清水混凝土涂料的研制N

1、清水混凝土涂料的研制N作者:日期：清水混凝土涂料的研制和应用沙圣刚 瓦克上海技术中心摘要：介绍了清水混凝土涂料的研制和应用过程。硅树脂清水混凝土涂料集耐久性、憎水性和透气性于一身，同时保持了混凝土本身的外观。讨论了树脂的种类、比例及填料对性 能的影响。关键词：清水混凝土涂料；硅树脂；耐久性；憎水性；透气性Preparati on and A p plicat i on of Cle a r C onc r e t e P a intAbstract: T he preparation a nd ap plica t i on of clear c onc r e t e pa int is d

2、iscribe d . Sil i c on c resi n c 1 e ar con c rete p a int o f fe r s o ut s tandin g du r ab i lit y , wate r r ep c ll e n y and brea t h ability a nd main tain s th e n atu r al fini s h c ol o r of concrete . The infl u ence of res in, rat i o of s i 1 icone re s i n/ a c r y l i c emuls i o n

3、an d f illers o n the performanc e i s di scuss ed.Key Words: clear c o nc r ete p a in t ; s il i con e r e si n ; durabi 1 ity; water r epell ency; breathability0前言清水混凝土建筑在生活中到处可见 ，最常见的就是市政道路设施 ，如桥梁、路基、道路隔 离墩等。给人印象最深的也是这种形式的建筑在下雨时和刚刚下雨后，表面湿淋淋的感觉，有些甚至是很污浊的效果。这是因为混凝土属于多孔物质，表面吸水率很大，很容易吸收水份，吸水后就会颜色变深，

4、长时间后会表面发黑、长霉、开裂。清水混凝土作为一种建筑风格在国外已流行好多年，它保持混凝土原有的颜色和纹理，给人以古朴凝重、自然清纯的质感。目前国内一些著名工程也采用了清水混凝土风格，如： 东方明珠电视塔、联想大厦、浦发银行全国结算中心、海南国际机场、首都机场塔台等。这 些建筑并非混凝土直接裸露在空气中，而是外表穿上了一层透明的外衣一一清水混凝土涂料。清水混凝土涂料实际上是一种透明或半透明涂料 ，不含如钛白粉之类的有色颜料 ，涂于混 凝土表面后，不会遮盖混凝土原来的外观 ，保持了混凝土原有的颜色和质感 ，同时具有很好的 保护作用，可以防止混凝土变色、长霉、粉化和开裂，其保护寿命长达20年。目前

5、国内工程选 用的主要是日本企业生产的产品 ，如旭硝子、SKK、菊水等，国产此类产品的企业很少。清水混凝土涂料因不含耐紫外线好的钛白颜料，对基料的要求很高，一般选用有机氟或有机硅等耐久性好的树脂。日本早期采用丙烯酸聚氨酯作基料，几年后混凝土表面就变黄。本文中采用纯硅树脂作粘结剂，配制成了具有高耐久性、高透气性和高憎水性的清水混 凝土涂料。1实验部分完整的清水混凝土体系应包括面漆、底漆和修补砂浆，因修补砂浆不属于涂料范畴，这里仅讨论面漆和底漆。1.1 透明面漆的研制1.1.1 基料的选择根据国外产品的介绍，一般选择耐久性好的氟碳乳液或有机硅乳液。本文比较了一种氟 碳乳液和硅树脂乳液，硅树脂乳液表现

6、出更好的抗黄变性，同时硅树脂又具有很好的透气性最后选择了硅树脂乳液。氟碳乳液与硅树脂乳液涂在玻璃板上，根据GB/T 167 7 7-1997进行耐紫外线试验。硅树脂在强烈紫外线照射后，几乎不变色。见图1硅树脂氟碳乳液S i 1 i cone res i nflu orin emu 1 s i on（图 1） F ig. 1这是因为硅树脂是高分子、三维交联的化合物，其结构类似于石英。它们都是以硅/氧为骨架，但与石英不同的是，在硅树脂中，每四个氧原子就有一个被有机基团R取代。因此它可以描述为是一种有机改性的石英结构。另外，所有的硅树脂均由三官能硅单元组成，使硅树脂在化学性能上成为介于纯粹无机物和纯

