS防水涂料中，在加入聚羧酸減水劑后，由于混合料中存在水泥，使得JS防水涂料的流動(dòng)性存在顯著的提高。同時(shí)，聚羧酸減水劑的應(yīng)用提高了水泥成分的分散性，使得混合料更加均勻；但聚羧酸減水劑應(yīng)用過(guò)量時(shí)，像混凝土出現(xiàn)泌水現(xiàn)象一樣，混合料會(huì)出現(xiàn)一定的分層，從而降低了涂膜的拉伸強(qiáng)度［11］。而加入萘系減水劑后涂膜抗拉強(qiáng)度變化的原因是萘系減水劑作為一種表面活性材料，加入后對(duì)水泥顆粒起擴(kuò)散作用，將水泥的膠體中包含的游離水釋放出來(lái)。形象地說(shuō)，就像減水劑中有兩種離子，一種離子可以吸附水分子，所以可以增加減水劑的強(qiáng)度，一種離子可以排斥水泥分子，從而使減水劑的和易性增強(qiáng)［20］。

對(duì)于有機(jī)硅減水劑而言，在加入減水劑比例由0.25%增加到0.5%時(shí)，其涂膜抗拉強(qiáng)度由1.07 MPa增至1.27 MPa，抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率為18.7%。在加入減水劑比例由0.5%增加到0.875%時(shí)，抗拉強(qiáng)度由1.27 MPa減小至1.22 MPa。

在加入聚羧酸減水劑后降低了水泥水化所需水量和凝結(jié)速度，更加有利于水泥水化。通過(guò)提高加入減水劑比例可顯著減少水泥水化過(guò)程所需水量，膠粉溶解用水量也隨之有較大改變。當(dāng)加量適宜時(shí)，水泥水化和膠粉溶解均較充分，膠乳粒子能夠滿足很完好地包裹水泥及水化產(chǎn)物的需要，同時(shí)還有足量的膠乳粒子與水泥的水化產(chǎn)物相互作用，使涂料性能增強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率數(shù)值有所提高［20］。聚羧酸減水劑和萘系減水劑在加入比例為0.6%時(shí)，聚合物水泥防水涂料具有最大抗拉強(qiáng)度，有機(jī)硅減水劑在加入比例為0.5%時(shí)，聚合物水泥防水涂料具有最大抗拉強(qiáng)度。

圖2 不同減水劑對(duì)涂膜抗拉強(qiáng)度的影響

2.2 減水劑比例對(duì)聚合物水泥涂料斷裂延伸率的影響

由圖3可知，聚合物水泥防水涂料斷裂延伸率與減水劑種類和摻量的變化趨勢(shì)有關(guān)。

從減水劑種類上來(lái)說(shuō)，相較于未添加減水劑組，萘系減水劑制成的涂膜，隨著加入減水劑比例的增大，其涂膜斷裂延伸率沒(méi)有明顯的變化，總體上看呈平穩(wěn)趨勢(shì)，但其斷裂延伸率明顯高于未添加減水劑組數(shù)據(jù)，在加入減水劑比例由0.25%增加至0.875%時(shí)，涂膜斷裂延伸率由320.1%改變至321.3%，沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，且斷裂延伸率變化曲線總體呈平穩(wěn)趨勢(shì)。而有機(jī)硅減水劑和聚羧酸減水劑兩者對(duì)于涂膜的斷裂延伸率的影響具有相同的趨勢(shì)，隨著這兩種減水劑摻量的增加，涂層的斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。聚羧酸減水劑制成的涂膜，在加入減水劑比例由0.25%增加至0.875%時(shí)，涂膜斷裂延伸率由245.6 MPa增至286.82 MPa，增長(zhǎng)率為16.8%；而有機(jī)硅減水劑制成的涂膜，其斷裂延伸率由228 MPa增至252.3 MPa，增長(zhǎng)率為10.7%。在加入減水劑達(dá)到一定比例后，其斷裂延伸率強(qiáng)度將優(yōu)于未加減水劑組斷裂延伸率強(qiáng)度。導(dǎo)致涂層斷裂延伸率變化的原因是減水劑分子在水泥顆粒表面處產(chǎn)生積蓄，使水泥表面處電荷平衡被破壞，水泥顆粒因此顯電性，由于相同電性電荷之間會(huì)產(chǎn)生排斥力，在該電荷排斥力作用下水泥顆粒原有平衡狀態(tài)被打破，水泥顆粒均勻分布在混合液各處，并懸浮于混合液中，原本被水泥所包裹的水分也因水泥顆粒平衡狀態(tài)的改變被釋放出來(lái)，從而使涂膜拉伸性能得到顯著提高，使涂膜在水油等壓力作用下具有更好的抵抗?jié)B透的性能［13］，故若加入減水劑比例不適宜，則會(huì)導(dǎo)致涂料性能較差，無(wú)法達(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)保的要求。

