Künzel外墻涂料保護(hù)理論和建筑涂料涂膜的透水率

鄭公劭 （上海涂料染料行業(yè)協(xié)會，上海 200072）

1 Künzel外墻涂料保護(hù)理論

建筑外墻涂料的作用除了裝飾功能外，還能對墻面起到保護(hù)作用，包括抵抗雨雪、紫外線、酸雨及塵埃等侵蝕。外部的水分如果滲漏到墻面里，一旦遇到嚴(yán)寒氣候環(huán)境，墻面孔隙、裂縫里的水就會結(jié)冰，導(dǎo)致體積膨脹，擠壓墻體材料，使墻面結(jié)構(gòu)薄弱部分產(chǎn)生侵蝕、剝落現(xiàn)象。如果建筑結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土，水分的侵入使鋼筋發(fā)生銹蝕，銹蝕體的體積會膨脹1~4倍，引發(fā)混凝土中的細(xì)小裂縫擴(kuò)大，嚴(yán)重的會使保護(hù)層崩脫。這些都會嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的完整性、耐久性和安全性。對于外墻外保溫體系，水分的侵入會提高保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，降低保溫效果。因此，提高外墻涂料的抗透水性是優(yōu)質(zhì)外墻涂料的重要保證之一。

水和潮氣滲透入建筑物表面有兩個主要途徑：

（1） 水通過完整無缺的涂膜進(jìn)行擴(kuò)散；

（2） 通過涂膜的缺陷，如從細(xì)小和微細(xì)的裂縫滲透到建筑物的表面。

外墻建筑涂料要求具有較低的透水性，但并非越低越好。因為涂層下面的基材，如混凝土或磚砌墻面，基面多少存在潮濕因素。另外當(dāng)室內(nèi)溫度高于室外環(huán)境溫度時，室內(nèi)的水汽會通過墻面向溫度較低的室外擴(kuò)散滲透。如果外墻涂料涂膜非常致密，其對水蒸汽的滲透阻力必然非常大，水汽很難通過涂膜向外揮發(fā)，就會停留在墻體內(nèi)部。水汽擴(kuò)散受阻，導(dǎo)致濕氣在墻體內(nèi)部或涂層界面的積聚，產(chǎn)生應(yīng)力。濕度變化引起墻體內(nèi)外壓力不平衡，從而造成墻體表面結(jié)露潮濕現(xiàn)象，導(dǎo)致起皮分層，最終使涂膜起皮剝落。

如果水汽停留在砌體墻內(nèi)，基體的含濕量逐步增加，產(chǎn)生冷凝水聚集，對墻體熱工性能、結(jié)構(gòu)性能帶來不利影響，造成材料軟化、強(qiáng)度降低、飾面脫落等現(xiàn)象。特別是對于外墻外保溫體系的外層涂料，如果涂膜透氣性差，濕氣無法向外擴(kuò)散，留在保溫層材料內(nèi)，會使保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)升高，最終會影響到整個保溫體系的保溫效果和安全穩(wěn)定性。

綜上，外墻墻面采用涂料作飾面層，涂膜透水率要低，應(yīng)具有較好的防水性能。同時為防止墻體內(nèi)部的水蒸汽因無法及時擴(kuò)散到室外，停留在墻體內(nèi)部冷凝，甚至結(jié)冰，又要求外墻涂料涂膜具有較小的水汽滲透阻，也就是要使水蒸氣易于透過。所以理想的外墻涂料既要有良好的防水性能，又要有良好的水蒸氣透過性。任何單方面強(qiáng)調(diào)涂膜的防水性或涂膜的透氣性都是片面的，必須兩者兼顧。

在國內(nèi)外一些標(biāo)準(zhǔn)中，涂層毛細(xì)管吸水量的定量指標(biāo)是吸水系數(shù)（W）。

式中：W——吸水系數(shù)，kg/（m2·h0.5）；

Q——吸水量，kg/m2；

t——吸水時間，h。

涂層的水汽擴(kuò)散阻力通常用其擴(kuò)散等效空氣層厚度Sd值來表示（參閱EN ISO 12572—2016）。換句話說，Sd表示在給定厚度下，一層空氣（靜止空氣）必須有多厚才能具有與測試涂層相同的擴(kuò)散阻力。它們只適用于非常小的涂層厚度。

