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(xiàn)場(chǎng)攪拌成均勻、細(xì)膩漿料 , 涂刷或噴涂于基體表面 , 固化后可形成柔韌、高強(qiáng)的防水涂膜。這種涂料既有水泥類膠凝材料強(qiáng)度高、易與潮濕基面粘結(jié) , 又兼有聚合物涂膜彈性大、防水性好的優(yōu)點(diǎn) , 尤其是以水作為載體 , 克服了瀝青、焦油、有機(jī)溶劑型防水材料污染環(huán)境的弊端 , 是一種無毒無害、可濕作業(yè)、施工簡便的新型綠色環(huán)保防水材料。它不僅適用于各種防水工程 , 還可用于修補(bǔ)工程、界面處理、混凝土防護(hù)、裝飾、結(jié)構(gòu)密封等。 


　　試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明 , 目前市售的很多此類產(chǎn)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(qiáng)度下降 ; 抗紫外線能力不強(qiáng)、耐候性差 , 一些產(chǎn)品在屋面暴露兩三年后明顯發(fā)硬 , 延伸率下降。據(jù)文獻(xiàn) 介紹 : 目前國內(nèi)普遍生產(chǎn)和使用的 J S 聚合物水泥涂料高聚粉比產(chǎn)品 ( 液粉比 10 ∶ 7 , 延伸率>=150 %) , 耐水指標(biāo)大都不過關(guān)。因此 , 引起業(yè)內(nèi)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(duì)這種情況 , 我們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作 , 以期改進(jìn)、完善它的性能 , 試驗(yàn)取得了較為理想的結(jié)果 , 進(jìn)而研制出新一代 PMC 彈性聚合物水泥防水涂料。 

　　2 技術(shù)路線 

　　通常情況下 , 水泥基材料 ( 與聚合物相比 ) 具有優(yōu)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(yōu)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(huán)氧和橡膠瀝青等。因丙烯酸酯共聚物彈性好 , 其結(jié)構(gòu)中存在著— COOR 基團(tuán) , 通過交聯(lián)改性 , 可使原有線形結(jié)構(gòu)在成膜過程中形成立體網(wǎng)狀交織結(jié)構(gòu) , 分子鍵能強(qiáng) , 形成的大分子結(jié)構(gòu)不易降解 , 這樣涂膜抗紫外線、耐高溫的能力就強(qiáng) , 同時(shí)也減低了水分子進(jìn)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(fā) , 我們選用丙烯酸酯共聚物并對(duì)其進(jìn)行交聯(lián)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(xué)鍵合 

　　聚合物水泥復(fù)合材料體系可分為兩類 : 一種是非反應(yīng)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)之間 , 有機(jī)物和無機(jī)物僅為惰性地、機(jī)械式地相互填充。另一種則是反應(yīng)型的聚合物 , 有兩種反應(yīng)形式 :一是聚合物之間 ( 或與硬化劑 ) 的交聯(lián)固化反應(yīng) , 從而形成大分子 ; 二是聚合物活性基團(tuán)與水泥水化產(chǎn)物之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng) , 形成以化學(xué)鍵結(jié)合的界面結(jié)構(gòu) , 通過界面增強(qiáng)導(dǎo)致材料性能的提高。通過適當(dāng)?shù)母男怨に?nbsp;, 可大大加強(qiáng)聚合物與水泥水化產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)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(fā)生化學(xué)反應(yīng) , 生成以離子鍵結(jié)合的大分子網(wǎng)絡(luò)交織結(jié)構(gòu) , 且隨著水化齡期的延長 , 水化程度越高 , 這種反應(yīng)生成物的量就越大。 

