改性納米二氧化硅提高聚合物水泥防水涂料性能研究

黃世平 （福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350025）

1 引言

防水材料是建筑發(fā)展中不可或缺的組成部分，已大量應(yīng)用于地下室、地鐵、屋面、衛(wèi)生間等的防水工程，它不僅可以防止建筑物滲漏，更是能保護(hù)沿海地區(qū)鋼筋混凝土免受海水的侵蝕，對(duì)提高混凝土耐久性有著不言而喻的意義。聚合物水泥防水涂料（JS防水涂料）是目前國內(nèi)外用于建筑領(lǐng)域較為廣泛的一種防水材料，所謂JS防水涂料以丙烯酸酯、乙烯-乙酸乙烯酯等聚合物乳液和水泥為主要原料，再輔以填料和其他助劑配制而成，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。

隨著建筑物對(duì)防水性能要求日益提高，科研人員從多方面研究不斷改善JS防水涂料的性能，如張磊等采用正交試驗(yàn)法以苯丙乳液和乙酸乙烯酯乳液為主要原料制得拉伸性能優(yōu)異的JS防水涂料，其拉伸強(qiáng)度達(dá)1.56MPa，斷裂延伸率高達(dá)460%[1]。黃金榮通過研究各主要成分的用量確定JS防水涂料性最優(yōu)性能時(shí)的配比，其粉液比為1∶1、消泡劑及分散劑用量分別為0.5%及0.6%[2]。JS防水涂料在實(shí)際建筑工程防水中的應(yīng)用較為成熟和廣泛，但仍然存在些不足，如現(xiàn)階段大部分產(chǎn)品力學(xué)性能差強(qiáng)人意，耐久性及耐腐蝕性差等。納米SiO2具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、耐候性、高強(qiáng)度、高韌性等特點(diǎn)[3]。本文以改性納米SiO2添加入JS防水涂料中，并研究其對(duì)JS防水涂料性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原材料

聚合物水泥I型粉料、液料（福建銅浪建材科技發(fā)展有限公司），納米二氧化硅（15nm～20nm，深圳市天盛偉業(yè)化工有限公司），硅烷偶聯(lián)劑（KH-550，南京向前化工有限公司），鹽酸（AR，西隴化工股份有限公司），氫氧化鈉（AR，西隴化工股份有限公司），氯化鈉（AR，西隴化工股份有限公司），無水乙醇（AR，西隴化工股份有限公司），甲酸（AR，西隴化工股份有限公司）。

2.2 改性納米SiO2的制備

將10g納米二氧化硅分散入5g超純水與95g無水乙醇中，置于超聲波清洗儀分散30min，加入甲酸調(diào)節(jié)pH值約為4，而后加入5g的KH-550。然后置于溫度為90℃、轉(zhuǎn)速300r/min的恒溫加熱磁力攪拌機(jī)中水浴12h，反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫，將所得溶液于真空抽濾機(jī)抽濾，抽濾所得樣品于105℃電熱鼓風(fēng)干燥箱烘干3h，而后置于干燥器冷卻，所得粉末為改性納米SiO2

2.3 涂膜的制備與測(cè)試

2.3.1 涂膜的制備

將一定量改性納米SiO2分散入聚合物水泥I型粉料，而后與液料攪拌均勻，粉料與液料的比例為1:1，改性納米SiO2質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為其質(zhì)量與粉料及液料的比例。涂膜制備按按標(biāo)準(zhǔn)《聚合物水泥防水涂料》（GB/T 23445-2009）進(jìn)行，分2次或3次涂覆，兩道間隔時(shí)間為（12～24）h，使涂膜厚度為（1.5±0.2）mm，涂膜在溫度（23±2）℃，相對(duì)濕度為（50±10）%靜置 96h后脫模，脫模后涂膜反面向上在（40±2）℃恒溫干燥箱處理48h，取出后置于干燥器冷卻至室溫。

2.3.2 涂膜耐酸、耐堿、耐鹽測(cè)試

涂膜耐酸、耐堿測(cè)試方法為：將6個(gè)（120×25）mm的矩形試件浸入不同pH的酸堿溶液，液面高出試件表面10mm，連續(xù)浸泡（168±1）h取出，充分用水沖洗，擦干，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置4h，裁取符合GB/T 528要求的啞鈴I型試件，按GB/T 16777-2008中9.2.1章節(jié)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

耐鹽測(cè)試方法為：將6個(gè)（120×25）mm的矩形試件浸入不同濃度的氯化鈉溶液，液面高出試件表面10mm，連續(xù)浸泡（168±1）h取出，充分用水沖洗，擦干，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下放置4h，裁取符合GB/T 528要求的啞鈴I型試件，按GB/T 16777-2008中9.2.1章節(jié)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