式中：Sd——等效靜止空氣層厚度，m；

μ——擴(kuò)散阻力系數(shù)，μ（空氣）=1；

s——涂膜厚度，m。

經(jīng)過大量的測試，德國人Künzel提出了一個外墻涂料保護(hù)理論，指出只有當(dāng)外墻涂膜透氣性（用等效靜止空氣層厚度表示）和透水性（吸水性）測試值及兩者綜合計算后達(dá)到某一個合適的值時，涂膜才具有優(yōu)異的保護(hù)功能。Künzel外墻涂料保護(hù)理論要求：W≤0.5 kg/（m2·h0.5）；Sd≤2 m；且W×Sd≤0.1 kg/（m·h0.5）。

綜合這3個要求，涂料的拒水性和透氣性必須落在圖1的陰影面積范圍內(nèi)，才能有較好的保護(hù)功能。

圖1 Künzel外墻涂料保護(hù)理論Figure 1 Künzel's theory of exterior wall paint protection

Künzel外墻保護(hù)理論的許多試驗是在位于慕尼黑南部靠近巴伐利亞阿爾卑斯山的霍爾茨克欽（HolzKirchen）試驗場進(jìn)行的。與大多數(shù)德國其它地點相比，其室外溫度波動和出現(xiàn)大風(fēng)降雨的情況相當(dāng)嚴(yán)重?？紤]到不同的氣候條件、墻面的不同朝向（如暴露于大風(fēng)雨中的墻面與受遮蔽的墻面受雨水的影響不一樣），另外大風(fēng)雨并不是墻內(nèi)唯一可能的濕氣源，霍爾茨克欽試驗場的數(shù)據(jù)難以普遍應(yīng)用，所以在被納入德國防雨灰泥和涂料標(biāo)準(zhǔn)（DIN 18558—1985）和德國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)（DIN 4108—2013）時，Künzel外墻保護(hù)理論中要求的W×Sd≤0.1 kg/（m·h0.5）已被修改為W×Sd≤0.2 kg/（m·h0.5）（見圖2）。針對不同的條件情況，各項指標(biāo)有所修正。如對設(shè)有內(nèi)保溫系統(tǒng)的建筑，設(shè)計指南要求W×Sd≤ 0.1 kg/（m·h0.5），但將W的上限降低至0.2 kg/（m2·h0.5），Sd降低到≤1.0 m。

圖2 德國防雨灰泥和涂料標(biāo)準(zhǔn)Figure 2 German standard for rain proofing stucco and paint

2 涂膜吸水性的影響因素研究

由于涂膜的透水性與它本身的吸水性密切相關(guān)，所以先討論涂膜的吸水性。影響涂膜吸水性的因素如下：

（1） 化學(xué)組成和聚合物極性；

（2） 水溶性鹽和乳化劑（包圍在粒子間，形成滲透壓）的種類和數(shù)量；

（3） 遇水膨脹助劑，如保護(hù)膠體的種類和數(shù)量；

（4） 粒徑；

（5） 聚合物的玻璃化溫度；

（6） 膜厚；

（7） 膜的質(zhì)量，干燥情況；

（8） 溫度；

（9） 鹽的含量和水的pH。

2.1 單體的極性對涂膜吸水性的影響

單體的極性對涂膜的吸水性有重要的影響。親水基團(tuán)（如羧基）溶于水，會提高吸水性。通常的規(guī)律是，在其它條件相同時，基體聚合物本身越親水，涂膜吸水性越高。這點可以從一系列聚丙烯酸酯聚合物在相同玻璃化溫度下的吸水量看出，如圖3所示。當(dāng)鏈長降低，軟丙烯酸酯單體的極性上升［極性由小到大的順序依次為EHA（丙烯酸異辛酯）

