防水机理（精选七篇）
防水机理 篇1
在普通水泥混凝土中掺入适量具有微膨胀性能的抗裂防水剂,可大幅度降低混凝土微观结构中的孔隙率和毛细孔的数量,改善混凝土的微观孔结构,大大提高混凝土的密实度和抗渗性能;同时混凝土在水化硬化的过程中产生适量的膨胀,可补偿或大大减少普通水泥混凝土的收缩,有效地防止混凝土的开裂,使钢筋混凝土的整体结构和防水质量得到根本的提高,保证钢筋混凝土结构不裂不渗,从而实现钢筋混凝土结构自防水的目的。
2 抗裂防水剂的基本性能
抗裂防水剂产品通常为无机粉末,按内掺法计算(即等量替代水泥)一般为胶凝材料掺量的5%～8%。本试验采用MEA抗裂防水剂,其掺量为6%。按照JC 476—1999《砂浆、混凝土防水剂》测试抗裂防水剂,其受检混凝土的性能指标见表1。
另外,抗裂防水剂具有适度的微膨胀功能[1]。按照JC476—2001《混凝土膨胀剂》对MEA抗裂防水剂的性能测试(其内掺量为8%),其主要技术指标如下:
碱含量不大于0.33%。
限制膨胀率:水中7 d,0.030%;
水中28 d,0.045%;
空气中21 d,-0.011%。
3 防水混凝土的主要性能
防水混凝土在水化硬化过程中产生微膨胀,弥补水泥水化时产生的体积减缩。若在钢筋混凝土结构中,水泥水化产生的强度将在混凝土内部产生一定的膨胀力,使钢筋受拉,混凝土受压,利用这部分压应力抵消混凝土限制收缩时产生的拉应力,以减少混凝土限制收缩而产生的裂缝。对于掺有MEA抗裂防水剂的混凝土有如下独特的性能:
(1)配制(内掺5%～8%)防水混凝土时,抗渗标号可达到P30,并在混凝土中形成0.2～0.7 MPa的自应力,从而有效提高混凝土的密实度和抗渗性能,防止混凝土结构产生收缩裂缝。
(2)内掺适量(5%～8%)MEA抗裂防水剂的混凝土,其经时坍落度损失小于普通混凝土,凝结时间与普通混凝土相当,有利于泵送施工。
(3)内掺适量(5%～8%)MEA抗裂防水剂的混凝土,其28d强度不低于普通混凝土,后期强度持续增长。掺抗裂防水剂的混凝土限制强度比自由强度高10%～15%。
(4)掺MEA抗裂防水剂的混凝土长期力学性能优于普通混凝土。
(5)抗裂防水剂无毒、无异味、无放射性、无腐蚀性,对水质无污染,是一种环保型的绿色产品。
(6)抗裂防水剂可与其它混凝土外加剂复合使用,但应经实验确定[2]。
4 抗裂防水剂的特点
(1)抗裂防水剂按标准掺量掺入混凝土中,在自由状态下,混凝土的强度正常发展;在限制条件下,由于预压应力的产生而使混凝土的密实度大幅提高,其实际强度比自由强度提高10%～30%。
(2)混凝土膨胀剂在水化硬化的早期、中期、后期均能产生一定量的膨胀,因而有效地补偿了混凝土在不同龄期的收缩。
(3)掺混凝土的干空收缩值明显小于掺市售膨胀剂混凝土的干空收缩值,可大大降低混凝土养护结束后产生收缩裂缝的可能性。
(4)MEA抗裂防水剂的碱含量低,可有效防止碱-骨料反应带来的危害。
(5)MEA抗裂防水剂与其它混凝土外加剂的适应性良好。在混凝土泵送剂掺量和水灰比相同的前提下,其混凝土的初始坍落度均大于普通混凝土。
(6)掺MEA抗裂防水剂的混凝土,抗渗标号不低于P30,大大优于普通混凝土;抗冻标号不低于D250,抗硫酸盐侵蚀性能高于普通混凝土,对钢筋无锈蚀作用。
5 使用说明及注意事项
(1)根据GB 50108—2001《地下工程防水技术规范》,建议防水混凝土的水泥用量不少于320 kg/m3;掺有其它活性掺合料时,水泥用量不少于280 kg/m3。
(2)抗裂防水剂的用量按内掺法计算,即E/(C+E+F),式中:C——水泥用量,E——抗裂防水剂用量,F——粉煤灰等活性掺合料用量。
(3)拌制混凝土时,称量要准确,误差不得大于0.5%,严格按投料顺序投料后均匀搅拌。现场拌制混凝土时,搅拌时间较普通混凝土延长30～60 s。
(4)混凝土浇注要连续;振捣均匀密实,不要漏振,也不要过振;在混凝土终凝前加强二次抹面工序,避免或大幅减少表面龟裂现象。
(5)混凝土硬化后立即浇水养护,养护时间不少于14 d,对于冬季浇注混凝土或大体积混凝土,要进行保温保湿养护。
(6)由于边墙薄且难以养护,拆模时间过早会使混凝土降温速率加大,易出现收缩裂缝。在常温下,要求混凝土浇注1 d后松动模板螺丝,离缝2～3 cm,然后从上面浇水不少于14 d。拆模时间3～5 d(非冬施季节为3 d,冬施季节为5 d)。
(7)对于施工出现的个别蜂窝洞或裂缝,可用掺抗裂防水剂的1∶2砂浆修补;外墙的水平或垂直施工缝,都要用掺抗裂防水剂的砂浆抹1道10～15 mm防水带。
(8)当选用其它外加剂与掺抗裂防水剂混合使用,须经试验配制,并检验相关适应性。
参考文献
[1]JGJ56—84,混凝土减水剂质量标准和试验方法[S].
新型喷射材料防水机理分析 篇2
1 防水材料成膜机理
涂料的成膜包括将涂料施工在被涂物件表面和使其形成固态的连续涂膜2个过程。液态涂料施工到被涂物件表面后形成了可流动的液态薄层, 通称为“湿膜”, 它要按照不同的机理, 通过不同的方式, 变成固态的连续的“干膜’, 才得到需要的涂膜。这个由“湿膜”变为“干膜”的过程通常称为“干燥”或“固化”。这个干燥或固化过程是涂料成膜过程的核心阶段。液态涂料的“湿膜”变成了“干膜”, 首先发生了形态的变化, 即从能流动的液态逐步变为不易流动的固态, 所发生的变化也就是流动性或黏度的变化[1]。液态涂料在施工时需要的黏度是和涂料本身的黏度不完全相同的, 根据施工方法的不同, 通常涂料施工黏度约在0.05~0.10 Pa·s, 因此, 涂料施工在被涂物件表面后开始得到“干膜”的黏度是很低的。而要成为具有一定机械性能的“干膜”时, 即通常所说的达到涂膜“全干”阶段时, 其黏度至少要达到107 Pa·s以上。由此可以看出“湿膜”变为“干膜”黏度发生变化。任何一种液态涂料的干燥或固化过程都经历黏度变化过程。另外, “干燥”或“固化”过程的速度和达到的程度, 都是由涂料本身组成结构、成膜的条件 (温度、湿度、涂膜厚度等) 和被涂物件的表面特性和化学组成所决定的。
在涂料科学中, 有多种理论和假设用来阐释涂料的成膜机理, 但这些解释都只是反映了形成过程的一个方面。水性高聚物沥青防水材料是高聚物和沥青在水中的分散体系, 以球状微粒分散在水相中, 施工后, 水分挥发, 球状微粒必须相互融合才能形成连续的涂膜, 见图1。因而其成膜过程比较复杂, 大致可分3个阶段[2]:
(1) 充填过程:防水层施工后, 水分挥发, 微粒相互靠近而达到密集的充填状态, 组分中的乳化剂及其它水溶性助剂留在微粒间隙的水中。
(2) 融合过程:水分继续挥发, 高聚物微粒表面吸附的保护层破坏, 裸露的微粒相互接触, 其间隙愈来愈小, 至毛细管径大小时, 由于毛细管作用, 其毛细管压力高于聚合物微粒的抗变形力, 微粒变形, 最后凝集、融合成连续的涂膜。
(3) 扩散过程:残留在水中的助剂逐渐向涂膜扩散, 并使高聚物分子长链相互扩散, 涂膜均匀而具有良好的性能。
2 喷射材料防水机理
从宏观上分析, 喷射防水材料是依靠防水材料粘贴到混凝土表面形成具有良好弹性的防水薄膜, 隔断水与混凝土的接触, 起到防水作用。同时防水材料良好的渗透能力使其从混凝土表面孔隙中进入混凝土内部, 堵塞混凝土内孔隙, 强化混凝土表面的防水性, 提高混凝土的自防水能力。这种双重屏蔽作用保证了防水材料的有效性。
