聚合物改性硫鋁酸鹽水泥基防水涂料的助劑選擇與優(yōu)化

萬 璐

（中國建筑上海設計研究院有限公司，上海 200062）

采用涂料對混凝土工程進行防護始于20 世紀50 年代，在60 多年的發(fā)展史中，多種性能良好的涂料通過大量的實驗和應用被研究出來[1-3]。Gupta等[4-5]分別采用酚醛和氯化橡膠改性制得防腐涂料，在耐水性等方面得到極大提升。但單一的有機涂料存在耐候性較差，并且易老化的問題[6]。水泥是一種極為常見的水硬性無機膠凝材料[7]，其施工性能良好。但若將單一的水泥材料用做防護材料，仍然存在著一些不可避免的缺點，例如脆性大、自重大、收縮易變形、延伸率低、耐腐蝕性差等[8]。針對有機聚合物和水泥的這些優(yōu)缺點，近年來研究者[9-12]通過將不同聚合物與水泥共混研究出綠色環(huán)保的聚合物改性水泥基涂料，此涂料既具有水泥材料強度高、與基層黏結(jié)性高的優(yōu)點，也具有聚合物涂層的韌性好、延展性好的優(yōu)點[13]。

聚合物改性水泥基涂料作為一種復合防水涂料，其原料用量、敏感助劑的種類及用量、涂料的配制以及施工的方案均對涂料的應用和力學性能造成一定影響[14-15]。已有研究表明，敏感助劑是聚合物水泥防水涂料的重要組成成分，雖然所占的比例很小，但是所起的作用十分重要[16-19]。其中，防水劑、潤濕劑、防沉淀劑和消泡劑或?qū)λ囝w粒和水泥水化產(chǎn)物表面進行改性，或降低乳液表面張力，從而使聚合物乳液與水泥結(jié)合穩(wěn)定致密[20-22]。然而，因聚合物改性水泥基涂料的組分具有多變性，使敏感助劑在硫鋁酸鹽水泥體系涂料中的作用鮮有報道。本文以聚丙烯酸酯乳液作為主要有機組分，以硫鋁酸鹽水泥作為無機組分制備聚合物改性硫鋁酸鹽水泥基涂料，分別研究防水劑、潤濕劑、防沉淀劑和消泡劑對該涂料體系拉伸性能和吸水率的影響，為敏感助劑在該體系摻量的確定，提供一定的參考和依據(jù)。

1 實 驗

1.1 原材料

所用乳液為山東優(yōu)索化工科技有限公司生產(chǎn)的聚丙烯酸酯（polyacrylate，PA）乳液，表1 是PA 的基本性能。表2 是采用的助劑的基本信息。所用水泥為硫鋁酸鹽水泥（sulphoaluminate cement，SAC），標號為42.5，由唐山北極熊建材公司生產(chǎn)，其基本化學組成如表3 所示。

表 1 PA 的基本性能Tab.1 Properties of PA

表 2 助劑的基本信息Tab.2 Basic information of additives

表 3 硫鋁酸鹽水泥的化學組成（質(zhì)量分數(shù)/%）Tab.3 Chemical components of SAC (mass fraction/ %)

1.2 涂料制備

聚合物改性硫鋁酸鹽水泥基涂料的聚灰比取1:1，填料選擇為輕質(zhì)碳酸鈣（CaCO3）和二氧化硅(SiO2)，其詳細配比如表4 所示。防水劑質(zhì)量分數(shù)（相對水泥）設置為0、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%；潤濕劑質(zhì)量分數(shù)（相對水泥）設置為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%；防沉淀劑質(zhì)量分數(shù)（相對水泥）設置為0、0.5%、1.0%、1.5%、2%；消泡劑質(zhì)量分數(shù)（相對水泥）設置為0、1.5%、3.0%、4.5%、6%。

表 4 涂料配比組成Tab.4 Mixture ratio of the coating g

制備涂料時先將PA 乳液和去離子水均勻攪拌5 min，隨后按既定比例分別加入潤濕劑和防沉淀劑再次攪拌5 min。稱取一定量的SAC、CaCO3和SiO2作為粉料加入其中，在凈漿攪拌機中快攪5 min，其中逐滴加入一定量的消泡劑和防水劑，最終確保攪拌后漿料分散均勻。攪拌結(jié)束后，將料漿在室溫下靜置3 min，以減少料漿表面的氣泡，然后將其倒入模具中成型。最后參考GB/T 23445—2009《聚物水泥防水涂料》養(yǎng)護涂層后再進行相關性能測定。