圖3 不同純丙和苯丙聚合物膜的吸水率（相同的Tg和穩(wěn)定體系）Figure 3 Water absorption of different pure acrylic and styrene-acrylic polymer films（same Tg and stable system）

2.2 玻璃化溫度對涂膜吸水性的影響

圖4為相同玻璃化溫度的苯丙/純丙乳液涂膜吸水性和抗水汽擴(kuò)散性，如圖4數(shù)據(jù)所示，對這些最低成膜溫度幾乎相同的聚合物分散體，當(dāng)涂膜的抗水汽擴(kuò)散性上升時，其相應(yīng)的吸水性就下降。純丙烯酸共聚物的吸水程度和水汽透過性都比苯丙聚合物高。當(dāng)共聚物變得更疏水時，其水汽透過性和吸水性會同時下降。如果降低涂膜的吸水性，往往也會使其水汽透過率變差。

圖4 相同Tg的苯丙/純丙乳液的吸水性和抗水汽擴(kuò)散性Figure 4 Water absorption and water vapor resistance to diffusivity of styrene-acrylic/pure acrylic emulsion with the same Tg

2.3 乳液粒徑對涂膜吸水性的影響

乳液粒徑尺寸對涂膜吸水性的影響見圖5。

圖5 乳液粒徑尺寸對涂膜吸水性的影響Figure 5 Effect of particle size of emulsion on water absorption of film

由圖5可見，乳液粒徑較大時，則成膜性能相對較差，?，F(xiàn)出快速的水滲透性；而乳液粒徑較小時，能形成更為連續(xù)的涂膜，吸水較慢，但是涂膜長期浸入水中后，常常會得到較高的吸水率。

2.4 涂膜的水汽透過率與吸水性之間的關(guān)系

涂膜的水汽透過率與吸水性是相互聯(lián)系的。Kossmann和Schwartzanzh按照DIN 52615—1987標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了試驗，結(jié)果（圖6）證明苯丙乳液涂膜的水汽透過率比純丙乳液低。試驗循環(huán)是將涂膜浸入水中24 h后取出，再在50 ℃條件下干燥48 h。涂膜預(yù)先在室溫條件下干燥幾天（保持恒重），干膜厚度約500 μm。對所有的乳液而言，其涂膜的水汽透過率隨著試驗循環(huán)次數(shù)的增加而降低。相比純丙乳液，苯丙乳液涂膜的水汽透過率下降幅度較小。

圖6 聚合物分散體涂膜的水汽透過速率Figure 6 Water vapor transmission rate of polymer dispersion coating

在上述試驗中，涂膜放入水中一段時間，期間干燥一段時間，觀察到涂膜的水汽透過率降低，其實涂膜的吸水性也同時下降。這可以認(rèn)為是涂膜中水溶性組分被浸濾掉，膜的質(zhì)量得到了改進(jìn)，另外水透過涂膜的微細(xì)毛孔時，會與親水的羧基基團(tuán)結(jié)合，使膠膜溶脹，使透過的水量減少，當(dāng)然水汽的通過能力也相應(yīng)減少了。

以上介紹的僅是涂膜的部分情況。對于外墻涂料而言，由于整個配方中除了乳液外，還有各種顏填料、助劑等，乳液只是影響涂膜吸水性的眾多因素之一。

3 透水量測試方法探究

ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）、ASTM（美國材料與試驗協(xié)會）、DIN（德國標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會）等對外墻涂料涂膜的防水性和水汽透過率這兩個性能的測試都制定了相關(guān)的測試方法標(biāo)準(zhǔn)。因為涂膜的防水性（低的透水率）與涂膜的吸水性密切相關(guān)，這些測試方法標(biāo)準(zhǔn)均以吸水性來反映涂膜的防水性能。我國也已經(jīng)制定了JG/T 343—2011《外墻涂料吸水性的測定及分級》（修改采用EN 1062-3：2008《色漆和清漆-涂層材料和涂層系統(tǒng)外部磚石和混凝土-第3部分：測定液態(tài)水滲透性》）和JG/T 309—2011《外墻涂料水蒸氣透過率的測定及分級》（修改采用ISO 7783-2—1999色漆和清漆 外部磚石工程和混凝土用涂覆材料和涂覆體系 第2部分：水蒸氣滲透率的測定和分類 ）兩個測試方法標(biāo)準(zhǔn)。