3 結(jié)果分析與討論

改性納米二氧化硅摻量對(duì)JS涂膜拉伸性能影響如圖1所示，當(dāng)未摻入改性納米SiO2時(shí)，JS涂膜拉伸強(qiáng)度為1.42MPa、斷裂伸長(zhǎng)率為255%；隨著改性納米SiO2的摻量增加，JS涂膜拉伸強(qiáng)度顯著提高，斷裂伸長(zhǎng)率略微降低，當(dāng)改性納米SiO2摻量為1.0%，JS涂膜拉伸強(qiáng)度高達(dá)2.16MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為238%。其原因可能在于改性納米SiO2表面富含高活性的Si-O鍵和Si-OH基團(tuán)，其中，Si-O鍵可促進(jìn)涂料成膜時(shí)SiO2納米顆粒在涂膜中均勻分散，Si-OH基團(tuán)可使納米SiO2與聚合物的極性基團(tuán)產(chǎn)生強(qiáng)分子間的作用力。使涂膜形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)粘結(jié)界面作用力，進(jìn)而導(dǎo)致涂料拉伸強(qiáng)度提高。然而，隨著改性納米SiO2繼續(xù)增加，改性SiO2納米顆粒亦會(huì)團(tuán)聚嚴(yán)重，引起涂膜不均勻、裂紋、表面有顆粒等缺陷，導(dǎo)致JS涂膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均大幅降低，甚至低于未摻入改性納米SiO2的JS涂膜拉伸性能。因此，當(dāng)改性納米SiO2的摻量為1%對(duì)JS涂膜拉伸性能的提高最為顯著。此外，我們進(jìn)一步對(duì)比未改性納米SiO2摻量對(duì)JS涂膜強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn)，隨著比未改性納米SiO2摻量的增加，JS涂膜的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率均急劇地降低，其主要原因在于未改性的納米SiO2極易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使納米SiO2無法均勻分散入JS防水涂料中。

圖1 改性納米二氧化硅摻量對(duì)涂膜拉伸性能的影響

沿海地區(qū)的混凝土建筑物常年經(jīng)受海水、酸雨等腐蝕性水體的考驗(yàn)，提高JS防水涂料的耐腐蝕性對(duì)保護(hù)混凝土壽命具有不言而喻的意義。本文進(jìn)一步研究所制備改性納米二氧化硅JS涂料的耐腐蝕性，如圖2a所示，1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜在不同pH值酸堿性溶液浸泡168h后拉伸強(qiáng)度均超過1.1MPa，可高達(dá)1.96MPa；而未摻改性納米二氧化硅JS涂膜在耐酸堿試驗(yàn)中拉伸強(qiáng)度僅均超過0.8MPa，最高僅為1.32MPa。可見，1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜在耐酸堿試驗(yàn)后的拉伸強(qiáng)度要明顯強(qiáng)于未摻改性納米二氧化硅JS涂膜，尤其在面對(duì)堿性溶液中，1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜拉伸強(qiáng)度突出的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜和未摻改性納米二氧化硅JS涂膜不同pH值酸堿性溶液浸泡168h后的斷裂伸長(zhǎng)率卻相距不大（如圖2b）。綜上所述，摻入適量的改性納米二氧化硅有助于提高JS防水涂料的耐酸耐堿腐蝕性能。

圖2 不同pH值酸堿溶液對(duì)1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂料和未摻改性納米二氧化硅JS涂料拉伸性能的影響

圖3 不同濃度NaCl溶液對(duì)1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂料和未摻改性納米二氧化硅JS涂料拉伸性能的影響

此外，我們進(jìn)一步研究了改性納米二氧化硅JS涂膜的耐鹽性能。如圖3所示，1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜在經(jīng)過0%～10%NaCl溶液浸泡168h后的拉伸強(qiáng)度均能超過1.6MPa，斷裂伸長(zhǎng)率均能超過160%；未摻改性納米二氧化硅JS涂膜在經(jīng)過0%～10%NaCl溶液浸泡168h后的斷裂伸長(zhǎng)率均能超過175%，但拉伸強(qiáng)度最高僅能達(dá)1.22MPa。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，1.0%摻量改性納米二氧化硅JS涂膜與未摻改性納米二氧化硅JS涂膜在經(jīng)耐鹽試驗(yàn)后的斷裂伸長(zhǎng)率相差不大，但前者的拉伸強(qiáng)度卻遠(yuǎn)大于后者的拉伸強(qiáng)度。由此可見，摻入適量的改性納米二氧化硅有助于提高JS防水涂料的耐鹽腐蝕性能。

4 結(jié)論

本文主要研究了改性納米SiO2對(duì)JS的聚合物水泥的拉伸性能的影響，當(dāng)改性納米SiO2的摻量為1.0%時(shí)，顯著增強(qiáng)JS涂膜的拉伸強(qiáng)度，相較于未摻改性納米二氧化硅JS涂膜的拉伸強(qiáng)度提高了52%，同時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率僅輕微降低。此外，摻量為1.0%的改性納米二氧化硅JS涂膜展現(xiàn)出優(yōu)異的耐酸性、耐堿性及耐鹽性，有利于提高混凝土在酸堿性及鹽性環(huán)境的耐久性。