硅基防水涂料作為防水修補(bǔ)材料的使用性能分析

姜廣明，梁 楊，丁曉晨，胡 水，劉昊北，焦 昌

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.凡士通（上海）貿(mào)易有限公司，上海 201512；3.北京化工大學(xué)，北京 100029；4.中國建筑材料聯(lián)合會，北京 100037；5.中國合格評定國家認(rèn)可中心，北京 100062）

0 引言

硅基防水涂料的低溫柔性和耐候性極佳，也可應(yīng)用于長期積水的環(huán)境。建筑防水失效或者防水層破壞時，可以使用防水修補(bǔ)材料對建筑和防水層進(jìn)行修補(bǔ)。防水修補(bǔ)材料必須與下道防水涂料、防水卷材等有較好的相容性［1］，有較強(qiáng)的復(fù)合粘結(jié)強(qiáng)度和粘接剝離強(qiáng)度［2］等。硅基防水涂料可廣泛地修補(bǔ)老化后的防水瀝青、防水卷材和防水涂料等表面。由于硅基防水涂料為濕氣固化型，因此硅基防水涂料可以在潮濕界面上進(jìn)行施工。

本研究通過微觀分析的手段，比較了硅基防水涂料與常見防水涂料在成分、組分和性能上的差異，討論了硅基防水涂料的特殊性。本研究還通過對硅基防水涂料與其他防水涂料復(fù)合后的粘結(jié)強(qiáng)度和不透水性的研究，驗證了硅基防水涂料對其他不同種類的防水涂料的修補(bǔ)能力，以期為防水涂料的相容性研究提供參考，為防水設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

1 原材料

為研究硅基防水涂料作為防水修補(bǔ)材料的使用性能，從不同廠家處收集了 5 款防水涂料。其中 FS-2 為聚氨酯防水涂料；FS-3 和 FS-4 為聚合物水泥防水漿料；FS-5 為聚合物水泥防水涂料；FS-9 為硅基防水涂料。FS-9 將作為防水修補(bǔ)材料與其他 4 款防水涂料復(fù)合使用。5 款防水涂料的樣品信息，如表 1 所示。

表1 五款防水涂料的樣品信息

5 款防水材料的部分物理力學(xué)性能，如表 2 所示。

表2 五款防水涂料的部分物理力學(xué)性能

一般來講，合成高分子防水涂料的柔韌性較好，斷裂伸長率較高，粘結(jié)強(qiáng)度較低［3］；而聚合物水泥防水涂料［4］和聚合物水泥防水漿料的柔韌性較差，斷裂伸長率較低，粘結(jié)強(qiáng)度要略高一些。

2 實驗設(shè)備

力學(xué)性能使用日本 Shimadz 公司生產(chǎn)的 AG-IC 100 kN 電子萬能材料試驗機(jī)。

紅外光譜使用美國 Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生產(chǎn)的 Nicolet 6700 傅立葉變換紅外光譜儀測試，掃描范圍為 4000～400cm-1，分辨率為 4cm-1。采用 ATR 方式測試涂層的紅外光譜。

熱失重分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司生產(chǎn)的 TGA/DSC1 同步熱分析儀（型號 STARe system）測試；氮氣氣氛，測試的溫度范圍為室溫～1 000 ℃，升溫速度 10 ℃/min。

動態(tài)力學(xué)性能使用德國 Netzsch 公司生產(chǎn)的 DMA 242C 型動態(tài)力學(xué)分析儀測試；采用直徑 1 mm 的針入模式，頻率為 10 Hz，測試溫度范圍為 -150～-50 ℃或 -60～＋120 ℃，升溫速度為 3 ℃/min。

不透水性使用天津市中交路業(yè)工程儀器有限公司生產(chǎn)的 DTS-6 型防水卷材不透水儀。

3 實驗方法

3.1 物理力學(xué)性能的實驗方法

FS-2 的物理力學(xué)性能的制備及檢測依據(jù) GB/T 19250－2013《聚氨酯防水涂料》的要求進(jìn)行。FS-3和 FS-4 的物理力學(xué)性能的制備及檢測依據(jù) JC/T 2090－2 011《聚合物水泥防水涂料》的要求進(jìn)行。F S-3和 FS-4 的拉伸性能的制備及檢測依據(jù) GB/T 23445－2009《聚合物水泥防水涂料》的要求進(jìn)行，拉伸性能的拉伸速度為200 mm/min。FS-5 的物理力學(xué)性能的制備及檢測依據(jù)GB/T 23445－2009《聚合物水泥防水涂料》的要求進(jìn)行。FS-9 的物理力學(xué)性能的制備及檢測依據(jù) GB/T 16777－2008《建筑防水涂料試驗方法》反應(yīng)型涂料的要求進(jìn)行，拉伸性能的拉伸速度為 200 mm/min。