2.1 丙烯酸喷射防水机理
丙烯酸金属盐作为化学灌浆材料已广为应用, 作为防水喷射层材料, 它是以丙烯酸金属盐单体的水溶液在催化作用下引发聚合, 在所形成的聚合物中, 盐键结点结构类似于硫化橡胶的交联网状结构, 使聚合物具有弹性且不溶于水。由于这种聚合反应能在短时间内完成分子质量的骤增, 形成具有一定强度的高分子材料, 所以, 它作为主材可以采用喷射工艺, 实现喷射瞬间成膜。这种丙烯酸金属盐形成的弹性膜有较好的物理力学性能, 且化学性能稳定, 能使混凝土耐酸碱腐蚀。同时丙烯酸金属盐为水溶性单体聚合, 不使用有机溶剂, 能够满足隧道环境作业的安全性要求。
丙烯酸金属喷膜防水技术主要包括成膜材料配方、喷射设备和工艺。根据对不同成膜物质对比研究发现, 不饱和羧酸的金属盐单体现场聚合能满足喷膜防水材料的技术要求, 这是因为此类不饱和羧酸的金属盐均为水溶性单体, 不使用有机溶剂, 不产生对人体及大气有毒及污染的物质;与适当的催化剂作用后, 便引起聚合反应, 生成各种聚羧酸盐。此类金属盐形成的聚合物为水不溶性的。其分子式为:
因此, 经催化剂作用后, 在较短的时间内形成网状结构体, 使聚合物具有橡胶的高弹体性质, 且不溶于水。该金属盐在聚合前为较低黏度的稳定液体, 便于输送和喷射成膜, 可在较短的时间内发生聚合反应, 形成一定强度的弹性防水膜。由于这一特性确定了以不饱和羧酸金属盐为成膜的主要物质。
2.2 聚氨酯弹性体喷射防水机理
根据加工方式的不同, 聚氨酯弹性体可分为3类:浇注型、热塑型、混炼型。浇注型聚氨酯弹性体 (简称CPU) 是聚氨酯弹性体中应用最广、产量最大的一种;热塑型聚氨酯弹性体 (简称TPU) 约占聚氨酯弹性体总量的25%左右;混炼型聚氨酯弹性体 (简称MPU) 约占聚氨酯弹性体总量的10%左右。
现在国外建筑防水领域应用比较广泛, 我国自20世纪80年代初开始推广应用。聚氨酯防水涂料一般有双组分聚氨酯和单组分聚氨酯防水2种形式, 按分散介质的不同可分为溶剂型 (目前市场上的主要类型) 、无溶剂型、水基型。双组分聚氨酯防水材料的甲组分通常是由聚醚多元醇与异氰酸脂缩聚而成的端异氰酸脂基 (—NCO) 预聚体, 乙组分是含有活性氢交联剂的黏稠液体, 施工时将甲、乙两组分按比例混合均匀, 喷涂在防水基层上, 常温固化成弹性的涂膜。单组分聚氨酯防水材料是含端异氰酸脂基 (—NCO) 的预聚体, 通过与空气中的潮气反应, 生成脲基甲酸酯交联键而固化成膜。单组分聚氨酯防水涂料在施工固化前为液体, 可直接使用, 不需要现场配料, 省时省工, 且在质量上有保证, 对于复杂的基层均易于施工, 可形成一层具有柔韧性、无接缝的整体涂膜防水层。
反应机理:聚氨酯弹性体的多元醇与多异氰酸酯 (过量) 反应, 生成—NCO封端的预聚体, 然后用二元胺进行扩链固化。
Cooper S L与Tobalsky A V提出的线性聚氨酯为多嵌段聚合物结构理论至今仍指导着聚氨酯分子设计与结构性能的研究。该理论的核心是聚氨酯弹性体是一种嵌段共聚物, 分子链是由硬段和软段相嵌而成的, 聚醚、聚酯等是软段, 它赋予聚合物以弹性;苯核氨基、羧基、低分子多元醇、氨基等为硬段部分, 它赋予聚合物以机械性能和粘结性。
具有柔顺的长链分子是聚合物产生高弹性的根本原因, 为了使防水材料具有较好的弹性, 选择两官能团的聚醚树脂作为软段部分, 选用聚醚三元醇使聚合物有一定的交联度, 有利于提高机械性能和粘结力, 使其具有较好的耐水性。
2.3 聚脲弹性体喷射防水原理
聚脲是一种新型的环保材料。美国聚脲发展协会对聚脲的定义是:由异氰酸酯封端的预聚物 (简称A组分) 与氨基化合物组分 (简称R组分) 反应生成的高聚物。采用喷涂工艺施工的聚脲称为SPUA。它经历了纯聚氨酯 (PU) 、聚氨酯/聚脲 (PU/PUA) 、纯聚脲 (PUA) 3个技术阶段。它采用端氨基聚醚和胺扩链剂与异酸酯的高活性反应, 无需任何催化剂在室温 (以至0℃以下) 下可瞬间完成反应, 从而有效地清除如喷射聚氨酯弹性体生成过程中, 因环境湿度和温度的影响而起泡, 造成材料性能急剧下降的缺点。喷射聚脲弹性体为100%固含量, 喷射施工中无有机挥发物, 作业环境安全环保。同时聚脲弹性体对混凝土的粘结强度高, 能有效地附着在混凝土的干湿基面。聚脲弹性体材料的力学性能十分优秀, 其拉伸强度能达10 MPa以上, 而丙烯酸金属盐聚合体的拉伸强度仅为2.7MPa左右。如将聚脲弹性体材料用于隧道的喷射防水层, 具有突出的性能优势。
试验表明, 分别在钢、混凝土、沥青表面喷涂脂肪族PUA材料, 将-196℃的液氮距涂层30.5 cm处喷射到样品表面达30 s, 未见涂层任何破坏;当喷射距离减小至10.2 cm时, 钢和混凝土表面的涂层出现轻微裂纹, 而沥青表面的涂层却完好无损。另将涂有SPUA材料的混凝土样品从1.8 m高处自由落下, 混凝土自身被震裂, 但SPUA材料毫无损坏, 并将混凝土的碎块牢牢地聚集在一起。因PUA材料自身优异的柔韧性、耐老化性和力学性能, 即使在混凝土开裂的情况下, 聚脲材料不但自身不会断裂, 而且还能将混凝土紧紧“抓住”, 起到防水和保护作用。PUA材料特别适用于高档建筑的屋面防水处理, 达到“一劳永逸”的目的。
从材料性能上看, SPUA的拉伸强度、使用寿命明显优于聚氨酯防水涂料, 拉伸强度等指标接近Ⅰ类合成高分子卷材, 使用寿命延长了5~10年。从施工角度看, PUA的优势更加明显。由于采用专用设备整体喷涂工艺, PUA防水结构整体性好, 无接缝, 避免了卷材接缝可能造成的渗漏, 施工效率也明显提高。此外, 该技术在生产、施工和使用过程中不使用溶剂, 无有毒有害物质释放, 有利于环境保护。因此, 与现有高档防水材料相比, PUA技术性能更可靠、更高效、更环保。它采用静态混合杆替代对撞式混合室, 减少了设备日常维护程序, 消除了在多孔物体表面 (例如混凝土、泡沫) 容易出现针孔的弊病, 并大大简化了喷涂聚脲弹性体施工设备的配置, 降低了日常维护费用。
3 喷射混凝土的防水机理
混凝土是一种多孔性材料, 地下围护结构的混凝土墙体在外水压作用下, 其内表面微量渗水应属正常现象。由于这种墙面渗水与墙面蒸发散失2种现象同时存在, 当渗水量小于正常人工通风系统的蒸发散失量[0.002~0.024 L/ (m2·d) ], 则墙表面无湿渍现象, 从表面上看, 可以认为墙体是不透水的, 可满足建筑物I级防水标准。事实上, 许多已建地下围护结构的墙面渗水量大于蒸发散失量, 墙表面湿渍、渗水, 此渗水量对有些防水要求的地下工程, 如高速公路隧道, 是不满足工程正常使用条件的, 但通过增设可靠的结构内防水层减渗, 可使其满足正常使用条件。混凝土墙体渗水量 (q) 的大小与墙体材料的渗透系 (φ) 、墙体承压水头 (h) 、墙体厚度 (d) 有关, 在不计毛细水作用时, 其渗水量可根据达西渗流定律, 建立式 (1) 关系[3]:
由式 (1) 看出, 在原墙体混凝土渗透系数值不变的情况下, 减渗的途径是设法减缓渗透坡降J。设在原混凝土墙内壁增设厚度为d, 渗透系数为φ1 (φ1<φ) , 且与墙体界面完全复合一体的防水层。此时, 原来透过墙体的渗水当进入防水层后, 由于φ1<φ, 渗透阻力急剧增大, 渗流不畅, 必然造成原内墙面渗水出逸点抬高, 使渗水穿过原墙体的实际渗透坡降减缓为J1, 即J1
式中:dk———防水层厚度相当于墙体的等代厚度, m。
由式 (2) 不难看出, 增设高抗渗性能的防水层后, 渗透坡降将明显趋于平缓, 并取得良好的减渗效果。采用喷射混凝土防水剂是理想的防渗透渗水路径, 其主要作用机理是[4,5]:
(1) 防水剂减少混凝土内部孔隙, 并改变孔隙特征, 使混凝土密实性增强, 抗渗性提高。毛细孔是水泥水化过程中多余水分蒸发后遗留下来的孔隙。可通过降低拌合用水量, 从而减少混凝土中游离水的数量和相应减少水分蒸发后留下的毛细孔体积, 提高混凝土的密实性。同时防水剂具有密实作用, 堵塞孔隙, 使混凝土致密, 降低孔隙率和减小孔径, 提高抗渗性。另外, 防水剂的憎水作用改变毛细孔孔壁性质, 增大了润湿角, 提高防潮能力, 并在一定程度上提高了抗渗性。而且防水剂都具有一定的分散作用, 可使水泥成为单颗粒状均匀分布, 从而改变硬化混凝土中孔隙特征, 使混凝土的孔隙率降低、孔径减小, 混凝土的渗透系数与总孔隙率成一次方关系, 与毛细孔半径成二次方关系, 因混凝土的毛细孔孔径和孔隙率的降低, 使混凝土抗渗性大大提高。
(2) 防水剂减少沉降缝隙, 隔断析水通路, 从而提高混凝土的抗渗性。水泥微粒与防水剂之间产生吸附, 使混凝土拌合物的粘聚性增强, 另外, 由于防水剂有一定的引气作用, 可引入一定量的微细气泡, 从而产生阻隔作用。拌合物的粘聚性增强及微细气泡的阻隔作用增强了沉降阻力, 使沉降困难, 从而破坏了连通的毛细孔网, 减少沉降缝隙。由于沉降分离作用的减弱及防水剂提高了混凝土的保水性, 使混凝土拌合物的泌水减少, 特别是混凝土拌合物存在的微细气泡, 在防水剂的定向吸附下, 气泡膜壁上的水被稳定, 同时气泡膜壁上的水泥微粒与水结合形成水膜, 水膜受静电引力的影响, 在混凝土凝结硬化过程中, 这些水不会成为游离水而泌出, 所以泌水量显著降低。这样就减少了由于泌水而造成的连通毛细孔数量, 所以防水剂减少了沉降缝隙和连通毛细孔, 从而提高了混凝土的抗渗性。
4 结语
(1) 研究了新型防水材料成膜机理、喷射材料防水机理和喷射混凝土防水机理, 为防排水工程设计研究提供理论依据。
(2) 研究了混凝土墙体渗水量大小与墙体材料的渗透系、墙体承压水头、墙体厚度之间的关系, 增设高抗渗性能的防水层后, 渗透坡降将明显趋于平缓, 可取得良好的减渗效果。
(3) 新型防水材料对提高质量、延长寿命、发挥效益有着重要的作用。由于各类防水材料性能差异较大, 能起到的防水效果不同, 因此, 应根据工程的类型、性质、重要程度、结构特点、使用功能要求等进行防水分级, 采取不同的防水材料, 从而提高防水效果。
参考文献
[1]张有天, 张武功.裂隙岩体渗透特性渗流数学模型及系数量测[J].岩石力学与工程, 1992, 8 (3) :22-27.
[2]石伟国.深圳彭年广场地下室防水工程施工[J].施工技术, 1996 (4) :17-18.
[3]杜延龄, 许安, 黄一和.复杂岩基三维渗流分析研究[J].水利学报, 1996 (12) :1-3.
[4]杨其新, 刘东民, 盛草樱, 等.隧道及地下工程喷膜防水技术[J].铁道学报, 2002, 21 (2) :44-46.
双组份涂料机理及其防水效果探究 篇3
关键词：双组份涂料,防水涂料,防水效果,市场分析
0 引言
双组份涂料较单组份涂料有很多优点,但是很多人对双组份涂料的反应机理及防水效果并不是很明确。随着双组份涂料的应用越来越广泛,消费者和企业也都迫切要求了解相应的涂料市场信息以达到用最经济的方式取得最佳的效果。
1 双组份涂料作用机理及其防水机理
双组份涂料作用机理目前市场上的双组份涂料很多,但是其作用机理大体上是相同的。一般双组份涂料都分为甲组(或A组)和乙组(或B组),甲组包含涂料的主要成分,是涂料的主体。甲组大多是聚醚树脂和二异氰酸酯、聚丙烯酸类等物质的预聚体或者预聚合物,这些物质聚合后称为聚氨酯和聚丙烯酸等,只有当甲组分预聚体在和乙组分的固化剂、交联剂、聚合剂、促进剂、增韧剂、增粘剂、防霉剂、填充剂和稀释剂等混合加工而成的物质综合作用下才会聚合成为聚氨酯和聚丙烯酸等大分子物质,这些聚氨酯和聚丙烯酸类等物质是高分子量的聚合物,他们在分子水平上的结构是互相交联聚合成网状的,当将其涂于路面并干燥后,他们便相互交织固化不可分离,最终形成较为牢固的涂料层,这也就是一般的双组份涂料的双组份成分作用的基本原理。双组份涂料的防水机理是建立在其微观分子结构的基础之上的,由于双组份涂料的甲组组分在乙组组分作用下会形成立体网状高分子结构,这些高分子结构交联聚合在一起所形成的孔径很小,阻挡了水分子的进入,使水分子无法侵入到涂料内部破坏其高级结构。但是,由于水分子是极性物质,一头带正电一头带负电,很容易使涂料高分子结构受到破坏,所以有些高分子涂料在生产上为甲组预聚物侧链上增加了很多有活性的官能团来阻挡水分子的渗入,例如常见的官能团有二异氰酸酯基(-NOC),羧基(-COOH),羟基(-OH)等,这些官能团一般是为了增加聚合交联效果而添加的,同时也增加了分子间的交联桥数量,使网状结构空隙更小,从而阻止水分子进入避免涂料层膨胀渗水。而且其中有些官能团是疏水和亲水相互结合而使涂层表面形成水化膜而受到保护的,这些涂料的价格一般都比较昂贵。但是目前又开发出一种附着促进剂,该促进剂的作用是增加涂料层与基膜的附着力度,增加粘附力,包括增加机械性相互作用和物理吸附同时增加涂层与底材之间的氢键以及其他化学相互作用从而减小底材与涂层间隙,增强涂料的耐水性。以下将对附着促进剂做详细叙述。
1.1 树脂类附着力促进剂
目前很多公司提供含羟基、羧基、醚键或氯代树脂、磺酰氨基等溶剂型树脂,它与一般树脂有较好的混容性,又与底材可形成一定的化学结合,因而在涂膜与底材间形成化学结合力。这些助剂自身又在涂膜中通过互溶、缠绕等作用与涂膜结合在一起,因而提高了附着力。树脂类附着力促进剂还有丙烯酸—环氧基类、丙烯酸—氨基类等。用于水性漆、塑料PP、PE的附着力促进剂也有相应的品种。
1.2 硅烷偶联剂类附着力增进剂
无机底材亲水的极性表面在环境中极容易吸附上一层水膜,使涂料内的疏水基料很难对底材润湿,因此,很难有好的附着力。硅烷偶联剂的应用可以揭示化学键结合对于黏接作用的重要意义,加有少量硅烷偶联剂的涂料,在涂布施工后,硅烷向涂料与底材的界面迁移,此时遇到无机表面的水分,可水解生成硅醇基,进而和底材表面上的羟基形成氢键或缩合成Si-O-M(M代表无机表面)共价键;同时,硅烷各分子间的硅醇基又相互缩合形成网状结构的覆盖膜。硅烷通式以RSiX3代表,当X为乙氧基、R为乙烯基时,硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷,分子式为水解缩合氢键结合共价键形成,在含有硅烷的涂料中,能在漆料与底材界面相互作用,形成硅烷与漆基相互渗透的网状结构,增强了内聚力和耐水侵蚀的稳定性。显然,上述硅烷通式中的R也非常重要,基料的活性基团应与硅烷的R基团有牢固的化学键,至少R也应是长链物,发生紧密的缠绕作用以使涂膜与底材整体化。