在GB/T 9755—2014《合成樹脂乳液外墻涂料》標(biāo)準(zhǔn)中，使用透水性指標(biāo)作為衡量涂膜的防水性能指標(biāo)。檢測設(shè)備采用倒漏斗裝置，具體為：在符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無石棉水泥平板上按照要求涂刷濕膜厚度為（120+80）μm的涂料，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d，將透水性實驗裝置放在試板的中部，用不吸水的密封材料密封，干燥后將水緩慢注入玻璃管內(nèi)，直至試管的零刻度線，確認(rèn)容器中沒有氣泡，并用錫箔紙包住玻璃管頂端，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置24 h后，觀察并記錄液面下降的毫升數(shù)。整個測試過程均在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行。實驗裝置如圖7所示。

圖7 透水性試驗裝置Figure 7 Water permeability test device

在實踐過程中發(fā)現(xiàn)，相同產(chǎn)品在不同實驗室的測試結(jié)果有時相差很大。人們對一些影響因素進(jìn)行了對比測試，發(fā)現(xiàn)不同的水質(zhì)、不同的養(yǎng)護(hù)時間、不同的環(huán)境溫度和濕度對透水性的實驗結(jié)果基本沒有產(chǎn)生影響，而測試用底板對透水性的測試結(jié)果影響最大。

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，透水性測試用底板應(yīng)是符合JC/T 412.1—2006中NAF H Ⅴ級要求的無石棉水泥平板，即標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的高密度、抗折強(qiáng)度為Ⅴ級的無石棉水泥平板。其密度D應(yīng)為1.4 g/cm3＜D≤1.7 g/cm3，吸水率≤28 %。GB/T 9755—2014還補(bǔ)充規(guī)定原試板（未涂涂料試板）24 h的初始透水性值不小于4 mL。

表1是對不同來源的無石棉水泥平板（浸水前后）透水性的測試結(jié)果。由表1可見，無石棉水泥平板的密度和透水性存在差異。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定原試板24 h的初始透水性值不小于4 mL，但沒有規(guī)定上限，即原試板24 h的初始透水性值為4 mL和8 mL都被認(rèn)為是符合要求的。試板密度和初始透水性的差異對涂膜透水性的測試結(jié)果影響很大。

表1 不同無石棉水泥平板（浸水前后）透水性測試結(jié)果Table 1 Test results of water permeability（before and after immersion）of different asbestos-free cement plates

為了排除底板對涂膜透水性的影響，筆者嘗試把涂膜從底板上脫模，測試純涂膜的透水性。具體方法是在平板玻璃上涂上一層蠟，然后在蠟上涂覆涂料，待涂料膜干燥后，小心地把涂膜從玻璃底板上鏟下。然后按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，將透水性實驗裝置（漏斗）放在涂膜的中部，用不吸水的密封材料密封，密封材料干燥后將水緩慢注入玻璃管內(nèi)，直至試管的零刻度線，確認(rèn)容器中沒有氣泡，并用錫箔紙包住玻璃管頂端，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置一段時間后，觀察并記錄液面下降的毫升數(shù)。

對涂膜（無底板）的透水性進(jìn)行了測試，并與有底板的涂膜進(jìn)行對比。結(jié)果如表2、表3所示。

表2 外墻涂料的透水性（干膜厚度約100 μm）Table 2 Water permeability of exterior wall coatings（dry film thickness approx. 100 μm）

表3 彈性涂料的透水性Table 3 Permeability of elastic coatings

由表2、3的數(shù)據(jù)可見，沒有底板的涂膜透水性較大。而加上底板后，則涂膜透水性明顯減少。經(jīng)多次測試，在整個涂膜+底板體系中，阻止水透過的主要因素是底板，而不是涂膜。該測試結(jié)果也證明了“測試用底板對涂膜透水性測試結(jié)果影響最大”的結(jié)論。