1.3 實驗方法

1.3.1 拉伸性能測試

參照GB/T 16777—2008《建筑防水試驗方法》要求，將試樣裁剪成啞鈴Ⅰ型待測試，使用無錫建儀WEW-300 型萬能試驗機測定試樣的拉伸強度。

試樣拉伸強度的計算式為：

式中：I 為試樣的拉伸強度；F 為最大拉力；B 為試樣寬度；D 為試樣厚度。

1.3.2 吸水率測試

涂層養(yǎng)護至規(guī)定養(yǎng)護齡期（7 d）時裁剪試樣，規(guī)格設定為40.0 mm×40.0 mm。稱重后，將試樣放入水中72 h，分別測定在既定齡期下的樣品質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量差計算吸水率，計算式為：

式中： ω為試樣的吸水率； m0為試樣的初始質(zhì)量；mn為試樣浸水后的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤濕劑

潤濕劑屬于表面活性劑一類，其作用主要是改變?nèi)橐侯w粒的潤濕性，從而能夠?qū)⑺嗟忍盍细玫臐櫇癜黐20]。表5 展示了涂料拉伸強度隨潤濕劑摻量的變化。由表5 可知，涂料拉伸強度隨潤濕劑摻量的增加從2.01 MPa 增加到2.62 MPa，而當潤濕劑質(zhì)量分數(shù)達到0.8%時，涂料拉伸強度不再增加反而有小幅度降低（2.60 MPa）。表6 為涂料吸水率隨潤濕劑摻量的變化。表5 的結(jié)果與表6 的結(jié)果有著類似的變化趨勢。由表6 可知，潤濕劑質(zhì)量分數(shù)從0 增加到0.6%，涂料的吸水率由6.02%降低到4.23%，而在潤濕劑質(zhì)量分數(shù)為0.8%時涂料的吸水率為4.21%，與0.6%摻量相比，試樣吸水率降低幅度不大。這是因為，通?！八汀斌w系的水性乳液在制備時，往往會加入起穩(wěn)定乳液油相顆粒的乳化劑。一般情況下，乳化劑不能完全覆蓋在乳膠顆粒的表面，會留有一定的“間隙”，潤濕劑由于同時具有疏水基團和親水基團，其在涂料中往往會在攪拌時定向吸附在“間隙”中，起到潤濕包裹水泥等填料的作用，但過量的加入會導致其在體系內(nèi)剩余，在涂料成膜時往往成為缺陷，最終導致涂料拉伸性能和吸水率的不足。

表 5 潤濕劑摻量對涂層拉伸性能的影響Tab.5 Effect of wetting agent content on the tensile properties of the coatings

表 6 潤濕劑摻量對涂層吸水率的影響Tab.6 Effect of wetting agent content on the water absorption of the coatings

2.2 防沉淀劑

表7 為防沉淀劑摻量變化對涂層拉伸性能的影響。由表7 可知，涂層的拉伸性能呈現(xiàn)先增加后趨于平緩的趨勢，防沉淀劑質(zhì)量分數(shù)為1.0%時拉伸強度為2.38 MPa，與質(zhì)量分數(shù)2.0%時的2.40 MPa相接近。在聚合物改性水泥基涂料體系中，聚合物乳液通過自身的活性基團與水泥水化產(chǎn)物交聯(lián)結(jié)合形成3D 網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)[23]，而隨著防沉淀劑摻量的提高，會使此結(jié)構(gòu)愈加穩(wěn)定，體系中的有機無機組分結(jié)合更加致密。同樣，表8 中涂層吸水率隨防沉淀劑摻量的變化也顯示了相似的趨勢，摻量1.5%時吸水率僅為5.30%。

表 7 防沉淀劑摻量對涂層拉伸性能的影響Tab.7 Effect of anti-sediment agent content on the tensile properties of the coatings

表 8 防沉淀劑摻量對涂層吸水率的影響Tab.8 Effect of anti-sediment agent content on the water absorption of the coatings

2.3 防水劑

有機硅防水劑已經(jīng)被廣泛證明其、有著顯著地提高水泥基制品防水性能的作用[22]。表9 和表10分別為涂料拉伸性能和吸水率隨防水劑摻量變化的結(jié)果。由表9 可以看出，涂料的拉伸強度呈現(xiàn)先增加后逐漸降低的趨勢，拉伸強度在防水劑質(zhì)量分數(shù)為2.0%時達到峰值，為2.25 MPa，但質(zhì)量分數(shù)為4.0%時的拉伸強度（1.72 MPa）低于未摻防水劑的拉伸強度（2.01 MPa）。然而，涂料的吸水率隨著防水劑摻量的增加顯著降低。

