建筑表面用有机硅防水剂的制备及性能研究

开发新型防水材料,是建设部的重点规划之一。作为防水材料的一种,防水剂因为施工方便,造价低廉,得到了广泛应用。依据防止水汽入侵的方法不同,防水剂可分为封闭型和渗透型两大类。封闭型防水剂通过在基材表面或附近形成一层薄的不透膜,防止液态或者气态的水汽渗透,但同时基材的毛细孔也因此而被阻塞,从而使墙体内水蒸气不容易挥发出来。而且防水膜一旦被破坏,或长期暴露在户外脱落、开裂,则外部的水珠就会进入建筑物内部,失去保护意义。渗透型防水剂是将憎水材料涂敷在基材表面后,能渗透到基材内部,而不是阻塞气孔,用它处理基材后,在防止液体水进入的同时允许水蒸气自由出入,保证了基材表面的防水透气性能,即通常所说的“呼吸性”。另外需要防护的建筑物大多在户外,除了保证建筑物的“呼吸性”外,由于基材大多是水泥基材,因而还应有较好的耐候性、耐酸性以及耐碱性。而有机硅类防水剂则是达到此效果的理想选择。有机硅产品的基本结构单元是由硅-氧链节构成的,侧链则通过硅原子与其他各种有机基团相连。
因此,在有机硅产品的结构中既含有"有机基团",又含有"无机结构",这种特殊的组成和分子结构使有机硅集有机物的特性与无机物的功能于一身。所以,有机硅防水剂既可保持墙壁的正常透气,又能抵抗雨水的侵蚀,还可使墙壁防潮、防腐、耐冻融和保持光泽,是一种理想的混凝土、砂浆以及砖石防水剂。它不会堵塞混凝土的孔隙,而是通过与结构材料发生化学反应在基材表面形成几个分子厚的不溶性防水膜。由于化学结合力比用沥青和涂料作防水剂的物理结合力大得多,因此十分牢固。只要施工得当,防水层的寿命可与基材的寿命相当,一般可达10~15年。

1 试验部分
1.1 原材料
本试验主要采用德国Wacker公司有机硅产品用
作建筑防水剂,其主要品种和性能如表1所示。
试验用有机硅产品性能简介
1.2 试验设备
水泥砂浆搅拌机;砂浆模具:内腔尺寸规格75mm×25 mm×12.5 mm;天平:感量0.001 g;蓝黑墨水。
1.3 防水剂的制备
根据以上产品特性,我们制备了10种样品进行对比测试,具体配比如表2所示。
不同有机硅防水剂的配比
以上产品均能很好混合,所以配比时搅拌几分钟即可。
1.4 防水剂性能测定方法
吸水率比、渗透性等性能的测试参照JC/T 902―2002《建筑表面用有机硅防水剂》相关规定进行。
1.4.1 吸水率比
实验中,采用强度等级为32.5的普硅水泥,按照水泥∶标准砂∶水=1∶4∶0.55重量比混合均匀后,放入砂浆模具中捣实,24 h脱膜后放在23℃±2℃清水中养护14 d,取出晾干。将制备好的防水剂倒入容器,底部放入搁板,防水液比搁板高约7 mm。将烘干的砂浆块放在搁板上,75 mm×12.5 mm面朝下在防水剂中浸20 s(Creme C涂刷),取出甩去表面的防水剂,将试验面朝上,标准条件下养护72 h。将处理好的和未处理的砂浆块分别称取重量,然后将试验面朝下浸入蒸馏水中,保持液面比搁板高约3 mm,放入24 h后取出,吸干表面水分,然后立即称取重量。可分别计算出处理好的和未处理砂浆块的吸水率A1、A0。
A1 = [(W1–W0)/W0]×100 (1)
A0 = [(M1–M0)/M0]×100 (2)
式中:W0、M0分别为处理好的和未处理砂浆块吸水前重量,W1、M1分别为处理好的和未处理砂浆块吸水后重量。
吸水率比B按以下公式计算:
B = (A1/A0)×100 (3)
1.4.2 渗透性
采用按以上方法制作养护好的砂浆块,以75 mm×25 mm面为试验面,浸入防水剂中20 s (Creme C涂刷),取出甩去表面的防水剂,将试验面朝上,标准条件下养护72 h。然后分别在标准环境、热处理、低温处理、紫外线、耐酸性、耐碱性处理后,将试验面朝上,在上面直立放置一只直径约20 mm、长约120 mm的玻璃管,用密封材料密封玻璃管与试块的缝隙,并将试块放置在滤纸上,将加入蓝黑墨水染色后的水溶液加入玻璃管,液面高度100 mm,并密封玻璃管上端管口,静止2 h,记录液面下降的高度,检查试块背面是否有水迹。
1.4.3 表面变色、疏水效果
采用按以上方法新制作养护好的砂浆块,全部浸入防水剂中1 min (Creme C涂刷),取出后在标准环境中放置14 d,并与未处理砂浆块对比浸渍前后砂浆外观颜色的变化(见表3)。
表面防水处理后变色等级
将液体滴在固体基材表面,当固、液表面相接触时,在界面边缘处会形成一个夹角θ,也即常说的“接触角”。如图1所示,可以通过θ的大小来衡量液体对固体基材润湿程度,或者基材的憎水程度。
与基材表面润湿时的接触角
本实验中,将砂浆放于平整台面上,用滴管滴2~3滴水珠在砂浆块表面,在1 min内根据水珠在砂浆表面的静态接触角来判断表面疏水效果,判断标准见表4。当然在衡量疏水效果时,还应考虑动态接触角,因为涉及比较复杂,暂不加以讨论。一般地,在自然界,水珠在荷叶等植物表面接触角能大于130°,所以当水珠在基材上接触角较大时,我们可称该基材具有“荷叶效果”。
1.4.4 渗透深度
将以上做完表面疏水效果测试的砂浆块从中间折断,将截断面浸入水中(为对比明显,可在水中加入蓝黑墨水)10 s后取出,根据砂浆块吸水不同的颜色变化判断有机硅防水剂的渗透深度。判断时可取四个面渗透深度平均值。
表面疏水效果与初期接触角关系