3.2 復(fù)合樣品的制備

按本文第 3.1 節(jié)的要求制備粘結(jié)強(qiáng)度的試樣，養(yǎng)護(hù)期到期后刷涂 2 道硅基防水涂料，每道間隔不超過 24 h。第 2 道刷涂后立刻放上拉伸用上夾具，粘結(jié)強(qiáng)度試樣帶著上夾具同時養(yǎng)護(hù) 7 d 后測試。

按本文第 3.1 節(jié)的要求制備不透水性的試樣，養(yǎng)護(hù)期到期后在不透水性試樣上切開長度為 10 mm 的十字切口。切口的位置對應(yīng)著不透水儀的 7 孔圓盤的孔的位置。然后在不透水性試樣上刷涂 4 道硅基防水涂料，每道間隔不超過 24 h。復(fù)合后的硅基防水涂料的干膜厚度約為 1 mm 左右，復(fù)合后的不透水性試樣養(yǎng)護(hù) 7 d 后測試。

4 結(jié)果與討論

4.1 紅外分析

5 款防水涂料涂膜的紅外光譜，如圖 1 所示。FS-3、FS-4 和 FS-5 的紅外光譜表明這 3 種防水涂料的成分接近，均為丙烯酸酯類成分和碳酸鈣成分的混合物［5］。1 732cm-1是羰基吸收峰，1 241 cm-1、1 156 cm-1和1 024 cm-1為酯基的吸收峰，1 451 cm-1為碳酸鈣的吸收峰。

圖1 五款防水涂料涂膜的紅外光譜

FS-2 的紅外光譜與 FS-3、FS-4 和 FS-5 的紅外光譜也幾乎一樣，說明該款標(biāo)稱為“聚氨酯防水涂料”的產(chǎn)品實際上并不是真的聚氨酯防水涂料，而也是丙烯酸酯類防水涂料，與 FS-3、FS-4 和 FS-5 是類似的產(chǎn)品。紅外光譜的結(jié)果也證明了為什么 FS-2 的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率都不高，達(dá)不到 GB/T 19250－2013《聚氨酯防水涂料》的要求。

FS-9 的紅外光譜顯示硅基防水涂料是聚二甲基硅氧烷。其中 2 960 cm-1是 CH3的伸縮振動峰，800cm-1、860cm-1和 1 260 cm-1為 Si-（CH3）2的吸收峰，1 020～1 090 cm-1為 Si-O-Si 的吸收峰。

4.2 熱失重分析

5 款防水涂料涂膜的熱失重曲線，如圖 2 所示。

圖2 五款防水涂料涂膜的熱失重曲線

從圖 2（a）可以看出，F(xiàn)S-2 和 FS-3 防水涂料涂膜的熱失重曲線比較接近。FS-2 和 FS-3 的涂膜中高分子有機(jī)物含量約占 35 %，碳酸鈣含量約占 65 %，殘重中幾乎均為碳酸鈣分解產(chǎn)生的氧化鈣。FS-2 和 FS-3 的有機(jī)物含量較高，所以柔韌性較好，斷裂伸長率比較高。從圖 2（b）可以看出，F(xiàn)S-2 的高分子有機(jī)物分解有 2 個峰（346 ℃和 400 ℃），F(xiàn)S-3 的高分子有機(jī)物分解只有一個峰（400℃）。這說明 FS-2 的乳液中有兩種樹脂成分，F(xiàn)S-3的乳液只有一種樹脂成分。

從圖 2（a）可以看出，F(xiàn)S-4 和 FS-5 防水涂料涂膜的熱失重曲線比較接近。FS-4 和 FS-5 的涂膜中高分子有機(jī)物含量約占（15～20）%，碳酸鈣含量約占（20～25）%，殘重中除了氧化鈣外還有（20～40）% 的硅酸鹽和沙子。FS-4 和 FS-5 的有機(jī)物含量非常低，所以柔韌性差，斷裂伸長率低。其中 FS-4 涂膜的高分子有機(jī)物極低，柔韌性非常低，剛性較高，幾乎一拉就斷。從圖 2（b）可以看出，F(xiàn)S-4 的高分子有機(jī)物分解有 2 個峰（348 ℃ 和 468℃），F(xiàn)S-5 的高分子有機(jī)物分解有 2 個峰（348 ℃ 和 455 ℃）。這說明 FS-4 和 FS-5 的乳液中也都有兩種樹脂成分。