1.3
钛酸酯偶联剂类附着力增进剂无机底材往往是由于表面吸附了一层水分而影响附着力,与硅烷偶联剂相似,单异丙氧基钛酸酯的结构通式为C3H7OTiR3。式中R为长链脂肪酸酯基、磷酸酯基等;分子中的异丙基也易与无机底材表面的吸附水经水解而结合,形成化学键;R基也易与漆料中聚合物分子或发生化学反应而结合,或经缠绕而物理结合。因而钛酸酯偶联剂也发挥附着力促进剂的作用。以上就是一些常见的双组份涂料的作用机理和防水简介,当然随着市场的开拓,会有越来越多新型的防水双组份涂料诞生,新产品的防水性能也将会越来越好。
2 双组份涂料作用及其防水效果最适配比分析
由于在实际施工过程中涂料涂层厚度以及基底材料大多不同,所以施工时很难把握如何进行双组份涂料的甲组份和乙组份的配比以达到效果最佳化。为了能够实现经济和效益最佳,本节就介绍几种常用的最适配比试验方案来解决施工中存在的实际问题。双组份涂料作用及其防水效果最适配比依据双组份涂料作用及其防水效果最适配比指的是双组份涂料在施工过程中所拥有的最佳固化时间、防水效果以及涂料层厚度三者的综合效果,例如,如果某双组份防水涂料在某个配比单下的固化时间最短,但是其防水效果很差,那么此配比数据还需要进一步调整以利于施工。但是,如果平时施工只需要单一效果达到目标即可,例如施工过程为了缩短工期需要涂料的固化最小。那么其他两项可以忽略,施工以固化时间的最适配比为准,这也是为了适应实际施工的需要。总之,只要施工需要就可通过调整施工配比单来达到最佳的施工效果。一般情况下对于大多数双组份涂料来说,只要按照厂商提供的配比单配比即可满足大部分施工的需要,但是由于施工涂料层厚度以及基底层的材质差异有时会导致涂料效果明显变差。一般各种涂料厂商所给的配比单在(甲组份:乙组份)4:1-10:20之间,涂层厚度为每平方米2kg-4kg之间,这种配比是厂商所给出的配比,为了适应现实施工的需要,如需要缩短固化时间可以增加乙组组份,同时也可以采取另外增加固化剂或者减少涂层厚度的方法。如果要增强防水效果,那么需要适当增加甲组组分或者另外增加交联剂和附着力促进剂等。虽然总体而言是这样操作的,但是究竟具体应该加多少,怎么加这些问题还是没有答案,那么只有通过一些简单的施工前配比试验来解决。双组份涂料作用及其防水效果最适配比试验通常施工时涂料涂层厚度:路面1.2mm左右。由于产品存在差异,其涂层厚度也应随之浮动。以下为施工前具体的试验方法,仅供参考。固化时间试验:按照下表(以某双组份涂料为例,厂商建议排比为甲组:乙组=4:1,涂层厚度为1.2mm)分别设计两组试验进行测算。试验材料:双组份涂料试验地点:施工地点试验方案:以双组份涂料厂商建议配比单为基准将乙组组分上下各浮动50%左右进行配比,并设置合理的配比梯度,然后将各试验组涂料按涂层厚度梯度分别涂于施工处不同位置并开始测算固化时间。固化标准以指甲粉末性划痕为准。
从表1实际例子中可以看出,固化时间最短应为C组涂层厚度0.8mm固化时间最短,但是最终施工则选择了C组配比,涂层厚度1mm,因为这种配比相对合适,能够节省施工时间同时其涂料所显现出的其他效果如视觉美观性、防水效果等都较好。防水效果试验:同样以以上组双组份涂料为例设计实验,其分组及测试结果如表二所示。试验材料:双组份涂料试验地点:施工地点试验方案:以双组份涂料厂商建议配比单为基准将乙组组分上下各浮动50%左右进行配比,并设置合理的配比梯度,然后将各试验组涂料按涂层厚度梯度分别涂于施工处,待其固化后再将吸水纸覆盖其上后进行二次喷涂,喷涂厚度与第一次相同,同时对涂层定时喷水,持续约72小时。喷水间隔以3小时一次为宜,喷水量约为1kg水,喷水时间约为10-20分钟左右。实验完毕后检测吸水纸的吸水指数即所吸水的质量(g)。
通过表2可以看出,对于防水效果来讲,涂层越厚越有助于防水(其中测算误差或者其他人为原因导致的状况除外),所以理论上为了做好防水效果,应当选择涂层较厚的乙组低配浓度的A试验组比较适合。双组份涂料作用及其防水效果最适配的选择通过以上两组试验可以看出为了达到不同目的可以选择不同的配比浓度及涂层厚度以达到较好的施工效果,但是,施工中多是以综合效果考虑为佳,所以如果对试验时间和防水均希望达到理想效果的话,C组配比,涂层厚度1mm仍然是最佳的选择。总之,只要施工前进行简单的配比试验,那么肯定会得出适合本次施工的最佳配比单。
3 市场双组份涂料防水效果分析
目前,市场上的双组份涂料有聚氨酯类、聚丙烯酸酯类、环氧树脂类、合成树脂类、氟碳类等多种双组份防水涂料,在这些涂料中单单考虑防水效果的话,聚氨酯类、聚丙烯酸酯类比较出色,其他的涂料虽然防水效果也不差,但是需要增加涂料层厚度,而涂层的增加会导致成本的升高,同时也会出现一些负面问题如出现涂料鼓胀或者暴漆现象等,当然,防水效果较好的涂料必然价格稍贵,其实只要能适合自身的需要,也不必追求高质量高价格的双组份防水涂料产品。
4 双组份涂料的应用前景分析
双组份涂料由于其具备固化时间短、涂刷及防水效果好、固化硬度高等优点备受企业喜爱,但是,由于双组份涂料含有很多有毒物质如煤焦油等会对人体产生毒副作用,所以目前正在开发不含有毒物质的绿色双组份涂料。然而,近期市场上又出现了具备更多优点的三组分涂料,这些产品虽然优点较多,但是价格也更昂贵,所以综合目前涂料市场,双组份涂料仍占据主导地位,其取代单组份涂料是必然的。然而双组份涂料逐步被三组分涂料所取代的趋势也是显而易见的,所以,用户应根据不同阶段的具体需要来选择不同的涂料产品。
5 结语
当前我国的涂料行业正在飞速发展,随着工业化进程的不断加快,涂料业也随之不断推陈出新,新产品的不断问世和老产品从市场中逐步退出都显示出涂料行业的发展速度。虽然目前双组份涂料的市场占有率很高,但是很快就会为新产品所取代。相信随着科学的不断进步,用上品质更好价格更低的新型涂料将不再是梦想。
根据上述理论,结合福建省高速公路养护工程有限公司在2010年罗宁高速标线工程采用海虹牌双组份涂料的实际使用效果,认为可进一步扩大使用。
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防水机理 篇4
混凝土是一种非匀质结构,易产生裂纹、孔隙。人们不可能消除裂纹、孔隙,只能把其大小控制在无害级别(孔隙小于20 nm)。控制混凝土裂纹、孔隙大小的办法很多,采用水泥基渗透结晶型防水材料是行之有效的方法之一。水泥基渗透结晶型防水材料是以普通硅酸盐水泥为基料、掺入活性化学成分配制而成的灰色粉状材料,分为防水剂和防水涂料两大类,本文只对其中的水泥基渗透结晶型防水剂进行探索与研究[1,2,3,4,5]。
在前期探索试验中,本课题组自配了一种性能符合GB 18445—2001《水泥基渗透结晶型防水材料》要求的水泥基渗透结晶型防水剂(以下简称M防水剂)。本文在此基础上,利用正交试验方法对M防水剂的配方、性能进行优化研究,从而确定配方中各活性组分的最优掺量,并采用差示扫描量热法(DSC-TG)、环境扫描电子显微镜法(ESEM)和压汞法(MIP)分析微观测试方法研究了其防水机理[6,7,8,9]。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
