铁正检测科技有限公司 杨清华

一、研究背景

随着国内基础建设的开展，高速公路、铁路、房建、桥梁等规模不断增加，整个建筑行业稳步发展，但是由于建筑材料和施工技术等限制，工程质量问题也逐渐凸显，尤其是建筑的渗漏水、孔隙和裂缝问题影响着工程的使用寿命、提高了工程实体的维护保养和后期修复的成本[1-4]。在我国南方地区，由于气候温暖潮湿，空气中存在大量的水分，造成建筑物墙体发霉、渗水现象，严重影响了房屋的使用年限和人们的日常生活。

在北方，夏季、冬季的降雨降雪同样给不仅给建筑物的施工带来了考验，在使用过程中，渗水和冻融高速铁路、公路、建筑的水泥混凝土结构带来巨大的威胁[5-6]。由于施工技术和原材料的问题，水泥混凝土结构往往存在较多的微小孔隙，氯离子在混凝土中的扩散性与其微观孔结构有很强的相关性，尤其是用于水工的混凝土由于海水中有害离子的侵蚀导致耐久性严重不足，冻融循环和氯离子的侵蚀对沿海城市的房屋及跨海大桥的损害更是屡见不鲜，成为影响结构耐久性及服役寿命的重要因素。建筑物的渗漏问题会影响建筑的外观、实用性、耐久性和安全性。资料显示，发达国家对建筑防水的投入高达建筑物总造价的10%，目前我国的防水造价一般占建筑物造价的1%左右[7-8]。建筑防水材料的研发和使用已连续三年被国家质检局列入国家重点提升产品名单，建材的防水需求也日益提高。

目前，建筑防水材料主要分为以下五大类：防水卷材、防水片材、刚性防水材料、密封材料和防水涂层。凭借简单的施工工艺、取材容易、造价低等优点，防水涂层目前在防水材料市场排名第二。防水涂层主要分为有机类、无机类和有机-无机复合类。有机涂层主要包括环氧树脂涂层、有机硅涂层、聚氨酯涂层等，这类涂层的特点是柔韧性好、耐腐蚀性好，但是耐候性差、耐久性差。无机涂层主要包括无机盐防水材料和水泥基渗透结晶型防水材料，其特点为与基体结合性好，耐候性好，但是柔韧性差，耐腐蚀性差。无机-有机涂层综合具备无机涂层和有机涂层的优点，具备耐久性好，防水性能、力学性能优异，与基体结合性好的优点，并且对环境污染小。随着人们对环境保护的重视，涂料产业也渐渐向无毒、绿色、无污染的方向的发展，有机-无机防水涂层是现在防水领域的热点。

二、原材料及实验方法

（一）原材料

1.水泥

防水涂层采用由山东生产的42.5快硬型硫铝酸盐水泥（RSAC）,其成分如下：氧化钙含量46.1%，三氧化二铝含量18.3%；二氧化硅8.6%,硫酸盐含量14.7，其他12.3%。

2.乳液

乳液采用改性丙烯酸乳液（PA）以及改性VAE乳液，其中，PA乳液为乳白色，固含量51%，黏 度890mPa.S，pH=8.3;VAE乳液为乳白色，固含量59%，黏度730mPa.S，pH=4.6。

3.纳米材料

填料等选用纳米碳酸钙、纳米二氧化钛、纳米二氧化硅，纯度99%。

4.助剂（见表1）

表1 基本信息

（二）试验方法

水泥基聚合物防水涂料的检测方法采用GB/T 23445-2009《聚合物水泥防水涂料》标准中要求的试验方法检测黏结强度、吸水率、不透水性、低温柔性以及耐久性；拉伸性能采用 GB/T 528《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》检测。

