工程案例
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聚合物水泥防水涂料的性能與固化機理
發布時間：2014-08-09
聚合物水泥防水涂料 ( 以下簡稱 J S) 是以水性聚合物分散體和水泥為主的雙組分防水涂料 , 兩組分在現場攪拌成均勻、細膩漿料 , 涂刷或噴涂于基體表面 , 固化后可形成柔韌、高強的防水涂膜。這種涂料既有水泥類膠凝材料強度高、易與潮濕基面粘結 , 又兼有聚合物涂膜彈性大、防水性好的優點 , 尤其是以水作為載體 , 克服了瀝青、焦油、有機溶劑型防水材料污染環境的弊端 , 是一種無毒無害、可濕作業、施工簡便的新型綠色環保防水材料。它不僅適用于各種防水工程 , 還可用于修補工程、界面處理、混凝土防護、裝飾、結構密封等。 試驗研究和工程實踐表明 , 目前市售的很多此類產品存在著以下不足 : 聚灰比大 ( 即聚合物用量大 ) 而彈性并不高 , 目前市售的 J S 通常液粉比 10 ∶ 7 ( 聚灰比 = 1 ～ 2) , 延伸率僅 150 % ～ 250 % ; 耐水性差 , 吸水率大 , 泡水腫脹 , 長期浸水后明顯軟化 , 強度下降 ; 抗紫外線能力不強、耐候性差 , 一些產品在屋面暴露兩三年后明顯發硬 , 延伸率下降。據文獻 介紹 : 目前國內普遍生產和使用的 J S 聚合物水泥涂料高聚粉比產品 ( 液粉比 10 ∶ 7 , 延伸率>=150 %) , 耐水指標大都不過關。因此 , 引起業內人士的一些誤解 , 以為所有聚合物水泥類涂料都不適用于長期浸水工程部位。針對這種情況 , 我們進行了大量的試驗研究工作 , 以期改進、完善它的性能 , 試驗取得了較為理想的結果 , 進而研制出新一代 PMC 彈性聚合物水泥防水涂料。
2 技術路線
通常情況下 , 水泥基材料 ( 與聚合物相比 ) 具有優良的耐水性和耐候性。聚合物水泥防水涂膜耐水性、耐候性的優劣 , 主要取決于聚合物的品種、改性方法、聚灰比等因素。
2. 1 聚合物品種的選擇及其改性處理
制備聚合物水泥防水涂料的聚合物種類很多 ,常用的有乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 (VAE) 、丙烯酸酯、共聚物、氯丁膠乳、丁苯膠乳、水性環氧和橡膠瀝青等。因丙烯酸酯共聚物彈性好 , 其結構中存在著— COOR 基團 , 通過交聯改性 , 可使原有線形結構在成膜過程中形成立體網狀交織結構 , 分子鍵能強 , 形成的大分子結構不易降解 , 這樣涂膜抗紫外線、耐高溫的能力就強 , 同時也減低了水分子進入高分子鏈間造成涂膜溶脹的程度。因此 , 從提高涂膜性能的角度出發 , 我們選用丙烯酸酯共聚物并對其進行交聯改性處理 , 從而大大提高了聚合物 -水泥體系的耐水性和耐候性。
2. 2 提高聚合物與水泥的化學鍵合
聚合物水泥復合材料體系可分為兩類 : 一種是非反應型的聚合物 , 如氯丁膠乳、丁基膠乳、醋酸乙烯共聚乳液等 , 在復合材料結構中 , 聚合物成膜覆蓋于水泥膠凝體表面或水泥水化物填充于聚合物網絡之間 , 有機物和無機物僅為惰性地、機械式地相互填充。另一種則是反應型的聚合物 , 有兩種反應形式 :一是聚合物之間 ( 或與硬化劑 ) 的交聯固化反應 , 從而形成大分子 ; 二是聚合物活性基團與水泥水化產物之間發生了化學反應 , 形成以化學鍵結合的界面結構 , 通過界面增強導致材料性能的提高。通過適當的改性工藝 , 可大大加強聚合物與水泥水化產物的化學結合。研究表明 : 改性丙烯酸共聚乳液可與水泥水化生成的 Ca (OH) 2 發生化學反應 , 生成以離子鍵結合的大分子網絡交織結構 , 且隨著水化齡期的延長 , 水化程度越高 , 這種反應生成物的量就越大。