7、粹有机物之间的中间体系（图2） 1。-O - Si - O - Si - O - Si - O -Si - iiiiO O O-O - Si - O - Si - O - Si - O - Si - O - Si - 1IIIOOOOSi - O - Si - O - Si - O - ISIO O石英EtO -Si - O-Si-R R-Si -O- Si - RR OEt R R -O - Si - O - Si - O - Si - O - Si - till O OO OIIIOOOEtRR硅树脂（图2 ）Q u art z and si lic o n e res i n （Fig.

8、 2）硅树脂由30至80个硅的T单元组成，分子量从 20 0 0 至50 0 0，这与其他聚合物 树脂相比低得多。硅树脂中还含有约2%至4%的乙氧基。这些乙氧基能相互起化学反应，或与颜、填料上的羟基，或与底材上的羟基起化学反应，生成硅氧键。众所周知，硅氧键能比碳 碳键能高很多，紫外线的能量不足以使硅氧键断裂。所以硅树脂具有很好的附着力和耐久性。硅树脂表现出比其他树脂更好的颜料润湿性，硅树脂包裹在颜填料的表面，提高了填料的耐久性。氟碳乳液或硅丙乳是线性高分子，其主链是碳碳键，侧链上带有氟或硅，其氟或硅的含 量的多少影响耐老化性，氟碳乳液或硅丙乳液高分子是疏水性的，而无机填料是亲水性的，所以两者之

9、间的亲合力较差。完全固化的硅树脂是三维交联的刚性的网络结构，不熔不溶，其在长期处于200 c的高温条件下，也不会有任何变化，可耐碱，耐酸雨和太阳光中的紫外线、 红外线。由于其硬度很高， 性能较脆，需要与线性丙烯酸乳液合用 ，以增加其柔韧性。从耐候性角度考虑，一般选用纯丙 乳液。不同的纯丙乳液对耐黄变影响不同，需要通过实验选择。配制成不同的透明涂料，在玻璃板上制成相同厚度的涂膜 ，完全干燥后，根据GB/T 16777 19 9 7进行耐紫外线老化试 验。在照射相同时间后，测量老化前后的色差A E,AE值越大，表明其耐老化性越差。表 1显示纯丙B具有更好的抗黄变性。表1不同透明涂料 UV老化前与老

10、化后的色差配方1#（纯丙A）配方2# （纯丙B ）A E ( 8h UV)4.092Tab. 1 A E before UV ageing and after UV ageing base d on different dispersionfo rmul a 1# (pure ary 1 i c emul s i on A)fo r m u la2#(pu r earyl i c emu 1 si o n B)A E ( 8h UV)4.0 921. 1.2硅树脂与纯丙乳液的比例硅树脂和纯丙乳液B按照不同的比例配制成涂料，其比例如表2。 表2显示在相同PVC下，硅树脂用量越大，耐黄变，f越好，

11、但到达一定比例后，抗黄变性能增加有限，但成本增加较多，所以从经济角度考虑 ，选择硅树脂与纯丙比例为1:1时较好。（表2）不同树脂比例透明涂料UV老化前与老化后的色差配方2 #配方3#配方4#硅机切旨/纯丙1:21:12:1A E( 8 h UV)21 . 331.32T ab.2 A E b e for e UV ag e ing and a fter UV agei n g based o n di f fe r ent conte n t of si 1 icone resinform u 1 a 2#fo r m u la3#formul a 4 #s i lic o n e / dis