筆者又對真石漆的涂膜進(jìn)行了涂膜透水性的測試。真石漆的涂膜較厚，干膜厚度達(dá)5 mm。真石漆涂膜透水性試驗照片見圖8，真石漆涂膜透水性測試結(jié)果見表4。

圖8 真石漆涂膜的透水性測試Figure 8 Permeability tests of true stone paint film

表4 真石漆涂膜的透水性測試結(jié)果Table 4 Test results of water permeability of true stone paint film

盡管涂膜厚度達(dá)5 mm，比一般平涂外墻乳膠漆涂膜厚許多，但是真石漆涂膜幾乎沒有阻水性。水可以“直透”涂膜往下滴。

由于沒有符合JG/T 343—2011（EN 1062-3：2008）規(guī)定的吸水性測試用底材灰砂磚。所以筆者沒有按照這個測試方法測試真石漆涂膜的吸水性，也就無法計算真石漆涂膜的拒水性和透氣性的綜合結(jié)果。請注意這個標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的底材灰砂磚與JG/T 24—2018《合成樹脂乳液砂壁狀建筑涂料》中吸水性測試用底材水泥砂漿塊是不一樣的。灰砂磚規(guī)定的吸水性約為3.0~7.7 kg/（m2·h0.5），而水泥砂漿塊的吸水性約為2.0~3.0 kg/（m2·h0.5）。

經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，往漏斗中注水到一定高度時就會出現(xiàn)直透水的現(xiàn)象，即到達(dá)一定水壓時涂膜就會大量透水。當(dāng)水位降到高度約15 mm左右時，透水明顯降低，甚至停止。在對一般乳膠漆涂膜進(jìn)行透水性測試時，也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，即水位降到一定高度時，涂膜透水情況停止。這說明涂膜的透水性與受到的水壓有關(guān)。GB/T 9755—2014規(guī)定的透水性測試方法中玻璃漏斗中注水的高度達(dá)125 mm。這與外墻涂料涂膜實際情況中可能受到的水壓差別較大。JG/T 343—2011《外墻涂料吸水性的測定及分級》使用的是歐洲普遍采用的 EN 1062-3：2008中規(guī)定的方法，即將待測涂料涂覆于多孔礦物底材的一個表面，制備成試件。將試件浸入水中，在規(guī)定的條件下，稱出該試件質(zhì)量，根據(jù)試件浸水前后質(zhì)量的變化來測定吸水性，并規(guī)定保持涂有涂料的面位于水面下5~10 mm。所以不存在涂膜面受到較高水壓影響的問題。

4 思考與討論

（1） 外墻涂料涂膜的防水性（吸水率）和水汽透過率是其重要的性能指標(biāo)。這兩個性能是相輔相成，又相互矛盾的，不能片面強(qiáng)調(diào)一個方面。JG/T 512—2017《建筑外墻涂料通用技術(shù)要求》中包括有吸水性和水蒸汽透過率兩項指標(biāo)要求。GB 50574—2010《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》對用于外保溫墻體和內(nèi)保溫墻體的外飾面層涂料都要求選用具有防水透氣性能的涂料。GB/T 9755—2014《合成樹脂乳液外墻涂料》標(biāo)準(zhǔn)在修訂版中第一次加入了透水性指標(biāo)，并對合格品、一等品和優(yōu)等品的透水性指標(biāo)分別進(jìn)行了設(shè)定，可以認(rèn)為GB/T 9755—2014提倡涂膜透水性越低越好，但是沒有同時對涂膜的水汽透過率提出要求。透水性越低的涂膜其水汽透過率也會越低，過低的水汽透過率會使涂膜的水汽滲透阻力過高，影響外墻涂料涂膜的綜合性能。從這點來看，GB/T 9755—2014在這方面的引導(dǎo)作用較為片面，建議標(biāo)準(zhǔn)制定者對此進(jìn)行進(jìn)一步修訂。

