聚合物水泥防水涂料 ( 以下简称 J S) 是以水性聚合物分散体和水泥为主的双组分防水涂料 , 两组分在现场搅拌成均匀、细腻浆料 , 涂刷或喷涂于基体表面 , 固化后可形成柔韧、高强的防水涂膜。这种涂料既有水泥类胶凝材料强度高、易与潮湿基面粘结 , 又兼有聚合物涂膜弹性大、防水性好的优点 , 尤其是以水作为载体 , 克服了沥青、焦油、有机溶剂型防水材料污染环境的弊端 , 是一种无毒无害、可湿作业、施工简便的新型绿色环保防水材料。它不仅适用于各种防水工程 , 还可用于修补工程、界面处理、混凝土防护、装饰、结构密封等。

    试验研究和工程实践表明 , 目前市售的很多此类产品存在着以下不足 : 聚灰比大 ( 即聚合物用量大 ) 而弹性并不高 , 目前市售的 J S 通常液粉比 10 ∶ 7 ( 聚灰比 = 1 ～ 2) , 延伸率仅 150 % ～ 250 % ; 耐水性差 , 吸水率大 , 泡水肿胀 , 长期浸水后明显软化 , 强度下降 ; 抗紫外线能力不强、耐候性差 , 一些产品在屋面暴露两三年后明显发硬 , 延伸率下降。据文献 介绍 : 目前国内普遍生产和使用的 J S 聚合物水泥涂料高聚粉比产品 ( 液粉比 10 ∶ 7 , 延伸率>=150 %) , 耐水指标大都不过关。因此 , 引起业内人士的一些误解 , 以为所有聚合物水泥类涂料都不适用于长期浸水工程部位。针对这种情况 , 我们进行了大量的试验研究工作 , 以期改进、完善它的性能 , 试验取得了较为理想的结果 , 进而研制出新一代 PMC 弹性聚合物水泥防水涂料。 

    2 技术路线 

    通常情况下 , 水泥基材料 ( 与聚合物相比 ) 具有优良的耐水性和耐候性。聚合物水泥防水涂膜耐水性、耐候性的优劣 , 主要取决于聚合物的品种、改性方法、聚灰比等因素。 

    2. 1 聚合物品种的选择及其改性处理 

    制备聚合物水泥防水涂料的聚合物种类很多 ,常用的有乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 (VAE) 、丙烯酸酯、共聚物、氯丁胶乳、丁苯胶乳、水性环氧和橡胶沥青等。因丙烯酸酯共聚物弹性好 , 其结构中存在着— COOR 基团 , 通过交联改性 , 可使原有线形结构在成膜过程中形成立体网状交织结构 , 分子键能强 , 形成的大分子结构不易降解 , 这样涂膜抗紫外线、耐高温的能力就强 , 同时也减低了水分子进入高分子链间造成涂膜溶胀的程度。因此 , 从提高涂膜性能的角度出发 , 我们选用丙烯酸酯共聚物并对其进行交联改性处理 , 从而大大提高了聚合物 -水泥体系的耐水性和耐候性。 

    2. 2 提高聚合物与水泥的化学键合 

    聚合物水泥复合材料体系可分为两类 : 一种是非反应型的聚合物 , 如氯丁胶乳、丁基胶乳、醋酸乙烯共聚乳液等 , 在复合材料结构中 , 聚合物成膜覆盖于水泥胶凝体表面或水泥水化物填充于聚合物网络之间 , 有机物和无机物仅为惰性地、机械式地相互填充。另一种则是反应型的聚合物 , 有两种反应形式 :一是聚合物之间 ( 或与硬化剂 ) 的交联固化反应 , 从而形成大分子 ; 二是聚合物活性基团与水泥水化产物之间发生了化学反应 , 形成以化学键结合的界面结构 , 通过界面增强导致材料性能的提高。通过适当的改性工艺 , 可大大加强聚合物与水泥水化产物的化学结合。研究表明 : 改性丙烯酸共聚乳液可与水泥水化生成的 Ca (OH) 2 发生化学反应 , 生成以离子键结合的大分子网络交织结构 , 且随着水化龄期的延长 , 水化程度越高 , 这种反应生成物的量就越大。 

    含有 — COOH 等官能团的聚合物 , 能与水泥水化产物 Ca 2 + 发生作用 , 从而显著提高材料的强度和耐水性 , 所以国外将其称作反应型聚合物水泥基材料 (RPMC) 。 RPMC 是聚合物水泥复合材料的新成员 , 它是用活性聚合物、水泥、引发系统和集料制成的。与通常使用的聚合物乳液水泥材料不同之点在于 , 材料在结构形成过程中聚合物和水泥都起到了活性 ( 反应 ) 作用 , 由于聚合物与水泥界面存在化学键合 , 大大强化了界面结合 , 使界面承载能力提高 , 从而提高了界面韧性和断裂能 , 造就了优良的物理力学性能。 