12、p e r s i on1 :21:12: 1A E( 8 h UV)21.3 31 . 321.1 . 3 填料的选择因为是配制透明涂料，所以填料应选用遮盖力较低的填料，填料的粒径不宜过细，同时应选用耐候性较好的填料。1.1.4参考配方及性能测试表3硅树脂透明面漆参考配方原材料质里1水3 3 .32H EC纤维素0.43SIL RES BS16 (1 : 3)0. 14多聚磷酸盐NC0.15分散剂0.46消泡剂0. 27小128滑石粉89重钙510S I L RES BS13 0 6 憎水剂111SILRES BS4 3N硅树脂乳液2012纯丙乳液B181 3成膜助剂0.514消泡剂0.21

13、 5防腐剂0 .21 6增稠剂0. 41 7S ILRES BS1 6 (1:3)0.2合计100Tab.3 Typical fo r m ul a of silicone resin t r a ns 1 ucent top coat ingraw m aterialwei g h t%1water33.32thi c k e ner0 .43S ILR E S BS1 6 ( 1 :3)0.14poly p hosp h ate N C0 .15d is p ersant0 .46de f o am e r0 .27mica128tai c89carbonate510SILRE S BS

14、1 30 6 water repellent agen t11 1SILRES BS43N s i l i co n e resin201 2pure acr ylic emuls i on B1 81 3fi 1 m f o rming ag e nt0. 514de f oam e r0.21 5p reserv at ive0.216t h icke n er0.41 7SIL RE S BS16 (1: 3 )0.2tatal100表4硅树脂透明涂料检测结果项目检测结果吸水率（w24 值）0.01kg/n2h0.5水蒸汽透过率（sd-值）：0.37 m附着力（灰砂砖）3. 4 N/mm

15、耐擦洗性（次）> 1 00001.000 小时QU V :人工老化不粉化，不,黄变，不褪色疏水性很好耐水性96 H无异常涂层耐温变性（5次循环）无异常T a b4 t e sting resulti t em ste s ti n g resultwater u p t ake (w 2 4-value)0.01 kg /m2h 0.5wate r v apour pe r me a bili t y (sd-value):0 . 37 ma dhe s io n (3. 4 N/mmscrub re s is tan ce(tim e )>1 0 00 0a r t i f i

16、cial a geingl.0 0 0h, QUVno chalking , n o y e llow i n gwat e r r e pellencygoo dwater resistance96H passF i lm t e mper a ture cha n g e r esistance,5 cycl e sOK1.2 透明底漆清水混凝土的寿命希望达到20年以上，在此期间不需要维护保养，所以对底漆也提出了很高的要求。要求底漆具有防水性、透气性、耐久性、加固底材，能增强与面漆的附着力，同时希望该产品是环保的、使用方便的和高效的。 这里选用了一种水性的膏体状的小分子硅烷，完全符合了上述

17、要求2。这种水性膏体底漆的主要成份是烷基三乙氧基硅烷。它被喷涂到混凝土表面后，会渗透到混凝土的内部，并与湿气反应，脱去乙醇，形成三维交联的有机硅树脂网络，化学锚固在混凝土上 形成一层防水层。防水层的厚度与涂布量底材的密实度有关，防水层的厚度从2毫米到6毫米不等。因为其形态是膏体，所以其厚涂不流挂，固化后完全吸附到混凝土内部，不改变混凝土的外观，不影响混凝土的透气性，因为它不堵塞毛细孔，同时其与硅树脂面漆发 生交联反应，使之有机地成为一体。表5底漆涂布量与渗透深度试样类另硅烷用量渗透7泵度mm 染色法每次用量g/m2涂覆次数共计用量g/ m2膏体硅烷100共两次2002.6膏体硅烷150共两次3

