環(huán)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(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的開展，高速公路、鐵路、房建、橋梁等規(guī)模不斷增加，整個建筑行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，但是由于建筑材料和施工技術(shù)等限制，工程質(zhì)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(yǎng)和后期修復(fù)的成本[1-4]。在我國南方地區(qū)，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(fā)霉、滲水現(xiàn)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(jié)構(gòu)帶來巨大的威脅[5-6]。由于施工技術(shù)和原材料的問題，水泥混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)有很強的相關(guān)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(dǎo)致耐久性嚴重不足，凍融循環(huán)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(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)和使用已連續(xù)三年被國家質(zhì)檢局列入國家重點提升產(chǎn)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(yōu)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(fù)合類。有機涂層主要包括環(huán)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(jié)晶型防水材料，其特點為與基體結(jié)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(yōu)點，具備耐久性好，防水性能、力學(xué)性能優(yōu)異，與基體結(jié)合性好的優(yōu)點，并且對環(huán)境污染小。隨著人們對環(huán)境保護的重視，涂料產(chǎn)業(yè)也漸漸向無毒、綠色、無污染的方向的發(fā)展，有機-無機防水涂層是現(xiàn)在防水領(lǐng)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(chǎn)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(jié)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(yīng)力應(yīng)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(fā)劑以及30%的功能性改性單體，0.1%的絡(luò)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(dǎo)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(tǒng)中的陽離子形成雙電層，使乳液能夠更穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(chǎn)生。通過表2對比不同乳液穩(wěn)定性能夠發(fā)現(xiàn)改性乳液由于對負電離子情況進行影響，使得對乳液穩(wěn)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(chǎn)。如圖1。

圖1 不同比例下的性能對比

2.力學(xué)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(xué)性能也有較大變化。隨著摻和料的摻入比例增加呈現(xiàn)先升后降的情況，當摻和比例達到1.6%時，黏結(jié)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(yīng)，通過阻止聚合物內(nèi)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(dǎo)致其內(nèi)部存在一定缺陷，使得力學(xué)性能下降。如圖2。

圖2 不同比例下的力學(xué)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(fā)現(xiàn)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(yǎng)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(xué)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(xué)性能損失呈現(xiàn)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(yōu)化了改性乳液的微觀結(jié)構(gòu)，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(yǎng)護至5d齡期時放入熱老化試驗箱中7d，探究力學(xué)性能損失情況，即高溫是否對PMCC產(chǎn)生較明顯的破壞，如圖5中發(fā)現(xiàn)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(jié)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(xué)性能及耐久性，得出以下結(jié)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(xué)強度、耐酸堿性均得到極大的提升，但耐老化性影響較小。