聚合物水泥防水涂料的自修复性能研究

0 前 言
在现代建筑领域当中,水分的存在及迁移对建筑的使用寿命产生非常重要的影响。例如,混凝土和砂浆的碳化、钢筋锈蚀、冻融破坏以及墙体的发霉现象均与水的存在和迁移有关。因此,保护建筑物不受水分的侵害是非常必要的。目前,建筑物采取防水的思路主要有2种:一是结构自防水,即提高自身防水性能;二是外部防水,即在建筑物外表面涂一层薄膜进行防水,使用的材料主要有沥青卷材、聚氨酯及聚合物水泥防水涂料。随着人们安全环保意识的提高,聚合物水泥防水涂料以使用方便、安全环保等优势,已经广泛应用到实际的工程当中,例如厨卫间、阳台等。
聚合物水泥防水涂料按标准分为3个型号,延伸率依次降低。学者们对于聚合物水泥防水涂料的性能进行了多方面的研究,如张金安[1]从乳液、水泥及其他原材料方面进行研究,徐峰[2]对聚合物水泥防水涂料应用的方面进行研究,董松[3]等对聚合物水泥防水涂料不同养护方式进行研究。在这3个型号中,Ⅰ型和Ⅱ型聚合物水泥防水涂料的柔性比较大,很少出现开裂的问题;Ⅲ型聚合物水泥防水涂料柔性比较低,施工过程中由于各种各样的原因而容易出现细小裂缝,其防水功能基本消失。为了解决这些问题,需要研究一种在出现细小裂缝之后,通过物理化学反应,可以自我修复的聚合物水泥防水涂料。目前,大多数学者对于聚合物水泥防水涂料的研究主要方向为延伸率、拉伸强度等,邓超[4]对于具有自愈合的聚合物水泥防水涂料的机理及应用进行介绍,但具体的研究并没有进行说明。本文主要通过考察乳液型号及聚灰比、水泥型号及用量、吸水树脂用量对聚合物水泥防水涂料的自修复功能的影响,得出一个比较合理的配方。

1 试验原料及方法
1.1 试验原料
聚合物水泥防水涂料为双组分形式,其中粉料中的原材料包括水泥、石英砂、减水剂、羟乙基甲基纤维素醚及消泡剂;液料中包括苯丙乳液、醋酸乙烯-乙烯乳液、吸水树脂及水。
水泥选择的型号分别有:普通硅酸盐水泥P.O42.5,唐山冀东水泥公司;快硬硫铝酸盐水泥R · SAC42.5,唐山北极熊建材公司;快硬铁铝酸盐水泥R ·FAC 42.5,上海昱喜新材料公司;石英砂分别选用80~120目和200~250目,石坎世堂矿业加工厂。吸水树脂选用聚丙烯酸钠,吸水倍率为300~500,目数200~250目,北京华瑞祥公司;减水剂F10、消泡剂P803及羟乙基甲基纤维素醚MW 40000PFV,北京龙湖公司;苯丙乳液天坝TM 2000,上海是诚化工公司;醋酸乙烯-乙烯乳液707,北京东方化工厂。

1.2 试验方法
液料组分的配置:将水加入搅拌容器中,缓慢搅拌下,分批加入吸水树脂,待树脂加完之后,快速搅拌30 min,再将乳液加入,继续快速搅拌30 min,待用。
粉料组分的配置:按比例分别称量水泥、石英砂、减水剂、消泡剂及羟乙基甲基纤维素醚,加入混合容器中,充分混合均匀。
浆料的配置:先将液料加入搅拌容器中,开动搅拌,加入粉料,充分搅拌均匀即可。
聚合物水泥防水涂料的自修复性能按GB/T23445-2009《聚合物水泥防水涂料》中自闭性检测方法进行。

1.3 试验设计
在参考文献及前期试验的基础上,经探索性试验,确定考察的影响因素及范围。聚合物水泥防水涂料为双组分,包括液料和粉料。粉料部分考察的影响因素有水泥型号及用量。粉料的其余组分包括80~120目石英砂和200~250目石英砂、减水剂F10、消泡剂P803及羟乙基甲基纤维素醚MW 40000PFV。其中,水泥与石英砂占整个粉料的99.8%,m(80~120目石英砂)∶m(200~250目石英砂)=1∶1,减水剂添加量为整个粉料的0.06%,消泡剂添加量为整个粉料0.06%,羟乙基甲基纤维素醚MW 40000PFV添加量为整个粉料的0.08%。在研究的过程中,根据水泥用量调整石英砂的用量,使水泥与石英砂占整个粉料的99.8%。液料部分考察的影响因素有吸水树脂用量、乳液型号及用量。其中,2种乳液的用量占整个液料质量83.3%,吸水树脂与水的总体用量占液料的16.7%。在研究过程中,根据聚醋酸乙烯-乙烯乳液及吸收树脂用量,调整苯丙乳液及水用量。粉料与液料的不同比例以设计的试验为准。

2 试验结果与讨论
2.1 水泥型号对聚合物水泥防水涂料的自修复性能的影响
不同型号的水泥除具有共同的属性之外,其各具特色,对聚合物水泥防水涂料的自修复性能的影响也各不相同,具体结果列于表1中。