含有 — COOH 等官能團的聚合物 , 能與水泥水化產物 Ca 2 + 發生作用 , 從而顯著提高材料的強度和耐水性 , 所以國外將其稱作反應型聚合物水泥基材料 (RPMC) 。 RPMC 是聚合物水泥復合材料的新成員 , 它是用活性聚合物、水泥、引發系統和集料制成的。與通常使用的聚合物乳液水泥材料不同之點在于 , 材料在結構形成過程中聚合物和水泥都起到了活性 ( 反應 ) 作用 , 由于聚合物與水泥界面存在化學鍵合 , 大大強化了界面結合 , 使界面承載能力提高 , 從而提高了界面韌性和斷裂能 , 造就了優良的物理力學性能。
2. 3 降低聚灰比
如前所述 , 水泥相對于聚合物來說具有優良的耐水性和耐候性。那么 , 降低聚合物用量 , 提高水泥用量 , 也就是說降低聚灰比 , 可以在一定程度上改善聚合物水泥防水涂膜的耐水性和耐候性。但問題是 , 降低聚灰比將會導致斷裂延伸率的大幅度下降 , 而實際工程要求聚合物水泥涂料必須具備良好的彈塑性、延伸率 , 以適應建筑結構因沉降、位移、干縮、熱脹冷縮等造成的變形。
目前聚合物水泥類涂料產品 , 分為高彈和低彈兩種類型。據文獻 [ 6 ] 介紹 : 高彈型的 ( 斷裂伸長率≥ 150 %)JS 配比為液料∶ 7 , 聚灰比一般≥粉料 = 10 ∶ 1 , 甚至超過 2 , 這樣高的聚合物用量 , 不但成本高 , 而且造成耐老化、耐水性等方面的缺陷 ; 低彈型的 ( 斷裂伸長率≥ 80 %) , 聚灰比在 0. 6 左右。那么 , 能不能在技術上有所突破 , 即在低聚灰比的情況下做出高彈性的產品呢 ?
我們在試驗研究中所用的丙烯酸酯共聚物本身是一種良好的彈塑性體 , 但在低聚灰比情況下 , 靠自身的固有性能 , 也達不到很高的延伸率 , 見表 1 試驗結果第 1 、 2 組數據。建材行業標準 JC Π T 894 -2001 ( 以下簡稱行標 ) 聚合物水泥防水涂料Ⅰ 型的斷裂伸長率指標為≥ 200 % , 而單純使用聚合物 ( 未經改性處理 ) 的第 1 組 , 斷裂伸長率只有 113 % 。為此 , 我們除了對聚合物進行改性處理之外 , 在配方設計中還加入特殊成分的增塑劑 , 它可以消弱分子間的次價力 , 增加分子鏈運動 , 降低高分子的結晶性 , 從而大幅度增加材料的延伸率 , 降低其硬度。
表 1 低聚灰比試驗結果
注 : 標養條件為 23 ± 2 ℃ , 相對濕度 45 % ～ 70 %
由表 1 可見 , 由于增塑劑的加入 , 即使是很低的液粉比 (10 ∶15) 、聚灰比 (0. 35 ～ 0. 7) 下 , 涂膜仍具有很高的彈性 , 復合使用增塑劑 2 # + 5 # 效果明顯優于單獨使用 , 第 4 組室溫養護 7d 斷裂伸長率超過 400 % , 按行標的試驗方法標準養護 7d + 50 ℃ 烘干 24h 則達到了 325 % 。
