聚合物水泥防水涂料的耐久性研究进展

王宏霞 王志新

（中国建筑材料科学研究总院有限公司，绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

随着我国基础设施、市政及交通工程建设的飞速发展，具有优异防水性能的聚合物水泥防水涂料（简称JS防水涂料）以其兼具柔韧性、与潮湿基层粘结力强、施工方便、整体防水效果佳及环境友好等优良特性，在我国的多个建筑结构部位（例如，厕浴、厨房、建筑物屋面、地下室等）中得到广泛应用，目前其已成为我国建筑防水材料领域中不可或缺的重要材料[1-3]。

JS防水涂料作为一类双组分水性防水涂料，是以聚合物乳液和水泥为主要原料，同时加入其他助剂和填料配制，因而其兼有聚合物和水泥的优点，即既具备聚合物乳液优异的延伸性和防水性，也有水硬性胶凝材料强度高、与潮湿基层黏结能力强等优点。然而任何材料都有缺馅，随着JS防水涂料在工程中的广泛应用，其不足之处也逐渐显现。已有的研究和工程实践表明[4-7]，当JS防水涂料应用于建筑物屋面等易受到风吹日晒的自然环境下时，其易出现耐水性变差、开裂等耐久性问题，这表现为长期浸水后材料明显软化、强度下降，在屋面暴露两三年后材料明显发硬，延伸率下降、开裂等。为此，本文从影响JS防水涂料耐久性的主要因素出发，分别从JS防水涂料自身的组成结构、与其相粘结的基层特性、外界温湿度条件及施工工艺等方面，阐述各因素对JS防水涂料耐久性影响的研究进展，在此基础上提出改善JS防水涂料耐久性的研究方向。

1 JS防水涂料组成结构对其耐久性的影响

聚合物乳液的种类是影响JS防水涂料耐久性的主要因素之一。较为常用的聚合物乳液主要有乙烯-醋酸乙烯酯、丙烯酸酯和丁苯乳液等。三种乳液由于其工艺和组分的不同，其耐候性和耐水性相差较大。乙烯-醋酸乙烯酯乳液是由醋酸乙烯与乙烯单体共聚而成。乙烯单体的引入可降低该乳液的玻璃化转变温度，但由于采用水溶性的聚乙烯醇作为保护胶体，因而其长期耐水性不理想。丁苯胶乳由丁二烯和苯乙烯单体共聚而成，其柔韧性和耐水性较佳，但聚合物分子链中含有C=C不饱和键，因而分子易受外界热能、紫外线和臭氧干扰而断裂降解，该类材料的耐候性不佳[8]。相比而言，丙烯酸酯的结构中存在着-COOR基团，该基团可在成膜过程中形成立体网状交织结构，因而分子键能较强、形成的大分子结构不易降解，涂膜抗紫外线、耐高温的能力较强。但丙烯酸乳液的长期耐水性能偏差[9]。因此，从耐久性角度来讲，现有的三种乳液均存在弊端。如何通过交联改性处理来提高改善三种乳液的综合性能则是下一步研究的方向。

聚灰比是影响JS防水涂料耐久性的另一主要因素。相对于聚合物来说，水泥具有优良的耐水性和耐候性。降低聚合物用量、提高水泥用量，也就是降低聚灰比，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。但问题是，降低聚灰比将会导致断裂延伸率的大幅度下降，而实际工程要求聚合物水泥涂料必须具备良好的弹塑性、延伸率[9]。研究[10]表明，聚灰比为0.6是聚合物水泥基防水涂料的“刚-柔”分界点。即当聚灰比<0.6时，涂膜呈“刚”性，其拉伸强度主要受水泥水化程度影响；当聚灰比>0.6时，涂膜呈“柔”性，其拉伸强度由聚合物颗粒黏附、堆积情况而定。这是因为较高聚灰比的涂料体系中聚合物可形成更为完整的有机聚合物连续相，少量水泥等无机粉料仅以粒状颗粒分布在连续相中，此时形成的涂膜具有较为优良的延伸性和低温柔性；而在低聚灰比体系中，由于水泥水化形成了局部刚性凝胶网络，从而聚合物的连续相存在许多断点和缺陷，因而所形成的涂膜断裂伸长率和低温柔性能都明显下降[11]。相关研究也进一步表明，就不同种类的聚合物而言，聚灰比对其拉伸强度有着不同的影响规律。对丙烯酸酯类乳液防水涂料而言，聚灰比越大，涂膜的拉伸强度越大；聚灰比<0.6时，涂膜的拉伸强度增长缓慢；聚灰比>0.6时，涂膜的拉伸强度增长迅速。而对于聚醋酸乙烯-乙烯乳液而言，聚灰比<0.6时，拉伸强度随聚灰比增大而增大；聚灰比>0.6时，拉伸强度随聚灰比增大而减小[10]。造成上述这一现象的成因除了聚合物乳液组成含量及本身分子结构不同外，可能还在于，不同聚合物活性基团与水泥水化产物之间存在的化学反应及形成的不同界面结构所致。