2 结果与分析
2.1 不同有机硅防水剂对吸水率比测试结果的影响与分析
不同有机硅防水剂吸水率比的测试结果如图2所示。
不同有机硅防水剂吸水率比的测试结果
图2 不同有机硅防水剂吸水率比的测试结果

从图2的测试结果可以看出,用有机硅防水液处理后砂浆块吸水率有了很大程度的下降。对于同一种防水剂,浓度越高,防水效果越明显。相对而言,SMK 1311 和BS 290 效果最好,CRÈME C次之。有机硅产品的基本结构单元是由―Si―O―Si―键链节构成的,该官能团能与砂浆等无机基材能很好结合,侧链则通过硅原子与其他各种有机基团相连,赋予材料憎水性。因此,有机硅产品的结构中含有的有机基团具有很好的憎水性,所以经有机硅防水剂处理后的砂浆块吸水率能大大降低。
2.2 不同有机硅防水剂对渗透性测试结果的影响与分析
本次试验中,除A、B、D样品渗透性略有下降(<1 mm),其余防水剂处理过的样品在经历各种恶劣环境后,其液面都没有变化。相对应地,未处理过的砂浆块测量渗透性时,液面下降均超过超过4mm。说明用有机硅处理过的砂浆块在各种环境下防渗透性能都比较优异,同时也说明了有机硅材料优异的耐酸、碱、紫外光等性能。
有机硅防水材料为带有一定反应活性基团的硅氧烷类有机硅化合物。这类有机硅化合物与无机材料如混凝土、砂浆、陶瓷、砖瓦等有很大的化学亲和力,因而能改变这些硅酸盐材料的表面特性。图3是有机硅防水剂与基材的反应结合后的示意图。当由于带有反应活性基的硅氧烷涂敷建筑物表面后,不但能通过活性基团的相互作用生成的枝状、链状及网状分子,形成网状疏水性硅氧烷膜,还能与硅酸盐基材中的羟基反应形成末端带有基硅烷链,填补了混凝土中的微孔隙,使混凝土微观结构致密,从而提高了混凝土的抗渗性。
有机硅防水剂与基材的结合
在实际应用中,建筑材料很多是水泥基产品。水泥水化过程会生产碱性物质,所以有机硅材料耐碱性能显得尤为重要。有机硅防水剂通过Si―O键与无机基材很好结合,随着时间的延长,有机基团R会与砂浆、混凝土中的碱反应生成硅酸盐,从而失去憎水性。
RSi(OR) + H2O/OH¯ → RSi(OH)2O¯
如果有机基团R是甲基,则反应会生成甲基硅酸盐,而这种硅酸盐是水溶性的,会随着雨水的冲刷而流失,憎水性就会在几个月或在一二年内失效。目前国内市面上常见的甲基硅醇钠有机硅防水剂就属于这类产品。同其他有机硅防水剂多采用甲基有机基团相比,Wacker公司有机硅产品中的有机基团大多为长链,如异辛基基团。在碱性环境中,较长链有机基团虽然仍会与碱反应,但随着碳链的增加,硅酸盐变得难以溶解在水中,这就阻止了硅酸盐被雨水溶解,从而中止了降解反应,具有更好的耐碱性。
另外,有机硅中Si―O键键能是452 kJ/mol,而常见有机涂层中化合物C―C键的键能356 kJ/mol,而290 nm的紫外线能量是418 kJ/mol,所以太阳光中的紫外线能量足以使C―C键降解或破坏。但紫外线能量却难以使有机硅降解,所以有机硅经紫外线照射后,仍保持优异的抗渗性能。
2.3 不同有机硅防水剂对表面变色、疏水效果以及渗透深度的影响与分析
由于Wacker公司有机硅产品大多是硅烷、硅氧烷小分子材料组成,所以防水剂保持良好憎水性的同时,还能很好渗透到基材内部,使得有机硅防水剂的效果更为持久。另外,对建筑物表面变色影响程度、疏水效果也是实际应用过程中人们比较关注的问题。表5给出了不同材料的变色、疏水效果以及渗透深度的对比数据。
表5 不同防水剂对表面变色、疏水效果以及渗透深度的影响