從聚合物液料∶ 粉料 = 10 ∶15 很容易算出 : 液粉比 0. 67 、聚粉比 0. 33 、聚灰比 0. 35 ～ 0. 7 , 聚合物占體系總量的 20 % , 以水泥為主的無機物占 80 % 。也就是說 ,PMC 是以水泥為主的彈性防水材料 ( 故俗稱為彈性水泥 ), 在這樣低的聚灰比下 , 達到這樣高的彈 性 , 應當說這是技術上的重大進步。低聚灰比意味著低的聚合物用量、高的水泥用量 , 這樣 , 大量的水泥基材料就可以有效地屏蔽紫外線照射和水分的入侵 , 從而大幅度提高涂膜的耐候性和耐水性。
3 PMC 的組成及其技術性能
PMC 聚合物水泥防水涂料的液料是以高耐久水性聚合物分散體為主體 , 經過特殊化學改性并附以多種助劑和水而成 ; 粉料則由水泥、活性和非活性填料、外加劑等組成。通過大量的正交試驗 , 我們確定了最佳的材料組成和工藝 , 其技術性能如下 :
3. 1 耐水性
將聚合物水泥涂料按配比攪拌成漿料 ,分3～4 層涂刷于平整的塑料板上 ,形成1. 5mm 厚的涂膜, 經 7 天標準養護,測定其強度和延伸率,然后將涂膜浸泡在水中,測定其吸水率和濕膜強度,試驗結果列 于表 2 。
表 2 耐水性試驗結果
注 : 本文進行的相關對比試驗 , 純系科研工作之需要 , 對有關廠家的產品絕無詆毀之意。
與市售的 J S 聚合物水泥防水涂料相比 ,PMC 的吸水率大幅度降低 :J S 涂膜 24h 吸水率 A 廠 9. 03 % 、 B 廠 8. 60 % , 而 PMC 僅為 1. 95 % ;J S 涂料 7d 吸水率 A 廠 11. 19 % 、 B 廠 10. 15 % , 而 PMC 僅為 4. 47 % 。浸水 7d 后 ,J S 明顯軟化 ( 特征是強度降低 , 延伸率顯著加大 ), 濕膜強度保留率僅為 35 % ～ 55 % ; 而 PMC 浸水 7d 強度和延伸率幾乎不變 , 強度保留率 100 % , 延伸率保留率 99 % 。另外 , 從浸水后涂膜外觀來看 ,J S 明顯腫脹、泛白 , 而 PMC 沒有變化、外觀保持如初。顯然 , 新一代 PMC 聚合物水泥防水涂料的耐水性大大優于目前市售的 J S 。
3. 2 不同粉液比 PMC 的強度和延伸率
對于 PMC 聚合物水泥防水涂料 , 粉料用量越大 ( 意味著成本越低 ), 斷裂延伸率越小 ; 而強度初期隨著粉料用量的增加而上升 , 但當液粉比達到 10 ∶15 以后 , 隨著粉料的進一步增加 , 強度開始下降。這是由于細粉料比表面積加大 , 聚合物不能有效地包裹水泥粉料導致界面效應下降所致。綜合技術和經濟兩方面的因素 ,PMC 的最佳液粉比為 10 ∶15 , 在這一比例下 , 標準養護 7d , 強度 2. 03MPa , 斷裂延伸率 402 % 。按行標檢測 ( 標準養護 7d + 50 ℃ 24h) , 強度2. 96MPa , 斷裂延伸率 307 % , 綜合性能明顯優于目前市售的一些 J S 涂料產品 , 結果見表 3 。
3. 3 耐候性、耐堿性、耐熱性及其它性能經國家建材測試中心檢測 , 新一代 PMC 具有極佳的抗紫外能力 , 老化 500h , 強度、延伸率保留率≥ 90 %( 行標要求 : 老化 250h , 強度、延伸率保留率≥ 80 %) 。同時 , 它還具有良好的耐堿性、耐熱性及其它性能 , 試驗結果見表 4 。