1)水泥:配制混凝土试件用水泥为江南-小野田水泥有限公司PⅡ52.5硅酸盐水泥,其性能数据如表1所示。配制M防水剂用水泥为“金宁羊”牌PⅡ42.5R硅酸盐水泥,其性能数据所表2所示。
2)集料:砂为普通黄砂,细度模数为2.7,属于中砂,含泥量1.1%。碎石采用二级配石灰岩碎石,粒径为5~20 mm,含泥量0.8%。
1.2 试验方法
混凝土减水率、泌水率、凝结时间、含气量试验方法按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行试验,混凝土抗压强度按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行试验,混凝土抗渗、收缩性能按照GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》进行试验。
1.3 试验方案
经初期试验确定M防水剂配方为:硅酸盐水泥20%,硅酸镁18%,氧化镁7%,减水剂10%,硅灰7%,各组分含量固定不变,其他为活性组分A、B、C、D。表3为配方中活性组分A、B、C和D的因素水平设计,L9(34)试验方案见表4。
掺M防水剂混凝土各项性能试验所用的配合比按照GB 18445—2001标准设计,如表5所示。
为探索M防水剂对水泥水化程度和水化产物的影响,研究M防水剂的防水机理,对掺M防水剂的砂浆进行了一系列微观分析,包括:28 d DSC-TG分析、28 d ESEM分析和28 d MIP分析,掺M防水剂砂浆的微观试验配合比见表6。
2 结果与分析
2.1 正交试验结果分析
以抗压强度(7 d、28 d)、收缩率比(28 d)、一次抗渗压力(28 d)、二次抗渗压力(56 d)作为掺M防水剂混凝土的性能衡量标准。表7为相应的试验水平及检测结果。从表7中可以看到在基准混凝土中掺入M防水剂,可以提高抗压强度、降低收缩率比,还可以提高混凝土的抗渗性能,一次抗渗压力有较大程度的提高,最大值达到基准混凝土的263%,最小值也有210%。
采用极差法对正交试验结果进行分析,用K表示同一水平各因素的试验指标额总和平均值,极差R为同一水平各因素中平均值的最大值与最小值之差,即Kmax-Kmin。极差大表示该因素在这个水平变化范围内造成的差别大,对试验指标产生的影响大,是主要影响因素;极差小表示该因素对试验结果产生的影响小,是次要影响因素。表8—12分别是对掺M防水剂混凝土7 d抗压强度、28 d抗压强度、28 d收缩率比、一次抗渗压力和二次抗渗压力正交试验结果的极差分析。
根据以上正交试验结果极差分析并结合表13分析,各活性组分极差R在7 d抗压强度、28 d抗压强度、28 d收缩率比、一次抗渗压力和二次抗渗压力正交试验结果中的顺序一致,即R(活性组分C)>R(活性组分D)>R(活性组分B)≥R(活性组分A)。为降低原材料成本并提高性能,选择各活性组分最优掺量为A(Ⅲ)B(I)C(Ⅲ)D(Ⅱ),即A占9%、B占8%、C占16%、D占7%时,掺M防水剂的混凝土各项性能指标最佳。M防水剂的最佳配方见表14。
2.2 M防水剂主要性能测试
按表14的配方配制的M防水剂,根据GB18445—2001《水泥基渗透结晶型防水材料》对其进行物理性能测试,结果见表15。
3 微观试验分析
3.1 掺M防水剂砂浆的DSC-TG分析
图1为空白砂浆(28 d)的差热曲线,图2为掺M防水剂砂浆(28 d)的差热曲线,表16为掺M防水剂砂浆的热失重分析。
水泥水化主要生成AFt、CSH凝胶和Ca(OH)2,在加热过程中不同物质的分解温度不同,因此DSC曲线上出现5个吸热峰:第1个吸热峰处于100~300℃温度范围内,主要是水化硅酸钙、钙矾石脱水;第2个吸热峰处于300~500℃温度范围内,主要是水镁石转化成方镁石,和Ca(OH)2脱结构水,转化成氧化钙;第3个吸热峰在500~600℃温度范围内,是α-石英转变成β-石英;第4个吸热峰处于600~700℃范围内,主要是CaCO3吸热分解;第5个吸热峰处于在700~900℃范围内,主要是硅酸钙转化成β-硅灰石。表16列出了不同温度范围内的热失重,与空白砂浆相比,M防水剂可以提高水泥水化程度,增加AFt和CSH凝胶的生成量,且生成水镁石和CaCO3晶体,而Ca(OH)2的生成量较空白砂浆低。
3.2 掺M防水剂砂浆的ESEM分析
图3(a)和(b)分别为空白砂浆和掺M防水剂砂浆通过环境扫描电镜放大10 000倍的局部照片。
对比两张照片可以看出,掺M防水剂砂浆试样的水化程度较空白砂浆水化程度高,(a)中有大量孔隙,(b)中在孔隙处聚集生成很多棒状晶体,堵塞了毛细孔。
图4为图3(b)照片中孔隙处生成晶体的能谱分析,发现除水泥水化产物水化硅酸钙和钙矾石晶体外,还有针状水镁石晶体和碳酸钙晶体。表17是图3(b)照片中孔隙处生成晶体的元素分析结果。
3.3 掺M防水剂砂浆孔径(MIP)分析
图5和图6分别是空白砂浆和掺M防水剂砂浆28 d孔径分布曲线。表18是掺M防水剂砂浆28 d孔径分布。
从图5、图6可以看出:掺入M防水剂后,砂浆的孔隙率较空白砂浆下降了5.39%,并且孔径分布趋于微小化。掺M防水剂的砂浆中,>100 nm的有害孔降低了3.65%,这是由于M防水剂与水泥水化物反应生成的物质填充了砂浆内部的毛细孔,从而改善砂浆的孔径分布,使得砂浆内部孔隙更加细小化。
4 结论
1)采用正交设计试验优化M防水剂配方中各活性组分的掺量,最终最优掺量为A(Ⅲ)B(I)C(Ⅲ)D(Ⅱ),即A占9%、B占8%、C占16%、D占7%时,掺M防水剂混凝土的各项性能指标最佳。
2)采用DSC-TG分析M防水剂的防水机理,试验结果表明:与空白砂浆相比,掺M防水剂可以提高水泥水化程度,增加AFt、CSH凝胶的生成量,且在孔隙处生成较多水镁石和CaCO3晶体,而Ca(OH)2的生成量较空白砂浆试样低;生成的针状晶体,聚集在孔隙处,减少了孔隙率,降低了大孔比例,增加了小孔比例,对改善砂浆孔径有积极作用。
3)采用ESEM分析M防水剂的防水机理,试验结果表明:与空白砂浆相比,掺M防水剂可以促进水化程度,在孔隙聚集处生成很多棒状晶体,如水镁石、碳酸钙和钙矾石晶体,堵塞了毛细孔,提高了防水抗渗能力。
4)采用MIP分析M防水剂的防水机理,试验结果表明:掺M防水剂的砂浆孔隙率较空白砂浆下降,孔径分布趋于微小化,且>100 nm的有害孔减少。
摘要：采用正交因素分析方法,确定了水泥基渗透结晶型防水剂M的最佳配方。通过研究掺M防水剂砂浆的DSC-TG、ESEM和MIP分析发现:掺入M防水剂可以促进水泥水化,并增加水化产物AFt、CSH凝胶的量,在孔隙处聚集棒状晶体,堵塞毛细孔。与空白砂浆相比,掺M防水剂砂浆的孔隙率下降,>100 nm的有害孔减少。
关键词：水泥基渗透结晶型防水剂,防水机理,晶体
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防水机理 篇5