表 9 防水劑摻量對涂層拉伸性能的影響Tab.9 Effect of waterproof agent content on the tensile properties of the coatings

表 10 防水劑摻量對涂層吸水率的影響Tab.10 Effect of waterproof agent content on the water absorption of the coatings

圖1 為防水劑質(zhì)量分數(shù)分別為2.0%和4.0%時的涂層接觸角圖。由圖1 可知，在防水劑質(zhì)量分數(shù)為2.0%與4.0%時，涂層斷面的接觸角也顯著降低。這是因為，有機硅防水劑會與水泥水化產(chǎn)物表面的羥基結(jié)合形成穩(wěn)定的硅氧鍵[22]，而有機硅的其余疏水基團朝向外部，起到了“阻水”的作用，導致了吸水率的降低。同樣地，這種結(jié)合也抑制了水泥顆粒的進一步水化，在聚合物改性水泥基涂料體系中，“剛性”的水泥往往主導整個體系的強度，水泥水化的不完全必定會導致拉伸強度的降低。

圖 1 不同防水劑摻量時涂層接觸角圖Fig.1 Contact angle diagrams of the coatings with different amounts of waterproof agent

2.4 消泡劑

涂料拉伸性能和吸水率隨消泡劑摻量的變化趨勢分別如表11 和表12 所示。由表11 和表12 可以看出，隨著消泡劑摻量的增加，涂層的拉伸強度在消泡劑質(zhì)量分數(shù)為1.5%時達到峰值，為2.33 MPa，隨后逐漸降低。涂層吸水率在消泡劑質(zhì)量分數(shù)超過1.5%時降低幅度不大。在制備涂層的機械攪拌過程中極易產(chǎn)生氣泡，而氣泡會因涂料體系黏度太高而不易破裂，從而導致涂料成膜后內(nèi)部出現(xiàn)氣孔缺陷。這不但會給后續(xù)的涂刷等施工帶來巨大的不便，同時也會嚴重影響聚合物改性水泥基涂料的性能。消泡劑的加入能有效的除掉氣泡，減少涂層因氣泡而具有的缺陷，降低涂層的孔隙率。但消泡劑過量時會破壞體系內(nèi)的網(wǎng)絡交聯(lián)結(jié)構(gòu)[18]，影響消泡劑的消泡效果，從而使得涂料的拉伸性能降低以及吸水率降低不明顯。

表 11 消泡劑摻量對涂層拉伸性能的影響Tab.11 Effect of defoamer agent content on the tensile properties of the coatings

表 12 消泡劑摻量對涂層吸水率的影響Tab.12 Effect of defoamer agent content on the water absorption of the coatings

2.5 微觀結(jié)構(gòu)

圖2 是聚合物改性硫鋁酸鹽水泥基涂料的微觀結(jié)構(gòu)。圖2（a）為未摻加任何助劑的涂料的微觀形貌，其中存在大量的裂紋和空隙，聚合物不能形成完整的空間網(wǎng)絡貫穿整個涂層；涂料內(nèi)部沒有或很少有完整的薄膜結(jié)構(gòu)，顆粒松散堆積。而在圖2（b）中涂料經(jīng)助劑的改性，水泥水化產(chǎn)物可被完整且連續(xù)的薄膜覆蓋。由此可知，助劑在聚合物改性硫鋁酸鹽水泥基涂料中起著重要的作用。

圖 2 聚合物改性SAC 基涂料的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructures of the polymer modified SAC-based coatings

3 結(jié) 論

本文以聚丙烯酸酯乳液作為主要有機組分，以硫鋁酸鹽水泥作為無機組分，通過改變潤濕劑、防沉淀劑、防水劑和消泡劑的摻量，分別對涂層進行拉伸性能和吸水率測試，分析4 種助劑對涂料的綜合影響，得出結(jié)論如下：

（1）獲得了硫鋁酸鹽水泥基涂料含潤濕劑的最佳質(zhì)量分數(shù)為0.6%、防沉淀劑的最佳質(zhì)量分數(shù)為1.5%、防水劑的最佳質(zhì)量分數(shù)為2.0%，消泡劑的最佳質(zhì)量分數(shù)為1.5%。

（2）摻加適量助劑可以明顯優(yōu)化涂料的微觀結(jié)構(gòu)，涂料內(nèi)部無明顯缺陷且形成聚合物膜包裹水泥水化產(chǎn)物的連續(xù)結(jié)構(gòu)。