聚合物水泥防水涂料的机理及应用进展

严芬英， 赵春英

(沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110159)

聚合物水泥防水涂料的机理及应用进展

严芬英， 赵春英

(沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁沈阳 110159)

简要介绍了聚合物水泥防水涂料的成膜机理及其防水机理，提出了该防水涂料聚合物乳液的选择标准-玻璃化温度。并从乳液用量、施工条件及作业面涂覆三个方面分析了该防水涂料在实际应用中存在的问题，阐明了聚合物水泥防水涂料的未来发展方向。

聚合物水泥防水涂料;成膜机理;丙烯酸酯乳液

引 言

聚合物乳液改性水泥材料研究的第一篇专利在1924年发表于 Lefebure［1］。日本对于这方面的研究工作做得比较早，水平也比较高。我国从20世纪90年代初开始研制聚合物水泥防水涂料，并于1995年通过建设部技术鉴定。近年来，聚合物水泥防水涂料在我国发展迅速，据专家分析2010年及以后将是聚合物水泥防水涂料应用增速较快的时期［2］。

聚合物水泥防水涂料，又称JS复合防水涂料，是以有机聚合物乳液和无机水泥复合而成的一种双组分、水性建筑防水涂料，该防水涂料将有机材料的柔韧性﹑防水性和无机材料强度高﹑易与潮湿基面粘结等特性结合于一体，并使其在不同的条件下各自发展并相互作用，相互牵制。该种防水涂料以水为分散剂，克服了焦油、沥青及溶剂型防水涂料造成污染的弊病［3］，且无毒、不燃、生产和使用都较方便，安全及生产成本也较低［4］，满足国家提倡的环保要求，顺应防水涂料绿色环保的趋势，是建筑防水涂料行业的后起之秀。

1 聚合物水泥防水涂料的成膜及防水机理

1.1 聚合物水泥防水涂料的成膜机理

聚合物水泥防水涂料是通过在聚合物乳液等有机液料和水泥等无机粉料混合物中加入其它助剂而复合成为一体的防水涂料。当涂料涂覆在被涂物上，由液态或粉末状变成固态薄膜的过程，称之为涂料的成膜过程或涂料的固化，一般亦称为涂料的干燥。

聚合物水泥防水涂料是一种兼具挥发固化和反应固化双重特点的防水涂料［5］。其成膜机理［6］是将液料和粉料以一定配比混合后，在搅拌过程中聚合物微粒与水泥颗粒之间形成一种包覆与被包覆的关系。因水泥是一种活性很强的无机材料，能与聚合物乳液中的一部分水相遇发生水化反应，Ca(OH)2溶液很快达到饱和并析出晶体，同时生成钙矾石以及水化硅酸钙凝胶体;而聚合物乳液中的另一部分水分会挥发，使高分子微粒脱水而粘连在一起，从而形成连续的强塑性薄膜。随着反应的进一步进行，水分不断消耗和逸失，在凝胶体上和在孔隙中紧密堆积的聚合物颗粒之间会慢慢靠拢而相互凝聚在一起，形成一种连续的立体构型的网络结构，并与水化水泥浆体互穿基质的混合体，使水化产物及骨料之间相互胶接。董松等［7］利用扫描电镜(SEM)对防水涂料的成膜过程进行了微观结构分析，显示该微观结构是以针状或类似针状的结晶水化产物占主体结构，而聚合物水泥基防水涂膜的组织结构是以聚合物网络结构为主体，未水化的水泥、其它无机填料和水化产物镶嵌其中的连续结构网络［4］，同时由于聚合物和水泥之间存在化学键合，这样又强化了界面结合［8］，提高界面断裂能，因而聚合物水泥基防水涂料能够形成坚韧高强、具有连贯性的整体涂膜。

