|
混凝土防水涂料综述 于明国1严福章1王 强2（1. 国网北京经济技术研究院 北京 102209；2. 清华大学土木系 北京 100084） 前言 耐久性作为普通硅酸盐水泥混凝土的重要性能越来越备受关注，美国混凝土学会（ACI）201委员会将其定义为混凝土对大气侵蚀、化学侵蚀、磨耗或任何其他劣化过程的抵抗能力，即耐久的混凝土暴露于服役环境中能保持其原有的形状、质量和功能。提高混凝土耐久性一直是近年来学术界和工程界研究的一个重要方向，目前提高混凝土耐久性的主要措施包括使用矿物掺和料以改善混凝土的微结构，和使用高效减水剂以降低水灰比等，如高性能混凝土就是一种高耐久性的新型混凝土。 影响混凝土耐久性的因素总体可分为内在因素和外在因素两大类，内在因素即混凝土内部的微结构组成和性质，主要体现为孔隙率这一宏观性能指标；外在因素即混凝土服役环境的各种物理化学作用，包括磨损、冻融、侵蚀等。外在因素对混凝土的影响主要通过内在因素起作用，两者之间的桥梁就是混凝土的表层。改善混凝土的表面特性不仅可以提高其抵抗物理损耗的能力，还能防止化学侵蚀物质轻易穿过进入混凝土的内部。防水涂料作为一种改善混凝土表面特性的化学产品广泛应用在恶劣环境中的服役混凝土表层，主要作用是提高其耐化学侵蚀性。这对减少已有建筑物的修补损失、延长新建建筑物的服役寿命均有一定的经济效益。 1 防水涂料的种类 化学腐蚀物质主要通过介质—水进入混凝土内部而导致混凝土性能的劣化，因此防水涂料主要通过阻止有害物质随水分侵入发挥作用。防水涂料的主要成膜物质包括沥青、合成高分子聚合物、水泥和无机复合材料等。通常掺入适量的颜料、助剂、溶剂等进行加工，制成在常温下呈无固定形状的黏稠状液态或可液化之固体粉末状态的高分子合成材料。 以不同的状态和形式为标准，防水涂料可以分为溶剂型、反应型和乳液型等不同类型。溶剂型防水涂料中的高分子材料是以分子状态溶解于有机溶剂中，通过向溶剂中掺加颜填料、助剂制备而成，成膜反应依靠溶剂的挥发或涂料组分间的化学反应；反应型防水涂料的成膜原理则通过液态的高分子预聚物发生化学反应；乳液型防水涂料中的高分子材料以极微小的颗粒稳定悬浮在水中，呈乳液状。按照防水作用机理的不同又可分为涂膜型和憎水型。涂膜型防水涂料主要通过成膜物质在混凝土表层形成一层膜来阻挡水的渗透，憎水型防水涂料则通过具有憎水特性的聚合物分子使分子与水膜不相容来防水，憎水型防水涂料一般也称渗透型防水涂料。 2 不同防水涂料及其作用机理 由于防水涂料的种类繁多，且根据不同标准同一涂料可以划分到不同类别中，故本文根据防水涂料具体成膜物质的不同对一些常见涂料及其作用机理进行简要介绍。 2.1 环氧树脂类 环氧树脂类涂料主要成分包括改性环氧树脂与助剂等，通过浸入并堵塞混凝土内部的毛细管，从而封闭腐蚀性介质的渗漏通道，形成防护屏障。环氧树脂涂料的施工要求混凝土基面干燥密实，若存在裂缝或渗水点，则先要进行止水灌浆处理。环氧树脂也可以作为制造特殊用途的防水涂料组分，比如制作钢筋防腐专用涂料，与碳纤维加固材料一起用于海工混凝土防护。此类涂料分为水性环氧树脂和溶剂型环氧树脂，水性环氧树脂更环保，但也存在一些缺点，比如在低温和高湿情况下水分难以蒸发导致表干时间延长、水的表面张力较高，对基材和颜填料的润湿造成困难、易于聚集沉淀、易使金属腐蚀等。另外，耐紫外光线能力差及低温下几乎不能固化也是这类涂料的缺陷。 2.2 有机硅类 有机硅建筑防水涂料的组分主要为硅氧烷类有机硅化合物，其主链结构与无机硅酸盐材料相似，且含有一定反应活性。