    2. 3 降低聚灰比 

    如前所述 , 水泥相对于聚合物来说具有优良的耐水性和耐候性。那么 , 降低聚合物用量 , 提高水泥用量 , 也就是说降低聚灰比 , 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 , 以适应建筑结构因沉降、位移、干缩、热胀冷缩等造成的变形。 

    目前聚合物水泥类涂料产品 , 分为高弹和低弹两种类型。据文献 [ 6 ] 介绍 : 高弹型的 ( 断裂伸长率≥ 150 %)JS 配比为液料∶ 7 , 聚灰比一般≥粉料 = 10 ∶ 1 , 甚至超过 2 , 这样高的聚合物用量 , 不但成本高 , 而且造成耐老化、耐水性等方面的缺陷 ; 低弹型的 ( 断裂伸长率≥ 80 %) , 聚灰比在 0. 6 左右。那么 , 能不能在技术上有所突破 , 即在低聚灰比的情况下做出高弹性的产品呢 ? 

    我们在试验研究中所用的丙烯酸酯共聚物本身是一种良好的弹塑性体 , 但在低聚灰比情况下 , 靠自身的固有性能 , 也达不到很高的延伸率 , 见表 1 试验结果第 1 、 2 组数据。建材行业标准 JC Π T 894 -2001 ( 以下简称行标 ) 聚合物水泥防水涂料Ⅰ 型的断裂伸长率指标为≥ 200 % , 而单纯使用聚合物 ( 未经改性处理 ) 的第 1 组 , 断裂伸长率只有 113 % 。为此 , 我们除了对聚合物进行改性处理之外 , 在配方设计中还加入特殊成分的增塑剂 , 它可以消弱分子间的次价力 , 增加分子链运动 , 降低高分子的结晶性 , 从而大幅度增加材料的延伸率 , 降低其硬度。 

    表 1 低聚灰比试验结果 

    注 : 标养条件为 23 ± 2 ℃ , 相对湿度 45 % ～ 70 % 

    由表 1 可见 , 由于增塑剂的加入 , 即使是很低的液粉比 (10 ∶15) 、聚灰比 (0. 35 ～ 0. 7) 下 , 涂膜仍具有很高的弹性 , 复合使用增塑剂 2 # + 5 # 效果明显优于单独使用 , 第 4 组室温养护 7d 断裂伸长率超过 400 % , 按行标的试验方法标准养护 7d + 50 ℃ 烘干 24h 则达到了 325 % 。

    从聚合物液料∶ 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 , 聚合物占体系总量的 20 % , 以水泥为主的无机物占 80 % 。也就是说 ,PMC 是以水泥为主的弹性防水材料 ( 故俗称为弹性水泥 ), 在这样低的聚灰比下 , 达到这样高的弹 性 , 应当说这是技术上的重大进步。低聚灰比意味着低的聚合物用量、高的水泥用量 , 这样 , 大量的水泥基材料就可以有效地屏蔽紫外线照射和水分的入侵 , 从而大幅度提高涂膜的耐候性和耐水性。 

    3 PMC 的组成及其技术性能 

    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体为主体 , 经过特殊化学改性并附以多种助剂和水而成 ; 粉料则由水泥、活性和非活性填料、外加剂等组成。通过大量的正交试验 , 我们确定了最佳的材料组成和工艺 , 其技术性能如下 : 

    3. 1 耐水性 

    将聚合物水泥涂料按配比搅拌成浆料 ,分3～4 层涂刷于平整的塑料板上 ,形成1. 5mm 厚的涂膜, 经 7 天标准养护,测定其强度和延伸率,然后将涂膜浸泡在水中,测定其吸水率和湿膜强度,试验结果列 于表 2 。 

    表 2 耐水性试验结果 

    注 : 本文进行的相关对比试验 , 纯系科研工作之需要 , 对有关厂家的产品绝无诋毁之意。 

    与市售的 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 厂 9. 03 % 、 B 厂 8. 60 % , 而 PMC 仅为 1. 95 % ;J S 涂料 7d 吸水率 A 厂 11. 19 % 、 B 厂 10. 15 % , 而 PMC 仅为 4. 47 % 。浸水 7d 后 ,J S 明显软化 ( 特征是强度降低 , 延伸率显著加大 ), 湿膜强度保留率仅为 35 % ～ 55 % ; 而 PMC 浸水 7d 强度和延伸率几乎不变 , 强度保留率 100 % , 延伸率保留率 99 % 。另外 , 从浸水后涂膜外观来看 ,J S 明显肿胀、泛白 , 而 PMC 没有变化、外观保持如初。显然 , 新一代 PMC 聚合物水泥防水涂料的耐水性大大优于目前市售的 J S 。 