我国高速公路里程已突破4万km,但质量问题不容乐观,有些高速公路一两年内就要大规模翻修。水泥混凝土路面为刚性路面,路面需留设伸缩缝和施工缝,这些缝隙和混凝土自身的吸水性、透水性都会导致路基遭受不同程度的损害。从我国已建成通车的公路使用情况看,凡是路基沉陷、冲刷、坍塌、翻浆,沥青路面剥落、龟裂、松散,水泥混凝土路面唧泥、错台、断裂等病害现象都与路面渗水、地表积水和地下水的侵蚀有关。水的作用加剧了路基和路面等结构的损坏,缩短了它们的使用寿命。
2 高速公路混凝土路面水损毁机理
超载易使混凝土路面产生断裂、竖向位移的病害,见图1。这些危害会使刚性混凝土产生不同程度的裂缝。水渗入路基后,混凝土板底在交通荷载作用下脱空,造成地基强度不均匀、承载力降低,引起面板进一步开裂,基层材料形成泥浆从接缝处或板边缘挤出,板底出现脱空。下渗的水积聚在面层下的脱空区内,因轮载弯沉变形的频繁作用,空隙内的积水变成压力水侵蚀基层,并同基层内冲刷出的细料混合成悬液沿裂缝喷出,使面层板边缘部分失去支撑。最终,引起错台,面板出现更多更深的裂缝,路面破坏面积不断扩大。
3 国内外高速公路混凝土路面水损害的一般处理方法
在广西、云南、贵州等地早期修筑的高速公路多是水泥混凝土路面,噪声大、平整度差。使用一段时间后就会出现断板、卿泥、翻浆等现象,严重地影响交通运输。为提高水泥路面的使用性能,不得不进行维修或改造,国内常采用的方法有3种:(1)直接在水泥路面上加铺一层沥青路面;(2)在水泥路面的伸缩缝处铺设土工格栅,然后再铺筑沥青面层;(3)将水泥路面破碎后做20 cm左右厚的半刚性基层,再铺筑沥青面层。前两种方法施工时间短,费用低,但是使用寿命短;后一种方法施工周期长,使用寿命长,使用性能好,但是成本高。
在美国也有类似的问题。美国科氏沥青材料公司研制开发了STRATA系统,是专为减少水泥路面的反射裂缝而设计的沥青路面结构。该系统经数年的试验取得成功后于1994年开始推广使用。STRATA系统由应力吸收层和罩面层(包括中面层和抗滑表层)组成,其核心是应力吸收层。由于水泥混凝土具有热胀冷缩的特性,随着温度的变化,水泥混凝土板会发生伸缩变形。对于5 m长的水泥混凝土板,温度波动40℃的情况下,变形量≥2 mm。普通沥青混凝土不能承受如此大的变形,因而沥青面层出现反射裂缝。一旦裂缝出现,水就会通过裂缝流到基层,引起路面卿泥、翻浆等病害。应力吸收层应能全部或部分吸收水泥混凝土板收缩变形,而其本身不因水泥混凝土板收缩而开裂。这要求吸收层必须具有较好的柔韧性及不透水性。故而,应力吸收层应采用高弹性改性沥青,其耐高温性能必须达到75℃以上,低温性能必须达到-22℃以下,经过旋转薄膜烘箱老化后的弹性恢复率≥45%,48 h的离析软化点差≤6℃,以满足稳定性和弯曲梁疲劳试验的双重要求。
4 高速公路路面防水层的性能要求
4.1 粘结性
防水层能与混凝土基础有效粘结,形成密封层。避免防水层因破损(在施工过程中防水层不可避免地产生破损)而产生窜水问题,避免水在混凝土面层窜流,通过混凝土路面的裂隙渗透到基层,破坏基层结构。
4.2 抗开裂性
高速公路混凝土路面容易因气候条件和载荷等各种因素的作用而产生裂缝,防水层必须具有良好的抗开裂性能。因而,防水材料要有良好的弹性和蠕变性,消减混凝土面层因开裂产生的强大应力对防水层的破坏,从而消减面层反射裂缝。
4.3 抗剪切性
高速公路路面除了受垂直载荷的影响外,还要承受平行于路面的剪切载荷。剪切荷载对防水层的影响最大,如重载货车紧急刹车产生的剪切力,对防水层影响极大。因此防水层必须有足够的强度来应对剪切破坏。影响防水卷材抗剪切强度的因素有:(1)防水层的厚度(厚度过低会造成粘结面刚性破坏,过高易造成剪切变形过大,使防水层产生滑移);(2)内聚力;(3)耐高温性能。
4.4 材料湿面施工性能
防水层能在潮湿的混凝土基面上施工,节省工期,即使混凝土基面不平整也不影响防水层施工后的粘结性能。
4.5 抗老化性能
防水层在温度、紫外线、循环动载荷的作用下有较长的使用寿命。
5 高速公路路面防水的新方案
在高速公路面层中做一层具有较高强度和柔韧性的密封防水层是经济有效的方法。此防水层不仅保护混凝土基面免受水侵害,而且有效消减混凝土面板收缩变形对上部沥青混凝土面层的影响。
根据高速公路混凝土路面损坏形成的机理以及国内外的相关经验,结合高速公路防水工程实例,可以选用具有反应粘结功能的防水材料,如广西金雨伞的专利产品。这种功能型防水材料由反应粘密封胶层和增强胎体构成,密封胶层具有很高的韧性,将其涂覆在增强的胎体上,使其成为一种较高强度的复合材料[1]。它能跟现浇混凝土或水泥凝胶通过化学交联反应粘结在一起,并与基层混凝土形成牢固持久的界面反应密封层,能有效抵抗路面的剪切破坏,见图2。CPS反应粘卷材与混凝土基层粘结剥离强度大(可达8.0 N/mm),而且具有蠕变抗裂功能,适应混凝土基础开裂的影响,从而减少面层沥青混凝土放射性裂纹。
路面设计时,将防水层放在承重层之上磨耗层之下,见图3。承重层一般为混凝土层,CPS反应粘卷材粘结到承重的混凝土基层上,卷材的上面为沥青混凝土磨耗层,它与卷材的密封胶料层有良好的相容性,可直接浇注在卷材上。
防水层可采取1.5 mm CPS反应粘卷材(双粘湿铺)+1.5 mm CPS反应粘卷材(双粘干铺)的方案。此方案中虽蠕变层加厚,“抗剪切”性有所降低,但仍在安全正常的阈值范围内,有利于面层应力的释放和提高抗开裂性。第一层湿铺主要是与承重的混凝土层有效粘结。由于第一层防水层厚度较薄,在磨耗层与承重层的夹压下,使其蠕变性变差,释放应力的能力降低,CPS反应粘卷材在此过程中受到破坏的风险增大。因此,有必要在其上再做一层防水层,形成增强的二元防水层结构。下层适应混凝土基层开裂的影响,上层通过有效的蠕变变形能力适应路面剪切破坏的影响。
6 总结
在广西某高速公路路段,通过采用在路面承重层之上磨耗层之下做一层反应粘结型功能防水层,有效降低了路面因水害而产生的破损。这种既能柔性抗裂又能与混凝土基面满粘密封的防水层,起到了对承重层防水保护以及消减面层反射性裂缝的双重功能,达到了提高路面使用舒适性、延长路面使用寿命的目的。
参考文献
防水机理 篇6
聚合物水泥防水涂料是由聚合物乳液和水泥为主要原料,加以填料及其它助剂配制而成,经过水分挥发和水泥水化反应固化成膜的双组份水性防水涂料[1]。它既有有机高分子材料的柔韧性,同时又有无机材料的刚性。
拉伸强度是衡量聚合物水泥防水涂料质量优劣的重要性能指标之一,针对聚合物水泥防水涂料拉伸强度的影响研究, 前人做了大量的工作。董松[2]的实验发现,拉伸强度受聚灰比的影响巨大,聚灰比在0.97~0.52时,拉伸强度变化不大,当聚灰比降至0.39时,则明显增大,说明其涂膜微观结构发生了明显变化。华卫东等[3]的研究发现,不同搅拌工具对聚合物水泥防水涂料的强度和断裂延伸率影响较大,主要是由于采用不同搅拌工具而引起密度变化,说明聚合物水泥浆料内含气量改变,而含气量的增加是导致物理力学性能降低的一个主要原因。贾非和孙冰[4]主要从涂膜的制备环境(如温湿度、 搅拌制度、涂膜制度、养护制度)、聚灰比、原材料组分的性能 (乳液的玻璃化温度Tg、最低成膜温度、用量)以及外加剂等因素出发,研究了影响聚合物水泥防水涂料拉伸性能的变化因素。