主要作用原理是通过自身硅氧烷的反应活性相互反应，形成一层网状的疏水膜以及与混凝土中无机硅酸盐材料中的羟基反应生成憎水性的非极性基团。低表面张力的疏水膜均匀分布在混凝土的内部孔壁上进而阻止水分进入内部。有机硅类防水涂料属于渗透型涂料，在建筑材料中应用很广，能提高抗氯离子渗透性、抗冻融能力，降低碳化深度，分为溶剂型和水溶性两类。溶剂型由于有机溶剂的易挥发性，具有易燃和污染环境的缺点，而具有低挥发的环保型水溶性有机硅防水涂料则在建筑行业中得到广泛应用。水溶性有机硅的主要成分是一种黄色至无色透明的甲基硅酸盐溶液，优点是价格便宜、使用方便，缺点是固化速度慢，可能在混凝土表面生成白色碱性盐。有机硅防水剂应用受到的制约主要是涂刷时流失严重、渗透深度难以确定导致难以控制施工质量等。 2.3 水泥基类 深度渗透密封剂（DPS）化学组成主要有水溶性硅酸盐（Na2SiO3和Na4SiO4）及一些有机杂环烃类化合物，此外还含有消泡、渗透、交联催化等功能的添加剂。DPS渗入混凝土表层后，其所含碱活性组分即水溶性硅酸盐取代硅烷烃与混凝土中的氢氧化钙反应形成不溶性的硅酸盐凝胶或尺寸很微小的水化物晶体，减少了氢氧化钙含量，填塞并阻隔了连通空隙，提高了混凝土喷面的抗渗性能。 水泥基渗透型结晶防水材料由硅酸盐水泥、活性物质、石英砂等制成，这种粉状防水材料接触水后，反应形成不溶于水的硅酸钙晶体，在向混凝土内部渗透的过程中堵塞毛细孔道，从而提高混凝土的防水性。水泥基渗透非结晶型防水材料的主要成分包括高强度水泥、活性物质、微硅粉，通过经聚合物增强剂提高材料的物理性能。主要反应原理是其中的微硅粉与混凝土中的游离钙反应，生成非晶态的水化硅酸钙填充水泥石中的空隙。水性渗透型无水防水剂的制备以碱金属硅酸盐溶液为基料，加入催化剂、助剂，经混合反应而成，具有较高渗透性。如上文DPS就属于此类防水涂料，其工作原理是在喷涂后经过混凝土内部的孔隙渗透，与其中的碱反应生成不溶的硅酸钙，以填充孔隙，提高防水性能。作为无机类防水涂料，此类涂料环保性好，且贮存条件比其他水性材料更宽泛；缺点是脆性大，柔韧性差。由于具体作用机理尚未研究清楚，其渗透深度的定量表征一直是个难题。 通过水泥与聚合物乳液复合形成的聚合物水泥基防水涂料是近年来发展的新型建筑防水涂料，水泥吸收乳液中的水而硬化，柔性聚合物填充在水泥硬化体的空隙中使水泥硬化体更加致密而富有弹性。山东建工集团提出了水泥基渗透结晶型防水涂料与聚合物水泥基防水涂料组合施工的技术。 2.4 丙烯酸酯类 丙烯酸脂类防水涂料是以丙烯酸酯类乳液为主要成膜材料，加入助剂、颜料、稳定剂、填料等制成的单组分防水涂料，如纯丙乳液、苯丙乳液、硅丙乳液等。纯丙乳液全部采用丙烯酸酯为原料；苯丙乳液由苯乙烯和丙烯酸酯单体经乳液共聚而得；硅丙溶液将含有不饱和键的有机硅单体与丙烯酸类单体加入合适的助剂，通过核壳包覆聚合工艺聚合而成。硅丙乳液是在苯丙、改性苯丙、纯丙乳液的基础上发展的一种新型防水涂料，具有更优越的性能。硅丙乳液防水涂料除具有涂膜型防水机理外，还具有疏水型的防水机理，即聚合物本身具有疏水特性，使水分子与涂膜之间不相容 。 环氧树脂改性丙烯酸酯涂料具有抗化学腐蚀、附着力强、硬度高、价格便宜、固化速度快、涂膜性能优良等优点；有机硅改性丙烯酸酯涂料主要应用于对耐候性能有特殊要求的场合，如海洋环境；聚氨酯改性丙烯酸酯涂料则兼具丙烯酸酯涂料保光保色、户外耐久性好与聚氨酯涂料高度机械耐磨性、涂膜丰满光亮、耐化学品性能好等优点。