粉料组成对JS防水涂料的耐久性能也有很大影响。已有研究发现，不同粉料组成体系对其拉伸强度和断裂伸长率有着不同的影响趋势，其中掺入某种粉料组分可显著改善JS防水涂料的耐久性。文献[11]和[12]的研究表明，在由水泥、重钙和石英粉组成的粉料体系中，其涂料的拉伸强度和断裂伸长率均随水泥和重钙比例提高，呈先增大后减小的趋势；而其随石英粉用量增大，拉伸强度降低、断裂伸长率增大。文献[13]的研究发现，在JS防水涂料粉料体系中掺入1.0%的改性纳米SiO2可显著增强JS防水涂料的拉伸强度，该值相较于未掺改性纳米二氧化硅的涂料，提高了约52%，并且其断裂伸长率仅有轻微降低。经检测，掺有1.0%改性纳米二氧化硅的JS防水涂料还具有优异的耐酸性、耐碱性及耐盐性等。这表明，掺入填料或改变填料与水泥的比例可调整JS防水涂料拉伸强度与断裂伸长率的变化，但不同种类的填料以及水泥与填料的比例对涂料性能的影响目前还尚未形成普适性的规律，还需进一步的系统研究。

2 基层特性对其耐久性的影响

JS防水涂料的耐久性优劣与其所涂基层特性密切相关。具有不同洁净度、密实度、粗糙度及含水率的基层首先影响涂料的粘结强度，进而会对其后期的耐水性、开裂等性能造成不同程度的影响。已有研究[14]发现，表面沾污、松散、粗糙的基层与JS防水涂料粘接不良，粘结强度偏低；基层含水率越大，粘结强度越小。与参照样含水率2%的基层相比，基层含水率0.2%的粘结强度可提高到120%；而基层含水率6%的粘结强度下降至85%。试验过程中还发现，JS防水涂料在含水量0.2%的基层上表干时间较短，此时若涂覆过厚可能出现表面开裂。由此可见，基层特性对JS防水涂料性能影响更为直观，为此在JS防水涂料施工过程中，除了保证基层一定的洁净度外，还应控制其含水率，理想的基层含水率宜在2%～6%。此外，除了保持基层一定特性，研究[15]还发现，在柔韧型聚合物水泥防水涂料施工前，通过在基层水泥砂浆块上预涂一层水泥浆料处理层，并当该水泥浆料聚灰比小于0.4时，柔韧型聚合物防水涂料的粘接强度最佳。这显然提供了一种改善基层特性的方法，然而有关处理层浆料与JS防水涂料间的相互影响机制尚不明确。

3 环境温湿度对其耐久性的影响

JS防水涂料以水泥和聚合物乳液为主，外界温湿度变化不但影响水泥的水化进程，而且影响聚合物乳液中分子的运动。较高温度会导致材料变形，而温度过低又会导致材料发生脆性变化，因此在使用过程中要注意环境温湿度的影响。JS防水涂料最适宜的环境温度是5～35℃，湿度在50%～70%之间[16]。外界温湿度对JS防水涂料性能影响的本因在于，温度可对聚合物乳液的高分子链产生影响，较高的温度能促进聚合物高分子链的移动，而低温又会使聚合物分子链冻结；湿度则主要对水泥的水化产生影响，较高的湿度能促进水泥水化，但同时湿度太大也可能对聚合物与水泥或无机填料界面力产生破坏作用[6]，从而影响其耐久性能，而低湿度会促使水分蒸发，降低水泥的水化程度，由此可能造成材料开裂等。而且，针对不同聚合物乳液，水分子对其涂膜的破坏机理及程度也不同。因此，需针对不同聚合物乳液，研究不同温湿度对JS防水涂料性能影响机制，从而从根本上掌握JS防水涂料在不同温湿度条件下的应用规律。