綜上可見，加入有機(jī)硅減水劑和聚羧酸減水劑，隨加入比例的增加，聚合物水泥防水涂料斷裂延伸率會(huì)隨之增加，加入萘系減水劑的比例改變對(duì)于涂料斷裂延伸率而言沒(méi)有較大的影響。而萘系減水劑只含有一種親水基團(tuán)（—SO3H），僅以靜電斥力為主，剛直鏈的結(jié)構(gòu)很快就被水化產(chǎn)物所覆蓋，故對(duì)水泥無(wú)緩凝作用［14］。若加入減水劑比例不適宜，則會(huì)導(dǎo)致涂料性能較差，無(wú)法達(dá)到經(jīng)濟(jì)環(huán)保的要求。

圖3 不同減水劑對(duì)涂膜斷裂延伸率的影響

2.3 減水劑比例對(duì)聚合物水泥涂料硬度的影響

鉛筆硬度能夠反映涂層表面耐劃痕或耐產(chǎn)生其他缺陷的能力，是衡量涂層性能的重要指標(biāo)之一，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6739－1996《涂膜硬度鉛筆測(cè)定法》對(duì)涂層硬度進(jìn)行測(cè)試［15］。晶體生長(zhǎng)發(fā)育的好壞和晶體排列的緊密程度直接影響著聚合物水泥防水涂料的強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能［15］。減水劑通常是具有較低活性的表面活性劑，分子結(jié)構(gòu)中通過(guò)親水基團(tuán)與憎水基團(tuán)的合理搭配，從而達(dá)到將膠凝材料顆粒在摔合水中良好的分散，最終產(chǎn)生預(yù)期的減水效果［16］,而降低水灰比可以減少聚合物水泥防水涂料的孔隙率，改善晶體聚集體排列結(jié)構(gòu)，并可以提高聚合物水泥防水涂料的密度，從而提高聚合物水泥防水涂料的強(qiáng)度。不同減水劑的摻量對(duì)聚合物水泥防水涂料硬度的影響測(cè)試結(jié)果如表2所示。隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，制得涂層的硬度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，其最大硬度為4H，而有機(jī)硅減水劑制成的涂膜在加入比例為0.75%時(shí)達(dá)到最大硬度5H，涂層的鉛筆硬度整體趨于穩(wěn)定。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，減水劑對(duì)涂層的鉛筆硬度影響不大，對(duì)于添加有機(jī)硅減水劑制得的涂層，在加入有機(jī)硅減水劑比例為0.75%時(shí)達(dá)到最大硬度5H，涂層的鉛筆硬度整體趨于穩(wěn)定。對(duì)于添加聚羧酸減水劑制得的涂層，隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，制得涂層的硬度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，其最大硬度為4H。對(duì)于添加萘系減水劑制得的涂層，隨加入萘系減水劑比例的增大，其鉛筆硬度呈逐漸減小趨勢(shì)，最小硬度為4H。

表2 減水劑比例對(duì)聚合物水泥涂料硬度的影響

2.4 減水劑比例對(duì)聚合物水泥防水涂料光澤度的影響

光澤度是表示物體的表面接近鏡面的程度的性質(zhì)，它能有效體現(xiàn)物質(zhì)是否具有方向選擇的反射性質(zhì)［19］。由圖4可知，隨著3種減水劑添加量的增加，涂層的光澤度整體上均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，相比于未加入減水劑組，在加入減水劑比例較低時(shí)，其光澤度有顯著提高。加入聚羧酸減水劑涂膜光澤度由2.8逐漸減小至2.2，加入有機(jī)硅減水劑涂膜光澤度由2.7減小至2.1，有明顯下降趨勢(shì)。加入萘系減水劑的聚合物水泥防水涂膜光澤度由2.7減小至2.2。而在加入減水劑比例至一定量時(shí)，聚合物水泥防水涂料光澤度會(huì)低于未加入減水劑組的光澤度。

圖4 不同減水劑對(duì)涂膜光澤度的影響

3 結(jié)語(yǔ)

筆者研究了減水劑種類以及用量對(duì)JS防水涂料性能的影響。結(jié)果表明：在加入0.6%左右比例聚羧酸減水劑、有機(jī)硅減水劑以及萘系減水劑后，能有效改善聚合物水泥防水涂層抗拉強(qiáng)度，隨加入萘系減水劑和聚羧酸減水劑比例的增大，涂層斷裂延伸率也隨之增大；涂層硬度基本處于最大硬度，加入聚羧酸減水劑組最大硬度為4H，萘系減水劑組最大硬度為5H，有機(jī)硅減水劑最大硬度為4H。JS涂層光澤度隨加入減水劑比例的增大呈下降趨勢(shì)，但在一定范圍內(nèi)，涂層仍具有較好的光澤度。因此存在一定的可行范圍，加入減水劑用量在該范圍內(nèi)能有效提高聚合物水泥防水涂料的拉伸能力，同時(shí)具有良好的硬度以及光澤度，并能降低生產(chǎn)成本，具有良好的發(fā)展前景。