有机氟改性丙烯酸酯涂料既保留了丙烯酸酯良好的耐碱性、成膜性、粘结性、光亮丰满等特性，又具有氟碳聚合物优良的耐候、疏水疏油性、耐化学腐蚀及抗污自洁性的优点；纳米改性丙烯酸酯涂料的硬度、防腐蚀性、耐候性、自洁性、抗菌性等都得到了提高。 2.5 氟碳类 氟碳涂料以氟树脂为主要成膜物质，是氟树脂的一种应用形式，具有优异的耐候性、防腐蚀性、耐玷污性、耐热性、耐化学药品性、疏水疏油性、绝缘性以及低摩擦系数等性能，是继丙烯酸涂料、聚氨酯涂料等高性能涂料之后综合性能最高的涂料，在重庆酸雨较为严重地区的嘉陵江大桥工程中成功应用。目前我国氟树脂涂料产品的质量距离世界先进水平还有距离，且由于生产全氟碳涂料所用的全氟碳单体价格昂贵，产品生产成本高，在我国的应用推广中受到一定影响。 2.6 聚氨酯类 聚氨酯高分子化合物的合成是由含羟基、羧基、氨基等官能团的化合物与含异氰酸酯基化合物反应得到，其分子主链中包括氨基甲酸酯键、醚键、酯键、脲键、脲基甲酸酯键。聚氨酯涂料的优异性能诸如良好的韧性、耐磨性、耐腐蚀性，及较高的硬度和附着力，可以低温成膜、室温固化等，这与其特殊的化学分子结构有关。上海市建筑科学研究院在污水治理工程中曾采用聚氨酯涂料对混凝土内壁进行防护，取得良好的效果。由于传统聚氨酯涂料有机溶剂对人类健康和环境造成危害，近年来研发的水性聚氨酯备受关注。以水为分散介质，此类水性聚氨酯涂料中几乎不含有机溶剂，因具有环保性能在建筑涂料领域得到广泛应用。其缺陷在于耐水性、耐溶剂性差，且干燥时间长。尽管性能优异，但由于含有芳烃基团，聚氨酯涂料在应用中存在固化反应慢、粉化、漆膜变黄、褪色及需要多次涂装等问题。 2.7 沥青类 沥青是由化学成分复杂的多种高分子组成的混合物，具有独特的流变性、良好的粘结性、抗老化性和防水防腐能力。近年来，改性沥青在建筑防水业的应用进入了比较有规模的、科学发展的道路。《防水沥青与防水卷材术语》（GB/T18378-2000）将改性沥青定义为：在沥青中均匀混入橡胶、合成树脂等分子量大于沥青本身分子量的有机高分子聚合物而制得的混合物。主要包括石油沥青聚氨酯防腐涂料、聚合物改性环氧沥青涂料及乳化沥青防腐涂料。聚氨酯沥青涂膜具有优异的耐水性、抗渗性，环氧沥青对混凝土表面具有很强的粘结力，能够有效抵抗酸、碱腐蚀介质侵蚀，能长期在干湿交替、阴暗潮湿及浸水等恶劣环境中使用。但这类产品在使用过程中往往存在施工周期较长、有大量可挥发性物质等问题。非固化橡胶沥青防水涂料是近年来从韩国引进并投入生产的一种新型防水材料，由于其“永不固化”性能而长期具有不成膜的可蠕变性和黏附性、持久保持粘滞状态，减少了防水层因结构变形产生应力应变破坏和涂层因粘结不牢而产生窜水的可能性。 2.8 其他 长江科学院利用超声分散法，在聚天门冬氨酸酯与异氰酸酯合成脂肪族耐老化高分子材料的基础上，添加纳米二氧化硅、有机硅烷偶联剂和活性稀释剂制备出一种新型的纳米二氧化硅/聚脲复合材料—CW系列混凝土表面保护修补材料，能有效提高混凝土结构的抗紫外老化、抗冲磨、抗渗、抗碳化、抗冻融、抗化学侵蚀等耐久性能。该材料在我国三峡工程、丹江口水库、南水北调工程等实际应用中均取得了良好的效果。 结语 本文给混凝土防水涂料根据成膜物质的主要化学组分作出分类。现实中各类涂料通过改性均有不同的衍生品，种类繁多，且我国防水涂料产品质量距离世界先进水平还有差距，各类涂料还在不断发展中，故难以概括所有品种。由于混凝土服役环境及其本身性能的差异，各类涂料防止其劣化的效果也有所不同。因此，在选用防水涂料时，需要综合考虑产品的质量、环保效益和经济效益。 |
|
|