1.2 聚合物水泥防水涂料的防水机理

根据对目前已有的防水涂料产品进行分析得出，其防水机理可以分为两大类，一类是通过形成完整的涂膜阻挡水的透过或水分子的渗透;另一类是通过涂膜本身的憎水作用防止水分透过。聚合物水泥防水涂料则是根据第二类机理研制出来的。

当聚合物乳液和水泥灰浆相混合时，会形成以聚合物为主体框架，包覆着未水化水泥、水泥水化产物及其它颜填料的连续涂膜。固体高分子的分子与分子之间存在一些间隙，其间隙的宽度很小，约为几个纳米，按常理来说单个的水分子是完全可以从这些间隙中通过，但自然界的水通常处于缔合状态，几十个水分子之间由于氢键作用而形成一个较大的水分子团，这样水分子团实际上很难通过高分子之间的间隙，也就是所谓的“以水止水”，所以聚合物水泥防水涂料涂膜既具有透气又有防水的功能［9］。在20世纪50年代，日本的津田勇根据这个机理研制出以高模数乙烯-醋酸乙烯共聚乳液(EVA)和高铝水泥为主要成分的自闭型聚合物水泥防水涂料(PARATEX)［10］。PARATEX 涂膜兼有合成高分子材料的延伸性、柔韧性好的特点和水泥类材料粘结性好、强度高的特点，这不仅对基层的裂缝有一定的跟踪、随动性，而且一旦涂膜发生细小裂纹，由于水对树脂成分的溶胀效应以及裂缝界面水泥中析出产生的碳酸钙被树脂中的活性胶凝剂吸附、固化和堆积，可堵塞进水通道，从而使裂隙自行封闭。

2 聚合物水泥防水涂料乳液的选择

聚合物乳液是防水涂料的主要成膜物质，是影响涂料性能的主要因素，关系到涂膜的耐水性、硬度及柔韧性等性能，因此聚合物乳液作为防水涂料的基料起着非常关键的作用［11］。用于制备聚合物水泥基防水涂料的聚合物乳液有很多种，主要有丁苯乳液、乙烯-聚醋酸乙烯(VAE)共聚乳液、丙烯酸酯乳液、苯乙烯-丙烯酸酯乳液和氯丁胶乳等［12］。θg是非晶态高聚物玻璃态与高弹态两态转变的温度，将玻璃化温度(θg)作为聚合物乳液的选择标准。对于普通的乳液，一般来说温度低于θg，乳液不会发生凝结;温度高于θg，乳液便会发生凝结而形成一层致密的薄膜［4］，因此乳液的玻璃化温度是影响乳液性能的主要因素。乳液的玻璃化温度越低，生产的聚合物水泥防水涂料的柔韧性、断裂伸长率和低温性能越好。

研究发现，聚丙烯酸酯乳液和VAE乳液符合防水涂料的基本要求，能应用配制防水涂料。丙烯酸酯乳液的综合性能最好，有优异的耐候性、柔韧性和耐水性，是制备聚合物水泥防水涂料的理想选择［13］。因聚丙烯酸酯乳液分子中含有活性—COOH基团，能与水泥水化产物中的Ca2+发生作用，显著提高材料的强度和耐水性［14］。蒋燕兮等［15］使用两种性质不同的丙烯酸酯乳液共混，利用两种乳液的协同效应研制的性能优良的防水涂料。陈立军等［16］以甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯及丙烯酸丁酯为原料研制的聚合物水泥防水涂料拉伸强度下降、断裂伸长率增加，低温柔性也增加。由于VAE乳液不含活性基团，为线性高分子材料，分子极性相对较大，交联困难，在受热和紫外线作用下，易造成分子裂解，使涂膜变脆、发硬以致破裂，因此其耐热老化、耐水性较差，但其拉伸强度较高，耐碱性、抗蠕变性优于聚丙烯酸酯乳液。现在一般都是将丙烯酸酯乳液和VAE共聚乳液复配研制聚合物水泥防水涂料，这两类乳液在性能上可以相互作用，能取得良好的效果，如以聚丙烯酸酯乳液为主液料，适当添加VAE乳液，即可增加涂膜的耐久、耐水、粘结和柔韧性，又能使涂料的低温成膜性好、拉伸强度高、断裂伸长率好且价格适中。聚丙烯酸酯乳液的改性能力优于VAE乳液，要达到相同性能聚丙烯酸酯乳液的用量少于VAE乳液，副作用也小［17］。