從圖 2（a）可以看出，F(xiàn)S-9 防水涂料涂膜的高分子有機(jī)物含量高達(dá) 60 %，40 % 的殘重不是碳酸鈣，而是二氧化鈦。從圖 2（b）可以看出，F(xiàn)S-9 的高分子有機(jī)物分解有 1 個峰，最大分解速率溫度為 484 ℃。FS-9 的高分子有機(jī)物含量最高，彈性比較高；分解溫度最高也證明了硅基防水涂料的耐候性最強(qiáng)。

4.3 動態(tài)熱機(jī)械分析

5 款防水涂料涂膜的動態(tài)熱機(jī)械分析曲線，如圖 3 所示，5 款防水涂料涂膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和損耗因子最大值的結(jié)果如表 3 所示。

表3 5 款防水涂料涂膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和損耗因子最大值

圖3 5 款防水材料涂膜的動態(tài)熱機(jī)械分析曲線

從圖 3 和表 3 可以明顯看出，硅基防水涂料 FS-9的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度明顯低于其他 4 款丙烯酸酯乳液的防水涂料，低溫下彈性良好。

4 款丙烯酸酯乳液的防水涂料 FS-2、FS-3、FS-4和 FS-5 的玻璃化溫度介于 16.5～30.5 ℃。聯(lián)系表 2 的物理力學(xué)性能的數(shù)據(jù)和表 3 的動態(tài)熱機(jī)械性能的數(shù)據(jù)可知，丙烯酸酯防水涂料（包含聚合物水泥防水涂料以及聚合物水泥防水漿料）的彈性和柔韌性與它們的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度關(guān)系不明顯，與損耗因子最大值的關(guān)系比較明顯。這是因為丙烯酸酯類防水涂料的彈性和柔韌性主要與加入其中的乳液和樹脂的量有關(guān)。高分子有機(jī)物含量越高，防水涂料的彈性和柔韌性越好，損耗因子也越高。因此熱失重分析和動態(tài)熱機(jī)械分析都可以成為對少量防水涂料樣品使用的快速分析方法。

4.4 復(fù)合后的物理力學(xué)性能

為了評價硅基防水涂料的防水修補(bǔ)性能，測試了硅基防水涂料 FS-9 復(fù)合其他 4 款防水涂料后的物理力學(xué)性能，結(jié)果如表 4 所示。

表4 硅基防水涂料復(fù)合其他四款防水涂料后的物理力學(xué)性能

從表 4 可以看出，硅基防水涂料 FS-9 與其他 4 款防水涂料復(fù)合后，界面結(jié)合較好，粘結(jié)強(qiáng)度都較高，破壞一般都發(fā)生在硅基防水涂料內(nèi)部或者是在硅基防水涂料與基層防水涂料的粘結(jié)界面上。

一般的理論認(rèn)為復(fù)合防水涂料后的粘結(jié)強(qiáng)度較高，則代表兩種防水涂料的相容性較好，可以復(fù)合使用。但是硅基防水涂料具有易撕裂、易剝離的特點。為此筆者特意加測了復(fù)合防水涂料的不透水性。從表 4 的結(jié)果來看，硅基防水涂料 FS-9 復(fù)合 FS-2、FS-3 和 FS-5 防水涂料后均可以達(dá)到 0.3 MPa、120 min不透水。因此 FS-9 可以作為丙烯酸酯類防水涂料、甚至其他大部分防水涂料的防水修補(bǔ)材料使用。

但是硅基防水涂料 FS-9 復(fù)合 FS-4 防水涂料卻發(fā)生了 0.3 MPa，30 min 水就竄到了防水涂料的復(fù)合界面上并將復(fù)合界面頂開使得 FS-9 硅基防水涂料完全剝離開的現(xiàn)象。FS-4 的高分子有機(jī)物含量最低，水泥含量和填料含量最高，涂膜最硬。它與 FS-9 硅基防水涂料的性質(zhì)差異最大，從結(jié)果看相容性最不好，容易發(fā)生竄水后鼓包的現(xiàn)象。不建議將這兩種防水涂料復(fù)合使用。

5 結(jié)論

本文研究了防水涂料的物理力學(xué)性能和微觀參數(shù)的關(guān)系，建立了防水涂料快速、少量樣品測試的熱失重分析方法和動態(tài)熱機(jī)械分析方法。分析了硅基防水涂料與其他類防水涂料的特點和差別，并通過試驗驗證了硅基防水涂料作為防水修補(bǔ)材料使用的可能性和注意事項，認(rèn)為硅基防水涂料不適合修補(bǔ)乳液含量極低或者水泥含量和填料含量過高的防水涂料。Q