（2） 對于不同的環(huán)境條件，對外墻涂膜的吸水系數(shù)（透水量）和水汽透過率要求是不是需要同一個指標(biāo)值？

歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN-1062-1：2004在對外墻涂料的分級中，對涂膜的這兩個性能明確進(jìn)行了分級（這個標(biāo)準(zhǔn)1996版中沒有對水汽透過率和吸水系數(shù)兩個指標(biāo)分級，而在2004年修訂時增加了這兩個指標(biāo)分級的內(nèi)容），具體要求如表5所示，以適應(yīng)不同環(huán)境條件的需要。

表5 EN-1062-1：2004中水汽透過率和吸水系數(shù)的分級Table 5 Classification of water vapor transmittance and water absorption coefficient in EN-1062-1：2004

可見在不同的使用環(huán)境條件下，對涂膜的吸水系數(shù)（透水量）和水汽透過率應(yīng)該有不同的要求，不應(yīng)該固定在Künzel外墻涂料保護(hù)理論規(guī)定的W≤0.5 kg/（m2·h0.5）和Sd≤2 m的統(tǒng)一數(shù)值上。

GB/T 9755—2014《合成樹脂乳液 外墻涂料》沒有考慮中國地域廣闊，南北東西氣候情況差異很大，只對其合格品、一等品和優(yōu)等品制訂了不同的透水性指標(biāo)，每個產(chǎn)品等級定在一個統(tǒng)一的數(shù)值。透水量較高的涂料就不能被評定為優(yōu)等品。其實在一定環(huán)境條件下，如果對涂膜吸水性要求并不高，那么吸水性指標(biāo)可以適當(dāng)放寬（吸水量稍高些）以兼顧其它性能，這樣的外墻涂料也可以是優(yōu)等品。EN-1062-1：2004對涂膜水汽透過率和吸水系數(shù)兩個性能的分級是為了適應(yīng)不同的需求，不存在優(yōu)劣之分。

（3） 涂膜過高的透水性，會使水滲入涂膜，造成墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)部受潮，影響建筑結(jié)構(gòu)的完整性、耐久性和安全性。從理論上講，以上試驗所顯示的真石漆涂膜的高透水性應(yīng)該對整個墻面的保護(hù)性能的負(fù)面影響較大。但真石漆在我國作為外墻涂料大面積使用已有多年，實際使用中并沒有因為其涂膜透水性高而出現(xiàn)大量的破壞墻體基面耐久性、底面（包括膩子層）的疏松起殼、涂膜起鼓、脫落等投訴。

為了將外墻體的潮氣狀況和明確定義的外涂層（厚質(zhì)砂漿或涂料）的溫濕特性聯(lián)系起來，必須分析自然潤濕和干燥過程。Künzel等對涂和不涂不同類型厚質(zhì)砂漿涂層的蒸氣加壓混凝土（AAC）墻體構(gòu)件的水分狀況進(jìn)行了考察，測量了含水量的變化，這種變化在雨水吸收和隨后在干燥氣候條件下水分的釋放之間達(dá)到平衡。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，有砂漿防水涂層的墻壁不會吸收大量的雨水。這意味著這種涂層的毛細(xì)管輸送能力很小，AAC砌塊里的初始水分以水汽形式通過涂層擴(kuò)散出去了。涂有傳統(tǒng)砂漿墻體的吸水率與沒涂砂漿的墻體相似，但由于砂漿層的存在大大減少了水的釋放，墻體中能加速無涂層砌塊干燥過程的毛細(xì)傳輸似乎受到阻塞，這種毛細(xì)阻塞只出現(xiàn)在干燥過程中，因此，涂層中剩余水分的輸送很可能是純粹的水汽擴(kuò)散，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于毛細(xì)管抽吸作用。這說明涂層的水汽透過性能對墻體受潮后的干燥至關(guān)重要。

真石漆涂膜透水率較高，水汽透過率也較高，實踐證明使用效果不錯。Künzel外墻涂料保護(hù)理論是否適用于真石漆？希望能引起廣大的涂料技術(shù)人員對外墻涂膜保護(hù)理論的進(jìn)一步思考。