近年来丙烯酸基防水涂料用量增加，特别是用丙烯酸和VAE复合作乳液的聚合物水泥防水涂料用量也增加。如周长远等［18］以丙烯酸酯单体为基体研制的聚合物水泥防水涂料综合性能良好;叶军［19］介绍了以丙烯酸、乙烯-醋酸乙烯(EVA)二者改性的乳液为基料的反应型聚合物水泥防水涂料在2008年奥运工程中成功应用等，以这两类乳液为基料的例子还有很多。据有关部门统计，2008年我国聚合物水泥防水涂料用乳液49%为聚醋酸乙烯-乙烯共聚乳液，48%为丙烯酸酯乳液，其余3%为丁苯乳液［20］。

3 聚合物水泥防水涂料在应用中的问题

聚合物水泥防水涂料无毒、无污染，属于环保型产品;涂层坚韧高强，耐水、耐候、耐久及耐高温;能在潮湿(无明水)或干燥的多种材质(如砖石、砂浆、混凝土、金属、木材、硬塑料及玻璃等)基面直接施工，操作简单方便，是一种性能良好的绿色环保防水产品。自20世纪末至21世纪初得到迅速的发展和大范围的推广使用。然而，该类产品在生产和使用中出现了很多问题。

3.1 聚合物乳液用量配比问题

聚合物乳液防水涂料的性能主要由聚合物乳液决定，这就令大多数人产生了错觉，认为聚合物水泥防水涂料胶乳应该用量越大越好，在选购不同厂家产品时胶乳用量成了唯一的评判标准。聚合物水泥防水涂料为双组分，施工前需要现场配置。一些施工单位为省钱，只买液料，不买粉料，为追求高额利润而任意加大粉料用量或随便加水调整稠度，不严格按照配置聚合物水泥防水涂料的聚灰比，导致产品质量失控，严重影响了聚合物水泥防水涂料的声誉，被列入低劣产品［21］。因此只有了解聚合物水泥防水涂料配比的有关参数，掌握原料配比与涂料性能之间的关系［22］，严格按照涂料生产企业规定的配比混合才能确保防水工程的质量。

3.2 施工湿度、温度的问题

聚合物水泥防水涂料的特点是可在潮湿基层施工，但有一个潮湿程度问题，并不是说任何潮湿的气候环境条件或非常高的基层含水率情况下均可施工。聚合物水泥防水涂料在成膜过程中，只有约15%水泥水化，其余水泥都充当填料。水泥水化形成金属盐(特别是高价铝盐)才能与高分子活性基团起作用［23］。干燥环境可加速水分蒸发，有利于涂膜的成膜，潮湿环境有利于水泥水化，所以太干或者太湿条件对施工都不利。因此对施工的湿度范围有要求，一般施工湿度保持在50% ～70%为宜［23］。

同样温度对成膜也有影响。粉料和液料相混合时，在不同的温度条件下各自发展并相互作用、相互限制［24］。较低温度能使粉料特别是水泥有效发挥并主导成膜过程，同时抑制有机高分子体系的主导作用;相反，较高温度时，有机高分子发挥其主导作用，并抑制无机材料的发展。因此，为保证涂膜质量，要求涂料施工θ在5～35℃为宜［23］。