从表5中可以看出,产品B、E、F、J浸渍后,几乎不变色;而在疏水效果对比中,产品G、H、I表现最好,G甚至达到了Ⅴ级,即“荷叶效果”。从整体上看溶剂型产品BS 290疏水效果优于其他水性产品。在渗透深度方面,产品A、B没有渗透性,产品J即CREME C渗透深度最好,达到了6 mm。从表5可以看出,不同类型的有机硅防水性由于内部结构不同,在性能上差异也比较大。一般地,同一种有机硅防水剂浓度越高,渗透深度越深,疏水效果也越好,但往往变色程度也严重。所以在使用时应根据需要选择合适的有机硅品种和浓度。
实际应用中,人们常常通过观察疏水效果来评判防水剂效果的好坏。但一般地,疏水效果并不等同于防水效果,有些材料如蜡类产品疏水效果往往很好,但防水效果却并不理想,而且在户外温度较高时,其表面发黏很容易导致建筑物表面污染,所以渗透深度的意义比疏水效果更大。况且建筑物表面由于静电作用吸附灰尘,长时间后疏水效果也会受到很大影响。而渗透型防水剂通过有机硅渗透到材料内部,能降低建筑物吸水率,提供持久保护。如果在海港或多盐碱地区,有机硅还能有效降低混凝土中氯离子含量,有效保护混凝土和其中的钢筋不被海水或盐类侵蚀。

3 有机硅防水剂的施工
有机硅防水剂的施工看似简单,但如果操作不当,也会失败。一般要求新建建筑物至少要在28天后才能进行表面防水处理;现有建筑物在防水处理前应清除表面污渍,用高压水清洗表面,清洗后至少干燥7天后,再进行防水处理。防水处理时环境的相对湿度不宜超过65%,温度宜在5~35℃之间,混凝土表面越干,防水处理效果越好。对建筑物立面、顶棚等部位施工时可采用滚涂、刷涂或喷涂方式,其中喷涂效率最高。特别强调的是,产品Creme C是膏体材料,在施工时最好采用无气喷涂方式,在喷涂建筑物顶部时,相比较其他液体防水剂,Creme C具有更好的防流挂性,因而施工效率更高。在对砖瓦等材料进行防水处理时,可将砖瓦浸渍于稀释的BS 16的溶液中,自然干燥或烘干,以得到较好的防水效果。

4 结语
综上所述,有机硅防水剂在建筑材料表面防水处理中有着很好的实用价值,其性能优异、施工方便,是目前最有前途的高效防水剂之一。经有机硅防水剂处理后的建筑物既能有很好的防水效果,又能保持其正常的透气性,原有的光泽、颜色也不会改变,其良好的渗透深度能持久保护建筑物,所以有着极好的应用前景。

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