    3. 2 不同粉液比 PMC 的强度和延伸率 

    对于 PMC 聚合物水泥防水涂料 , 粉料用量越大 ( 意味着成本越低 ), 断裂延伸率越小 ; 而强度初期随着粉料用量的增加而上升 , 但当液粉比达到 10 ∶15 以后 , 随着粉料的进一步增加 , 强度开始下降。这是由于细粉料比表面积加大 , 聚合物不能有效地包裹水泥粉料导致界面效应下降所致。综合技术和经济两方面的因素 ,PMC 的最佳液粉比为 10 ∶15 , 在这一比例下 , 标准养护 7d , 强度 2. 03MPa , 断裂延伸率 402 % 。按行标检测 ( 标准养护 7d + 50 ℃ 24h) , 强度2. 96MPa , 断裂延伸率 307 % , 综合性能明显优于目前市售的一些 J S 涂料产品 , 结果见表 3 。 

    3. 3 耐候性、耐碱性、耐热性及其它性能经国家建材测试中心检测 , 新一代 PMC 具有极佳的抗紫外能力 , 老化 500h , 强度、延伸率保留率≥ 90 %( 行标要求 : 老化 250h , 强度、延伸率保留率≥ 80 %) 。同时 , 它还具有良好的耐碱性、耐热性及其它性能 , 试验结果见表 4 。 

    4 固化机理探讨 

    在聚合物 - 水泥复合体系中 , 随着水泥水化的进行 , 水泥在涂层内部吸收聚合物乳液中的水分 , 生成水化硅酸钙、钙矾石、氢氧化钙等产物 , 胶乳中的另一部分水分则挥发到大气中 , 脱水后聚合物颗粒逐步靠近 , 最终相互连结 , 在水泥水化产物周围和表面形成薄膜或网络 , 这种具有粘结性和弹塑性的聚合物柔韧网络 , 将散凝系统中的水泥水化颗粒与粗细骨料咬合在一起生成柔韧、高强的有机 - 无机复合材料。同时 , 改性丙烯酸共聚乳液可与水泥水化生成的 Ca (OH) 2 发生化学反应 , 生成以离子键结合的大分子网络交织结构 , 且随着水化龄期的延长 , 水化程度越深 , 这种反应生成物量就越多 , 这样就形成了多点键合、相互交联的立体网络交织结构。由于聚合物与水泥存在化学键合 , 大大强化了界面结合 , 使界面承载能力提高 , 从而提高了复合材料的断裂能和韧性。基于这一物理化学原理 , PMC 防水涂料既有水泥类无机材料强度高、耐水性、耐候性好的优点 , 又有高分子材料良好的弹性和防水性能 , 固化后即可形成高强、坚韧、耐久的防水涂膜。 

    表 3 不同粉液比 PMC 的强度和延伸率 

    表 4 技术性能表 

    5 结语 

    聚合物水泥防水涂料是近年来兴起的一种绿色环保防水材料 , 它是国家建设部重点推荐的防水材料之一 , 属国家大力提倡的绿色环保型产品。它具有高强、柔韧、无接缝、整体性好、透气不透水、粘结力强、不空鼓、抗冻融、耐高温、耐腐蚀、冷施工、可湿作业、施工简便、无毒无害、绿色环保等优点。 

    与目前市售的同类产品相比 , 新一代 PMC 弹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。它具有以下特长 : 

    (1) 新一代 PMC 防水材料聚合物用量少、成本低、聚灰比低、弹性大 ( 断裂延伸率≥ 200 %) 、改性效率高 ( 目前市售的 J S 使用配比为液料∶粉料 = 10 ∶7,而 PMC 高弹Ⅰ 型为液料∶ 粉料 = 10 ∶ 15 , 低弹Ⅱ 型为 10 ∶30 , 也就是说 PMC 使用的粉料量、水泥量更多 , 聚合物用量少 , 即聚灰比更低 , 而弹性却高于前者 ) 。 

    (2) 与目前市售的同类产品 J S 相比 , PMC 的吸水率大幅度降低 (24h 吸水率仅为 J S 的 1 Π 5 左右 ), 高耐水、泡水不肿胀 , 浸水后拉伸强度保持率高。 

    (3) PMC 是以水泥基无机材料为主的 ( 无机材料约占 80 % , 有机物仅占 20 %) , 再加上 PMC 使用的是高耐久聚合物 ( 有 20 年应用实例 ), 未采用耐水性、耐老化不佳的非交联型聚合物 , 因而 PMC 具有更好的耐老化性、耐水性和耐久性。检测结果 : 老化 500h , 强度、延伸率保留率≥ 90 % 。 

    PMC 经国家建材测试中心和各地质检部门检测 , 各项性能符合国内外有关标准规范的要求 , 并已成功地应用于全国各地许多重点或大型工程 , 取得了满意的防水效果。 PMC 防水材料原材料来源较为广泛 , 价格适中 , 性能优异 , 施工简便 , 无毒无害 , 定会有广阔的应用前景。