　　含有 — COOH 等官能團(tuán)的聚合物 , 能與水泥水化產(chǎn)物 Ca 2 + 發(fā)生作用 , 從而顯著提高材料的強(qiáng)度和耐水性 , 所以國外將其稱作反應(yīng)型聚合物水泥基材料 (RPMC) 。 RPMC 是聚合物水泥復(fù)合材料的新成員 , 它是用活性聚合物、水泥、引發(fā)系統(tǒng)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(diǎn)在于 , 材料在結(jié)構(gòu)形成過程中聚合物和水泥都起到了活性 ( 反應(yīng) ) 作用 , 由于聚合物與水泥界面存在化學(xué)鍵合 , 大大強(qiáng)化了界面結(jié)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(yōu)良的物理力學(xué)性能。 


　　2. 3 降低聚灰比 

　　如前所述 , 水泥相對(duì)于聚合物來說具有優(yōu)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(huì)導(dǎo)致斷裂延伸率的大幅度下降 , 而實(shí)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(yīng)建筑結(jié)構(gòu)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(chǎn)品 , 分為高彈和低彈兩種類型。據(jù)文獻(xiàn) [ 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(shù)上有所突破 , 即在低聚灰比的情況下做出高彈性的產(chǎn)品呢 ? 

　　我們?cè)谠囼?yàn)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(dá)不到很高的延伸率 , 見表 1 試驗(yàn)結(jié)果第 1 、 2 組數(shù)據(jù)。建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JC Π T 894 -2001 ( 以下簡稱行標(biāo) ) 聚合物水泥防水涂料Ⅰ 型的斷裂伸長率指標(biāo)為≥ 200 % , 而單純使用聚合物 ( 未經(jīng)改性處理 ) 的第 1 組 , 斷裂伸長率只有 113 % 。為此 , 我們除了對(duì)聚合物進(jìn)行改性處理之外 , 在配方設(shè)計(jì)中還加入特殊成分的增塑劑 , 它可以消弱分子間的次價(jià)力 , 增加分子鏈運(yùn)動(dòng) , 降低高分子的結(jié)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(yàn)結(jié)果 

　　注 : 標(biāo)養(yǎng)條件為 23 ± 2 ℃ , 相對(duì)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(fù)合使用增塑劑 2 # + 5 # 效果明顯優(yōu)于單獨(dú)使用 , 第 4 組室溫養(yǎng)護(hù) 7d 斷裂伸長率超過 400 % , 按行標(biāo)的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 7d + 50 ℃ 烘干 24h 則達(dá)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(jī)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(dá)到這樣高的彈 性 , 應(yīng)當(dāng)說這是技術(shù)上的重大進(jìn)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(shù)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(jīng)過特殊化學(xué)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(yàn) , 我們確定了最佳的材料組成和工藝 , 其技術(shù)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(jīng) 7 天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),測(cè)定其強(qiáng)度和延伸率,然后將涂膜浸泡在水中,測(cè)定其吸水率和濕膜強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果列 于表 2 。 

　　表 2 耐水性試驗(yàn)結(jié)果 

　　注 : 本文進(jìn)行的相關(guān)對(duì)比試驗(yàn) , 純系科研工作之需要 , 對(duì)有關(guān)廠家的產(chǎn)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(qiáng)度降低 , 延伸率顯著加大 ), 濕膜強(qiáng)度保留率僅為 35 % ～ 55 % ; 而 PMC 浸水 7d 強(qiáng)度和延伸率幾乎不變 , 強(qiáng)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(yōu)于目前市售的 J S 。 

　　3. 2 不同粉液比 PMC 的強(qiáng)度和延伸率 

　　對(duì)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(qiáng)度初期隨著粉料用量的增加而上升 , 但當(dāng)液粉比達(dá)到 10 ∶15 以后 , 隨著粉料的進(jìn)一步增加 , 強(qiáng)度開始下降。這是由于細(xì)粉料比表面積加大 , 聚合物不能有效地包裹水泥粉料導(dǎo)致界面效應(yīng)下降所致。綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的因素 ,PMC 的最佳液粉比為 10 ∶15 , 在這一比例下 , 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 7d , 強(qiáng)度 2. 03MPa , 斷裂延伸率 402 % 。按行標(biāo)檢測(cè) ( 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 7d + 50 ℃ 24h) , 強(qiáng)度2. 96MPa , 斷裂延伸率 307 % , 綜合性能明顯優(yōu)于目前市售的一些 J S 涂料產(chǎn)品 , 結(jié)果見表 3 。 