从表1中可以看出,聚合物水泥防水涂料中使用普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥不具有自修复性能,而快硬铁铝酸盐水泥则具有自修复性能。这可能由于普通硅酸盐水泥及快硬硫铝酸盐水泥水化产物相对比较稳定,其余的又易溶于水,在裂缝处不能形成堆积,无法堵塞裂缝,而快硬铁铝酸盐水泥水化产物一部分出现水解,形成沉淀堆积在裂缝处,从而阻碍水分的通过。

2.2 水泥用量对聚合物水泥防水涂料的自修复性能的影响
根据实际要求,筛选出相对比较合适的水泥用量范围,重点考察该范围之内不同水泥用量对聚合物水泥防水涂料的自修复性能的影响。从表2中可以看出,随着水泥用量的增加,刚开始聚合物水泥防水涂料并不具备自修复性能,后期则能够自修复。这可能由于水泥用量少时,聚合物水泥防水涂料的柔韧性好,同样水柱下裂缝相对大些,同时,水泥水化产物分解的沉淀物较少,因此不能阻碍水通过。当水泥用量继续增加,则刚性增加,裂缝较小,水泥水化产物分解的沉淀物较多,综合这些因素,聚合物水泥防水涂料的自修复性能提高。当水泥用量达到47.5%时,聚合物水泥防水涂料的延伸率在30%左右,相对于标准要求延伸率富余度不大。

2.3 乳液型号及用量对聚合物水泥防水涂料的自修复性能的影响(见表3)

从表3中可以看出,随着液料中707乳液用量的增加,聚合物水泥防水涂料先期能够自修复,后期又不能自修复。这可能原因707乳液增加,聚合物水泥防水涂料的刚性增加,同样水柱下裂缝变小,同时,聚醋酸乙烯-乙烯聚合物在水浸泡下很容易溶胀,聚醋酸乙烯-乙烯聚合物越多,溶胀越厉害,综合这几方面原因聚合物水泥防水涂料的自修复性能逐渐提高。然而,随着707乳液用量的继续增加,聚合物水泥防水涂料的自修复性能逐渐降低,直至消失。这可能除了聚醋酸乙烯-乙烯聚合物的溶胀之外,苯丙乳液在其中也起到非常关键作用,具体机理有待进一步考证。

2.4 吸水树脂用量对聚合物水泥防水涂料的自修复性能的影响(见表4)
从表4中可以看出,当聚合物水泥防水涂料中不添加吸水树脂时,依靠水泥水化产物的沉淀、聚醋酸乙烯-乙烯聚合物的溶胀以及苯丙乳液的作用并不能阻碍水的通过。随着吸水树脂用量增加,则聚合物水泥防水涂料具有自修复性能,并且自修复时间越来越短。这可能由于吸水树脂的锁水功能比较强大,并且能够承受一定的水压,而水泥水化产物的沉淀、聚醋酸乙烯-乙烯聚合物的溶胀以及苯丙乳液的作用没有吸水树脂明显,特别是承压能力。随着吸水树脂用量增加,聚合物水泥防水涂料的稠度增加,刮涂相对困难,结合施工要求及性能要求,这里选择吸水树脂用量为总液料质量的0.67%即可。

2.5 液料与粉料质量比对聚合物水泥防水涂料的自修复性能的影响(见图1)

图1 液料与粉料质量比对聚合物水泥防水涂料的自修复性能的影响
从图1中可以看出,当聚合物水泥防水涂料中粉料的增加,其自修复性能逐渐增加,到8.5 h即可修复。这可能由于粉料用量的增加,聚合物水泥防水涂料的刚性增加,同样水柱下裂缝减小,水泥水化产物的沉淀增加,但是吸水树脂、聚醋酸乙烯-乙烯聚合物及苯丙乳液的作用减少,综合这几方面的原因,聚合物水泥防水涂料的自修复性能先增加后降低。当液料与粉料质量比为10∶12时,聚合物水泥防水涂料的延伸率富余度不大,只有30%多。因此,这里选择液料与粉料质量比为10∶11。

3 结 论
通过以上几方面的考察,得出以下结论:
(1)只有在使用快硬铁铝酸盐水泥的情况下,该体系下聚合物水泥防水涂料才能自我修复。
(2)当聚合物水泥防水涂料中水泥用量占总体粉料质量40%时,达到最佳的自修复性能。水泥用量降低,则自修复性能降低。水泥用量增加,自修复性能随增加,但延伸率降低。
(3)乳液中同时存在聚醋酸乙烯-乙烯聚合物和苯丙乳液,聚合物水泥防水涂料才具有自修复性能,单独使用任意一种乳液,该体系下都不能自我修复。
(4)乳液中聚醋酸乙烯-乙烯聚合物用量在50%左右,聚合物水泥防水涂料的自修复性能达到最佳。
(5)吸水树脂的加入明显改善聚合物水泥防水涂料的自修复性能,并且随着吸水树脂的增加,其自修复性能增加。
(6)聚合物水泥防水涂料中m(液料)∶m(粉料)=10∶11,其自我修复时间最短。液料增加或者减少,自修复性能降低,直至无法修复。

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