同时,微观结构是影响材料性能的重要因素,对材料的设计和制备具有直接的指导意义。国内外对聚合物水泥基材料微观结构方面的研究主要有:Ohama模型从微观角度解释了聚合物水泥混凝土材料力学性能及耐久性能的变化机制[5],对聚合物水泥材料的微观机理进行了解释;B-O-V模型则在Ohama模型的基础上更进一步将聚合物水泥材料微观结构的形成过程改为了4个阶段[6],并提出了养护条件的作用;而后续Ma、Plank、Merlin等从不同角度针对Ohama的简化模型提出了不同看法[7,8,9],在此基础上改进了模型的应用范围。
分析以上研究发现,他们主要对聚合物水泥防水涂料的形成过程从机理上进行了研究,而且是以聚合物颗粒均匀分散于涂膜结构中为前提展开的。但是由于目前聚合物种类性能各异,其与水泥结合后的吸附性能及分散性都有差异,这导致了材料的微观结构不能完全以原有模型来进行研究。本实验正是从此出发,基于对涂膜随外界环境变化导致的涂膜形成机理、微观结构是否变化来开展研究的。
本文针对广泛应用于建筑防水的各类聚合物乳液防水涂料,如丙烯酸酯类(纯丙、苯丙乳液)、聚醋酸乙烯类(EVA)水泥防水涂料进行深入研究,分析乳液种类对防水涂膜拉伸性能的影响规律,寻找不同乳液对聚合物水泥防水涂料微观结构影响的共性,并对其影响方式进行机理分析,试图结合其分析结果对不同乳液的防水涂料的应用进行分类,以求对该类聚合物水泥防水涂料的实际施工应用提供指导。
1实验
1.1原材料
(1)纯丙乳液:北京德昌伟业建筑工程技术有限公司;苯丙乳液:北京通海化工集团;聚醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(EVA乳液):北京东方石油化工有限公司有机化工厂。3种乳液的主要性能指标如表1所示。
注:3 种乳液的机械稳定性(4000 r/min):0.5 h 通过;冻融稳定性 (-5 ℃,3 次循环):无异常。
(2)P·O42.5水泥:湖北亚东水泥厂生产,混合材矿渣、碎屑含量为13%,二水石膏4%,主要化学组成如表2所示,物理性能如表3所示。
%
(3)石英砂:粒径100~300 μm,蕲春华杰石英砂厂生产。
(4)减水剂:KH-5型聚羧酸减水剂,武汉华轩高新技术有限公司;消泡剂:甲基硅油,常州市武进常新有机硅材料厂; 增稠剂:聚丙烯酰胺,阴离子型,分子质量3 000 000,固含量38.5%,国药集团化学试剂有限公司;分散剂:聚乙二醇,p H值为4.0~7.0,分子质量950~1050,国药集团化学试剂有限公司;脱模剂:机油。
(5)聚丙烯纤维:改性聚丙烯单丝纤维,长度3~15 mm,武汉中鼎经济发展有限责任公司。
1.2实验方法
(1)涂膜的制作:分别称取固定量的水泥、石英砂、聚合物乳液和助剂等混合,在搅拌机中低速搅拌5 min,然后充分搅拌至体系中无明显的颗粒为止;搅拌完后静置几分钟消气泡,然后涂膜。涂膜分2次进行,第1层涂膜厚度为0.5~0.8 mm,待第1层表干后涂刷第2层,2次涂抹时间相距12~24 h,最后达到 (1.5±0.2)mm厚。再在标准养护条件下[(23±22)℃,相对湿度45%~70%]养护4 d。脱模后放入(40±2)℃的烘箱中烘48 h。再在标准条件下放置4 h。最后切成试件进行相关性能测试。
(2)拉伸强度测试:按GB/T 23445—2009《聚合物水泥防水涂料》进行。
(3)吸水率测试:将养护后涂膜制成100 mm×25 mm的试样数块,置于盛有蒸馏水的容器中,分别经1、3、5、7、9、11 d吸水后取出擦干表面的水分,分别称取试件浸水前后的质量, 计算其吸水率。
(4)扫描电镜分析:取出采用无水乙醇终止水化的断裂碎块,在40 ℃下烘干至恒重,用导电胶将样品粘贴在铜质样品座上,真空镀金后置于QUANTA FEG 450型扫描电镜(FEI香港有限公司产)中观察试样断面微观形貌。
2结果与讨论
2.1聚灰比对聚合物水泥防水涂料拉伸强度的影响(见图1)
由图1可见,拉伸强度随聚灰比的变化趋势与聚合物乳液的种类和掺量有关。
从种类来说,用纯丙乳液和苯丙乳液制作的涂膜,随着聚灰比的增大,聚合物水泥防水涂料的拉伸强度逐渐增大,2种乳液对拉伸性能的影响有相同的趋势,当聚灰比小于0.6时, 拉伸强度增大的趋势缓慢;当聚灰比大于0.6时,其拉伸强度增长迅速。而用EVA乳液制备的涂膜中,其拉伸强度随着聚灰比的变化,呈现出先增大后减小的趋势。
从掺量来说,在聚灰比由0.3增加到1.0时,纯丙乳液制备的涂膜拉伸强度由2.26 MPa增加到8.01 MPa,增长率为254%,苯丙乳液制备的涂膜拉伸强度由3.00 MPa增加到9.39 MPa,增长率为213%,对这2种乳液而言,乳液掺量越大,涂膜拉伸强度越高。而对EVA乳液制备的涂膜,拉伸强度随聚灰比的变化趋势分2个阶段:当聚灰比由0.4增加到0.6时,拉伸强度由3.35 MPa增加到5.52 MPa,增长率为65%,在此阶段,掺量越大,涂膜拉伸强度越高;聚灰比由0.6增加到1.0时,拉伸强度由5.52 MPa减小到2.84 MPa,乳液掺量越大, 涂膜拉伸强度越低。
2.2聚灰比对聚合物水泥防水涂料断裂延伸率的影响(见图2)
由图2可见,不同乳液防水涂料的断裂延伸率随聚灰比的变化呈现类似的趋势,当聚灰比由0.4增大到1.0时,苯丙乳液涂膜的断裂延伸率由103%增加到182%,增长率为77%,纯丙乳液涂膜的断裂延伸率由89%增加到167%,增长率为87%,EVA乳液涂膜的断裂延伸率由76%增加到146%, 增长率为92%。而当聚灰比相同时,苯丙乳液涂膜的断裂延伸率最大,纯丙乳液的次之,EVA乳液的最小。
2.3XRD分析
图3为聚灰比分别为0.40、0.95的纯丙乳液涂膜的XRD分析。
由图3可见,纯丙乳液涂膜中只有硅酸三钙存在,说明有部分水泥仍然是作为填料存在,而氢氧化钙没有出现,则表示另一部分发生了水化的水泥,其水化产物氢氧化钙可能发生了化学反应。
图4为聚灰比分别为0.4、0.6的EVA乳液涂膜的XRD分析。
由图4可见,EVA乳液涂膜中有硅酸三钙和氢氧化钙存在,说明涂膜中水泥发生了水化,生成了Ca(OH)2,但只有部分发生了水化,因为硅酸三钙依然存在。因此,在EVA乳液涂膜中,水泥一部分发生水化,其水化浆体支撑了涂膜结构,另一部分则作为填料存在。
通常,聚合物与水泥的体系可以分为2种类型,一种是非反应型,聚合物与水泥之间仅相互惰性填充;另一种是反应型, 聚合物活性基团与水泥水化产物之间发生化学反应,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[10]。 由于EVA乳液为线性高分子材料,分子中不含活性官能团, 交联比较困难,导致分子键能较低,因此,它与水泥的体系属于非反应型的。而丙烯酸酯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,增加其结构的密实性[10],可见,丙烯酸酯共聚物乳液与水泥的体系属于反应型的。因此,这也就解释了图3中氢氧化钙不存在的原因。
由于丙烯酸酯乳液与水泥的体系是属于反应型的,与水泥间接作用后能生成离子键结合的大分子网络结构,其涂膜结构相比EVA乳液涂膜更加密实。因此,纯丙乳液、苯丙乳液涂膜比EVA乳液涂膜的拉伸强度更大。