3.3 聚合物水泥防水涂料作业面涂覆的问题

再好的防水涂料也得有一定的涂层厚度作为质量保证，但仅有涂层厚度还不够，还必须要保证一定的涂覆遍数，涂覆遍数越多，成膜的密实度越好。史红光［25］在从事聚合物水泥防水涂料试验时，将不同生产厂家的低温柔性及不透水性均合格的聚合物水泥防水涂料用两种涂覆方法制作试样，并进行对比试验。试验结果表明，同一聚合物水泥防水涂料，分3次涂覆制备的试样其断裂伸长率要比分2次涂覆制备的试样高。文翠琴［26］研究表明，同一聚合物水泥防水涂料，分3次涂覆制备的试样其试验结果符合相应的技术指标要求，而分2次涂覆制备的试样试验结果可能不符合要求。褚建军等［27］研究表明，试件在相同厚度和养护龄期下，所测的拉伸强度、延伸率随涂覆次数增加而有所增大;不同的涂覆方法，能导致聚合物水泥防水涂料产品试验结果不同，并影响到产品合格性的评定。

然而，对于涂覆遍数的要求，使得一些施工单位在实际施工中只注意施工遍数而忽略涂膜的厚度，现场管理也只关心涂刷了几遍，一些施工队就利用这一点，将涂料加水稀释后，比设计要求多涂一到两遍，但厚度没有达到要求，造成聚合物水泥防水涂料的性能变差，达不到研制该涂料的专家们所说的性能，使得聚合物水泥防水涂料在市场上的信誉度下滑。因此要严格按照国标规定并规范建材市场杜绝偷工减料问题。

4 聚合物水泥防水涂料的展望

随着国家经济的稳定快速发展和人民生活的不断提高，促使了我国防水建材的迅猛发展，生产更多质量好的环保型防水材料已经成为建筑行业的研究目标。聚合物水泥防水涂料是一种环境友好型建筑防水涂料，无毒、无害、无污染及施工简便等独特性能，符合材料科学的发展趋势，是涂料工业最活跃的研究领域之一。聚合物水泥防水涂料的发展方向主要从以下几个方面考虑:

1)研发属于自己的防水涂料体系。我国自行研发的聚合物水泥防水涂料产品的性能相对国外还有距离，这是多方面原因引起的，如我国的施工技术还不成熟，涂料生产工艺落后于国外，自行研制的性能好的乳液比较少，一般都依靠进口，这使我国在原料上受到国外限制，总是在国外产品基础上作研发，这样会永远落后。因此，要奠定我国在建筑防水涂料市场的基础，必须研发一整套属于自己原料设备体系。

2)研发高性能聚合物水泥防水涂料。我国现阶段的聚合物水泥防水涂料，在外墙防水、厕浴间防水和半地下室背水面的防水工程中展示了自身的魅力，但在较深的地下防水工程中，选用此类材料失败的案例很多。这是由于长期潮湿和水浸泡环境下，涂层体积膨胀，密度降低，防水性能差。因此未来的聚合物水泥防水涂料将向着防水性能更好，对环境适应性较强的方向发展。

3)研发多功能聚合物水泥防水涂料。由于目前使用的聚合物水泥防水涂料功能比较单一，只注重防水性能，这对防水涂料的应用区域有很大的限制，因此拓展聚合物水泥防水涂料功能，是未来防水涂料发展的必然趋势，例如在环保防水的基础上研究聚合物水泥防水涂料的保温性、隔热性及装饰性等。

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Mechanism and Application Progress of Polymer-cement Waterproof Coating

YAN Fen-ying，ZHAO Chun-ying
(School of Environmental and Chemical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Film forming mechanism and waterproof mechanism of polymer cement waterproof coating were introduced in this paper and selection criteria(glass transition temperature)for polymer emulsion of the coating was proposed.Problems existed in practical application of the coating were analyzed from three aspects:emulsion amount，construction condition and operation surface coating，and development direction of the polymer cement waterproof coating was also predicted.

polymer cement waterproof coating;film forming mechanism;acrylate emulsion

TU56

A

1001-3849(2012)09-0025-04

2012-01-08