　　3. 3 耐候性、耐堿性、耐熱性及其它性能經(jīng)國家建材測(cè)試中心檢測(cè) , 新一代 PMC 具有極佳的抗紫外能力 , 老化 500h , 強(qiáng)度、延伸率保留率≥ 90 %( 行標(biāo)要求 : 老化 250h , 強(qiáng)度、延伸率保留率≥ 80 %) 。同時(shí) , 它還具有良好的耐堿性、耐熱性及其它性能 , 試驗(yàn)結(jié)果見表 4 。 
4 固化機(jī)理探討 

　　在聚合物 - 水泥復(fù)合體系中 , 隨著水泥水化的進(jìn)行 , 水泥在涂層內(nèi)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(chǎn)物 , 膠乳中的另一部分水分則揮發(fā)到大氣中 , 脫水后聚合物顆粒逐步靠近 , 最終相互連結(jié) , 在水泥水化產(chǎn)物周圍和表面形成薄膜或網(wǎng)絡(luò) , 這種具有粘結(jié)性和彈塑性的聚合物柔韌網(wǎng)絡(luò) , 將散凝系統(tǒng)中的水泥水化顆粒與粗細(xì)骨料咬合在一起生成柔韌、高強(qiáng)的有機(jī) - 無機(jī)復(fù)合材料。同時(shí) , 改性丙烯酸共聚乳液可與水泥水化生成的 Ca (OH) 2 發(fā)生化學(xué)反應(yīng) , 生成以離子鍵結(jié)合的大分子網(wǎng)絡(luò)交織結(jié)構(gòu) , 且隨著水化齡期的延長 , 水化程度越深 , 這種反應(yīng)生成物量就越多 , 這樣就形成了多點(diǎn)鍵合、相互交聯(lián)的立體網(wǎng)絡(luò)交織結(jié)構(gòu)。由于聚合物與水泥存在化學(xué)鍵合 , 大大強(qiáng)化了界面結(jié)合 , 使界面承載能力提高 , 從而提高了復(fù)合材料的斷裂能和韌性�；�于這一物理化學(xué)原理 , PMC 防水涂料既有水泥類無機(jī)材料強(qiáng)度高、耐水性、耐候性好的優(yōu)點(diǎn) , 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(qiáng)、堅(jiān)韌、耐久的防水涂膜。 

　　表 3 不同粉液比 PMC 的強(qiáng)度和延伸率 

　　表 4 技術(shù)性能表 

　　5 結(jié)語 

　　聚合物水泥防水涂料是近年來興起的一種綠色環(huán)保防水材料 , 它是國家建設(shè)部重點(diǎn)推薦的防水材料之一 , 屬國家大力提倡的綠色環(huán)保型產(chǎn)品。它具有高強(qiáng)、柔韌、無接縫、整體性好、透氣不透水、粘結(jié)力強(qiáng)、不空鼓、抗凍融、耐高溫、耐腐蝕、冷施工、可濕作業(yè)、施工簡便、無毒無害、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。 

　　與目前市售的同類產(chǎn)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(chǎn)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(qiáng)度保持率高。 

　　(3) PMC 是以水泥基無機(jī)材料為主的 ( 無機(jī)材料約占 80 % , 有機(jī)物僅占 20 %) , 再加上 PMC 使用的是高耐久聚合物 ( 有 20 年應(yīng)用實(shí)例 ), 未采用耐水性、耐老化不佳的非交聯(lián)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(cè)結(jié)果 : 老化 500h , 強(qiáng)度、延伸率保留率≥ 90 % 。 

　　PMC 經(jīng)國家建材測(cè)試中心和各地質(zhì)檢部門檢測(cè) , 各項(xiàng)性能符合國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求 , 并已成功地應(yīng)用于全國各地許多重點(diǎn)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(jià)格適中 , 性能優(yōu)異 , 施工簡便 , 無毒無害 , 定會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。