2.4SEM分析(见图5)
由图5(a)水灰比为0.3的纯丙乳液涂膜可以发现,有大量边长为5~40 μm的未水化不规则状立方体水泥颗粒,表面被聚合物颗粒包裹,并以填料形式存在于聚合物涂膜结构中, 其对拉伸强度的支撑有限。
而图5(b)水灰比为0.6的纯丙乳液涂膜,只有少量水泥颗粒和极少数球状的粉煤灰存在,聚合物颗粒与水泥硬化浆体结合更加紧密,因此可以认为只有少量水泥是以填料形式存在。
再观察图5(c),发现水灰比为0.9的纯丙乳液涂膜扫描电镜照片中几乎没有发现颗粒状的水泥填料。因此也证明了, 当聚灰比增大时,在水泥用量一定的情况下,聚合物用量越大,水泥填料参与水化反应越多,涂膜结构由疏松变得更加致密,拉伸强度变大,说明聚合物含量的增大是使涂膜拉伸强度增大的主要原因。
由于苯丙乳液与纯丙乳液具有类似的性质,其涂膜结构的扫描电镜照片也非常相似。
纯丙乳液和苯丙乳液制备的涂膜在聚灰比小于0.6时, 拉伸强度增长趋势缓慢,而当聚灰比大于0.6时,其拉伸强度增长迅速,其主要原因为:当聚灰比较小时,涂膜结构受水泥水化浆体支撑的作用影响较大,属于“刚”性,聚合物含量较低,在此范围内,聚合物颗粒的网状结构不足以成为涂膜结构稳定性的主导因素,此时对涂膜拉伸强度的作用主要是考虑镶嵌在聚合物颗粒网状结构中的水泥水化反应的因素。由于水泥是作为参与水化反应形成水泥水化凝胶和作为填料支撑涂膜结构2个作用而存在的,因此,即使水泥水化增多,仍总有一部分水泥未发生水化而作为填料存在,故拉伸强度增大较为缓慢;而当聚灰比大于0.6时,其聚合物含量较高,涂膜结构受聚合物影响较大,属于“柔”性,在此范围内,聚合物含量越高,其聚合物颗粒之间相互堆积,粘结越密实,故拉伸强度呈线性式增长。
对EVA聚合物水泥体系而言,聚醋酸乙烯-乙烯的共聚物相和水泥化合物无机相不具有相溶性,难以形成如Ohama模型[5]所说的以聚合物颗粒为架构的、水泥浆体镶嵌其中的空间网络结构,因此,其涂膜稳定性主要是由水化的水泥浆体的强度和水泥与聚合物之间的化学或物理键合作用提供。
图5(g)所示水灰比为0.4的EVA乳液涂膜中水泥与聚合物相互交联,水泥部分发生水化,还有极少一部分作为填料,例如图中可见的少量球状颗粒的粉煤灰。因此,涂膜结构相对致密,因此强度较高。
而图5(h)所示的水灰比为0.6的EVA乳液涂膜结构中, 水泥与聚合物分界明显,大部分水泥发生水化,几乎不见颗粒状被聚合物包裹的水泥填料。此时,水泥水化浆体的强度是支撑涂膜结构的主要原因,因此,水灰比从0.4增大到0.6,水泥水化越明显,涂膜拉伸强度越大。
由图5(i)所示的水灰比为1.0的EVA乳液涂膜扫描电镜照片可发现,有大量层状的Ca(OH)2存在,聚合物相与水泥化合物相不溶合,相互叠加,且有微小孔隙,涂膜结构中水泥硬化浆体及水泥填料颗粒包裹在聚合物网中间,互不连接, 涂膜结构疏松。因此,当聚灰比从0.6增大到1.0时,由于聚合物含量增多,此时对涂膜结构拉伸强度起主要支撑作用的水泥硬化浆体由于被聚合物包裹而隔离开,互不连接,所以,涂膜拉伸强度逐渐减小。而聚合物含量增多使聚合物颗粒网络之间连接更加紧密,粘结力增大,因此,断裂延伸率增大。
3结语
(1)聚合物水泥防水涂料的拉伸性能随聚灰比的变化趋势与聚合物乳液的种类和掺量有关。随着聚灰比的增大,对丙烯酸酯类防水涂料(纯丙乳液型、苯丙乳液型)而言,涂膜拉伸强度越大;对聚醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(EVA)而言,涂膜拉伸强度先增大后减小。不同乳液水泥基防水涂料的断裂延伸率随聚灰比的变化呈现类似的趋势,聚灰比越大,断裂延伸率越大。
(2)由于EVA乳液为线性高分子材料,分子中不含活性官能团,交联比较困难,导致分子键能较低,因此,EVA乳液与水泥的体系是非反应型的,其与水泥之间仅相互惰性填充; 而纯丙乳液和苯丙乳液可与水泥水化生成的Ca(OH)2发生化学反应,形成以化学键结合的界面结构,通过界面增强提高材料的性能,因此,纯丙乳液、苯丙乳液与水泥的体系是反应型的,其涂膜结构相比EVA乳液涂膜更加密实,涂膜的拉伸强度更大。
防水机理 篇7
然而, 随着环保要求的提高, 平屋面上的防水施工也开始去溶剂化, 日本有企业开发出了硫化橡胶系单层防水用的水性胶粘剂, 并逐渐实现了商品化。本文仅就硫化橡胶系单层防水的水性胶粘剂及其使用工法作一介绍。
1 胶粘剂及其粘结机理
1.1 水性胶粘剂
水性胶粘剂的种类大致可分成水溶性和乳液 (水分散) 系两大类。水溶性类型由于成膜后可再次被水溶解, 因此在防水工程上不能使用。防水工程中使用的水性胶粘剂都是乳液系的。乳液系胶粘剂, 系乳化树脂在水中呈分散状态, 涂布后水分蒸发, 干燥后充填树脂间隙, 使树脂连成一体, 形成粘结层。
这个形成粘结层的过程不可逆, 不会被水再溶解 (再乳化) 。乳液系胶粘剂使用的树脂可有多种选择, 但从实际应用效果出发, 用于粘贴硫化橡胶系单层防水片材选择氯丁橡胶系较佳。此外, 乳液系与溶剂系相比, 固体含量可能更高, 因此可以较少的涂布量确保粘结所需的固体含量。
1.2 粘结机理
水性胶粘剂涂布在基层和片材粘合面两个面上后, 随着水分蒸发, 树脂表现出粘结性, 填充在被粘结对象硫化橡胶系片材和基层的微观呈凹凸不平的表面上, 起锚固作用, 实现粘结。这与溶剂系胶粘剂的粘结原理相同, 但水性和溶剂系胶粘剂两者的具体粘结操作情况又有所不同。溶剂系胶粘剂面接合后, 需要滚压片材, 使胶粘剂在片材与基层之间发生流动、充满片材与基层之间的空隙, 以使片材与基层连成一体。因此, 一定荷重的滚压作业是很重要的。
但是, 水性胶粘剂伴随干燥的进行, 在凝聚点迅速丧失流动性, 出现强粘合力, 胶粘剂之间固结, 粘结于片材和基层上, 因此, 基层和片材两面涂布的胶粘剂全面无空隙地接触十分重要。再者, 片材面涂布的水性胶粘剂, 水分蒸发和干燥是在片材表面进行的, 与基层面涂布的情况相比, 需要更长的干燥时间。
2 施工工艺
2.1 水性胶粘剂工法的材料用量规定
出于环保要求和粘结质量双重考虑, 日本合成高分子屋面工业会对水性胶粘剂工法的材料用量作出了具体规定 (参见表1) 。
2.2 涂布方法
底涂料和胶粘剂都用毛刷滚筒进行均匀涂布, 确保标准使用量。与溶剂系胶粘剂相比, 涂刷水性胶粘剂时毛刷滚筒运转较灵活, 因此要注意避免涂布量不足, 同时也不要产生堆胶现象。
毛刷滚筒尽可能使用新的。如要重复使用, 毛刷滚筒使用后要用有机溶剂洗净, 使用前再用溶剂浸泡。
胶粘剂堆积的表面会形成一道“蒙皮”, 会成为胶粘剂干固迟缓的原因。
2.3 涂布后的干燥
水性材料的干燥性受基层本身干燥程度、有无日射和风、气温的影响很大。因此, 预计干燥条件恶劣的部位, 要提前先涂, 如背阴面、阴角、通风差的部位。这些部位先涂布, 就可以不影响施工效率。
2.4 片材的铺设
确认胶粘剂触干、有黏性时, 开始铺设片材。一般水性胶粘剂与片材粘合时的粘结强度, 与溶剂系胶粘剂相比要高一些。由于片材与基层一旦粘上, 再修正位置很困难, 片材与基层之间的空气气泡也难以消除, 因此粘贴前要先对片材正确定位, 且铺设时不得卷入空气。为了使水性胶粘剂与片材良好接触, 需用压辊充分滚压。
3 结语