（三）乳液改性

在制备乳液时加入1%的引发剂以及30%的功能性改性单体，0.1%的络合剂制备改性乳液。

三、纳米改性聚合物-水泥基防水涂层

（一）乳液与RSAC相容性

PMCC性能与所选乳液与水泥之间兼容性密不可分，重点是水泥的水化不会导致乳液的分层。因为乳液属于水分散体，是在阴离子乳化剂作用下形成的微粒悬浮液。乳化剂使粒子表面带负电，这种带负电的聚合物粒子通过吸引系统中的阳离子形成双电层，使乳液能够更稳定地存在。当乳液和水泥一起搅拌时，乳液中阳离子增加，溶液中粒子相斥减少，从而压缩双电层，降低电动电位（总电位），降低乳液的稳定性。

本实验通过改性乳液（PA/VAE）与其他乳液进行对比验证RSCA稳定性的变化，即在50ml乳液中分次加入RSAC（每次5g水泥，1g水），直到去乳液情况产生。通过表2对比不同乳液稳定性能够发现改性乳液由于对负电离子情况进行影响，使得对乳液稳定性影响下降。（见表2）

表2 乳液与水泥的相容性

（二）纳米二氧化钛对聚合物水泥基防水涂层性能影响

1.黏度变化

纳米二氧化钛较高的表面活性与改性乳液制备的PMCC具有较大的积极影响。通过对比1%-2%，3%-5%，7%-9%三个不同情况下的掺配比例最终确定0%-1%为最佳掺和比例，因为随着纳米掺和料的比例增加，涂料逐渐增加，2%以上时很难搅拌成型，无法满足生产。如图1。

图1 不同比例下的性能对比

2.力学性能

纳米掺料的引入对涂料流变性能影响较为明显，同时力学性能也有较大变化。随着掺和料的掺入比例增加呈现先升后降的情况，当掺和比例达到1.6%时，黏结强度最高达到3.5MPa，比空白试样强度高1.3MPa，这是因为纳米材料的延阻效应，通过阻止聚合物内部分子的滑移，当掺量大于1.6%之后，由于纳米材料的特性导致其内部存在一定缺陷，使得力学性能下降。如图2。

图2 不同比例下的力学性能对比

3.防水性能

如图3所示，由于涂层中掺入了一定量纳米掺和料，对微孔进行了填充，因此在微观中明显随着掺和料的加入降低了涂层的吸水率，但对比发现掺量对吸水率总的影响不大，因此更加确认对比空白试样吸水率变化并非亲/疏水引起的，而是对微观孔隙的填充，同时降低微孔。

图3 不同比例下的防水性能对比

四、耐久性

（一）耐酸碱性

当养护样品至5d后，分别将PMCC浸入氢氧化钠/硫酸溶液（0.1mol/L）中7d探究其力学性能损失率，验证纳米掺和料对PMCC性能影响。

随着掺量的增加，力学性能损失呈现先降后升的趋势，这说明纳米掺和料可以显著改善涂层的耐酸碱性。当掺量为1.6%时，其拉伸强度损失和断裂伸长率损失最小。这是因为纳米掺料优化了改性乳液的微观结构，使涂层微观分子上堆积更紧密。当掺量超过1.6%时，损失率上升，可能是由于团聚造成的微观缺陷增加。如图4。

图4 纳米TiO2对PMCC耐酸碱性能的影响

（二）耐老化性

通过热老化箱对防水涂料热老化性能进行分析，当养护至5d龄期时放入热老化试验箱中7d，探究力学性能损失情况，即高温是否对PMCC产生较明显的破坏，如图5中发现掺料变化对热老化性能影响较小。

图5 纳米TiO2对PMCC耐碱性的影响

五、结论

本文通过改性乳液及纳米掺和料制备的聚合物水泥基防水涂料，主要研究其力学性能及耐久性，得出以下结论：通过研究纳米掺料对涂层性能的影响，可以确定纳米掺和料的最佳掺量为1.6%；当掺量在1.6%时其力学强度、耐酸碱性均得到极大的提升，但耐老化性影响较小。