4 施工工艺对其耐久性的影响

搅拌是JS防水涂料施工工艺的第一环节。已有研究[17]表明，不同的搅拌工具和搅拌速率可改变其密度。相比于桨叶式搅拌杆，上下齿分散盘搅拌杆搅拌成型的JS防水涂料密度较小；较之800r/min,采用1200r/min搅拌成型的JS防水涂料密度较小。在同等原材料的情况下，JS防水涂料密度减小说明该体系含气量增大，这表明不同的搅拌工具和搅拌速率度可改变JS防水涂料的含气量，从而影响其密度和物理力学性能。为消除或降低由不同搅拌方式所引入气泡对JS防水涂料的不利影响，文献[18]研究了不同搅拌制度对JS防水涂料密度、拉伸强度及断裂延伸率的影响，结果发现机械搅拌5min后静置1～3min消泡效果不佳，而机械搅拌5min后再低速搅拌有利于消泡，此时JS防水涂料的密度、拉伸强度及断裂延伸率均有不同程度的增加。这表明JS防水涂料中气泡的消除需要一定时间。JS防水涂料一般呈较稠状态，其中所含气泡的消除必须经过气泡再分布、气泡膜壁厚度减薄及气泡膜的破裂等过程。当在JS防水涂料中机械搅拌5min后再低速搅拌时，其所含消泡剂会以微粒的形式渗入泡沫体系中，由于消泡剂本身具有较低的表面张力，从而会使含有消泡剂的气泡膜壁逐渐变薄、表面张力逐渐不平衡，最终气泡被周围表面张力大的膜层强力吸引，气泡破灭。

成型是JS防水涂料施工工艺的第二环节。不同成型方式对JS防水涂料的拉伸强度和断裂伸长率均有很大影响。较之实验室刮涂成型方式，工程实际施工中常采用滚涂或刷涂成型。已有研究[19-20]表明，不同成型方式主要是从其所含气泡量、气泡特征、分布情况及水的挥发速率等方面影响其施工性和耐久性。气泡会使JS防水涂料的拉伸强度和断裂伸长率降低，其影响的程度与所含气泡多少及大气泡的比例密切相关[20]。滚涂成型方式的涂覆次数最多，消泡效率最高，其所含大气泡的数量和比例较小。刷涂成型方式虽然和刮涂的次数相同，但反复涂刷也有利于消泡。而刮涂只能靠气泡从浆料内部向JS防水涂料表面迁移并破灭来消泡，其消泡效率最低，相对含气量最大。采用显微镜对涂膜载体截面的研究也发现：经成型后的薄涂层（厚度不超过0.5mm)内部存在的气泡较小，并呈封闭状态；而厚涂层（厚度在0.8mm以上）的浆料内气泡相对较大，有时气泡几乎贯穿整个涂层。此外，不同成型方式、刮涂次数还会影响其所含水的挥发速率。研究表明，在相同原材料情况下，相比于2遍刮涂，5个样品3遍刮涂后的拉伸强度和断裂延伸率变化程度不同。这表明，成型方式对JS防水涂料的性能确有很大的影响，其中若气泡的数量、存在形态及水的挥发速率控制得当，则成型的JS防水涂料性能良好，但无论何种搅拌和成型工艺，完全消除气泡是不可能的。

5 结论与展望

综上所述，现有研究在影响JS防水涂料耐久性方面已经开展了大量的工作，并获得了许多有价值的成果，但仍有许多问题亟待进一步深入探讨。在材料组成结构方面，尚需开展交联改性的聚合物乳液、液粉比、成膜性能及其流挂性等对防水材料耐久性的影响；开展不同种类的填料以及水泥与填料的比例对涂料性能的影响规律；在基层特性方面，需开展基层胎体增强材料结构设计，及其与JS防水材料间复合技术的研究；在环境温湿度和施工工艺方面，需在国家标准GB/T 23445-2009的指导下，进一步深入开展该因素对JS防水涂料性能的影响机制。本文旨在从根本上解决JS防水涂料耐久性差的问题，为JS防水涂料室外高效应用提供理论依据和技术支撑。