4 固化機理探討
在聚合物 - 水泥復合體系中 , 隨著水泥水化的進行 , 水泥在涂層內部吸收聚合物乳液中的水分 , 生成水化硅酸鈣、鈣礬石、氫氧化鈣等產物 , 膠乳中的另一部分水分則揮發到大氣中 , 脫水后聚合物顆粒逐步靠近 , 最終相互連結 , 在水泥水化產物周圍和表面形成薄膜或網絡 , 這種具有粘結性和彈塑性的聚合物柔韌網絡 , 將散凝系統中的水泥水化顆粒與粗細骨料咬合在一起生成柔韌、高強的有機 - 無機復合材料。同時 , 改性丙烯酸共聚乳液可與水泥水化生成的 Ca (OH) 2 發生化學反應 , 生成以離子鍵結合的大分子網絡交織結構 , 且隨著水化齡期的延長 , 水化程度越深 , 這種反應生成物量就越多 , 這樣就形成了多點鍵合、相互交聯的立體網絡交織結構。由于聚合物與水泥存在化學鍵合 , 大大強化了界面結合 , 使界面承載能力提高 , 從而提高了復合材料的斷裂能和韌性。基于這一物理化學原理 , PMC 防水涂料既有水泥類無機材料強度高、耐水性、耐候性好的優點 , 又有高分子材料良好的彈性和防水性能 , 固化后即可形成高強、堅韌、耐久的防水涂膜。
表 3 不同粉液比 PMC 的強度和延伸率
表 4 技術性能表
5 結語
聚合物水泥防水涂料是近年來興起的一種綠色環保防水材料 , 它是國家建設部重點推薦的防水材料之一 , 屬國家大力提倡的綠色環保型產品。它具有高強、柔韌、無接縫、整體性好、透氣不透水、粘結力強、不空鼓、抗凍融、耐高溫、耐腐蝕、冷施工、可濕作業、施工簡便、無毒無害、綠色環保等優點。
與目前市售的同類產品相比 , 新一代 PMC 彈性聚合物水泥防水材料各方面的性能 , 尤其是耐水性、耐候性有了大幅度提高。它具有以下特長 :
(1) 新一代 PMC 防水材料聚合物用量少、成本低、聚灰比低、彈性大 ( 斷裂延伸率≥ 200 %) 、改性效率高 ( 目前市售的 J S 使用配比為液料∶粉料 = 10 ∶7,而 PMC 高彈Ⅰ 型為液料∶ 粉料 = 10 ∶ 15 , 低彈Ⅱ 型為 10 ∶30 , 也就是說 PMC 使用的粉料量、水泥量更多 , 聚合物用量少 , 即聚灰比更低 , 而彈性卻高于前者 ) 。
(2) 與目前市售的同類產品 J S 相比 , PMC 的吸水率大幅度降低 (24h 吸水率僅為 J S 的 1 Π 5 左右 ), 高耐水、泡水不腫脹 , 浸水后拉伸強度保持率高。
(3) PMC 是以水泥基無機材料為主的 ( 無機材料約占 80 % , 有機物僅占 20 %) , 再加上 PMC 使用的是高耐久聚合物 ( 有 20 年應用實例 ), 未采用耐水性、耐老化不佳的非交聯型聚合物 , 因而 PMC 具有更好的耐老化性、耐水性和耐久性。檢測結果 : 老化 500h , 強度、延伸率保留率≥ 90 % 。
PMC 經國家建材測試中心和各地質檢部門檢測 , 各項性能符合國內外有關標準規范的要求 , 并已成功地應用于全國各地許多重點或大型工程 , 取得了滿意的防水效果。 PMC 防水材料原材料來源較為廣泛 , 價格適中 , 性能優異 , 施工簡便 , 無毒無害 , 定會有廣闊的應用前景。
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