18、 0 03 .5膏体硅烷20 0共两次4 0 04. 5Tab. 5 prim 6 r co verage rate and Penet r atio n de p t hPenetra t io n d e pt h , mmcoverage rat eg/mi2p ai n t i n g ,t i m eg /m2cr e am sil a ne100220 02.6cream si 1 ane1 5023 003.5cre a m sil a n e200240 04.5表5显示，膏体硅烷的用量越大，渗透的深度越深，防护时间越久。表6底漆涂布量与氯离子吸收量试样类别硅烷用量氯离子吸收量

19、降低效果每次用量涂覆次数氯离子平均值降低效果g /m 2g/ m2%空白/0. 1806/膏体硅烷10 0共两次2 000.017490膏体硅烷1 50共两次3000. 014892膏体硅烷200共两次4000.01339 3Tab. 6 coverage r ate and abso rption of c h lo r i n e ionc h lor i n e ion d ecrease r atec ov e rage rat epainting timedos agech l o r i ne ion contentdec r ease rate,9g/mg /m2%no n e/

20、0 .1 8 06/cream sila n e100two2000 .017490cream s i 1 ane150tw 03000.0 1 4892cream s i 1 an e200two40 00. 0 1 3 393将底漆固化好的混凝土试块浸入5mol/L的氯化钠溶液中4 8小时,取出，吸干水份，将混凝土研磨粉碎后，测定其中的氯离子含量。用硅烷处理后的混凝土氯离子吸收量比未处理 的混凝土氯离子吸收量降低了 9 0%,所以用此底漆处理后的混凝土可有效地防止泛碱的发生。防止了有害盐份对钢筋的腐蚀。表7底漆涂布量与吸水率试样类别硅烷用量吸水率/降低比例每次用量涂覆次数吸水率降低比例g/

21、m2g/m 2mm/min 0.5%（对比空白）空白/0.08500膏体硅烷100共两次2 0 00 . 0 04595膏体硅烷150共两次30 00.003096膏体硅烷2 00共两次4000 . 0 0 3196T a b .7 cov e r a g e rat e an d wat e r a b s o rptiondosagewater a b so r ption/ d ecre a s e ratec o ve r age ra t epai n tin g tim ed o s a gewat e r a b s o rp t io ndecrease r at eg/m2g

22、/m 2mm/m i n0. 5%(n one)none/0 . 0 85 00c r eam s i ane100two2000.0 0 4595cream sla n e150two3000 . 0 0 3096cream s i lane2 0 0t wo4 000.00319 6从表7的数据可以看出：使用膏体硅烷涂布后混凝土具有很低的吸水率，其吸水率比未 使用膏体硅烷处理的混凝土（空白）的吸水率降低9 5 %以上。表7显示膏体硅烷涂布量在20 0至400g/m2时，各试样吸水率值都达到国标JTJ 27 5 -200。海港工程混凝土规定的不大于0. 0 1mm/n in”的要求。3 结果

23、与讨论3.1 防水性因为混凝土属于多孔性的无机材料，在未经保护处理前，这些材料很容易吸收水份，吸水 之后就会导致混凝土的碳化，钢筋锈蚀，体积膨胀而开裂，以及泛碱风化等，最终混凝土破坏失 去使用功能。所以防水性是清水混凝土涂料极重要的指标。欧洲标准EN10 6 2 -1:2002色漆和清漆 抹灰层和混凝土基面上的外用涂料和涂料系 统分类-1，根据涂料的吸水率分为四类，其中低吸水性涂料要求吸水率WW0.1 kg/m2h0.1 3 。硅树脂透明涂料的吸水率是0 .01 kg/ m/°.5,达到E N1062- 1中最低吸水率要求。3 . 2透气性透气性也是混凝土用涂料的一个重要的指标。在I

24、SO 77 8 3 2: 1 99 9色漆和清漆 抹灰层和混凝土基面上的外用涂料和涂料系统分类一2透气的测定和分类中有明确的规定。它是用相对静止空气层厚度Sd值来表征涂料的透气性，Sd值越小，表示涂料的透气性越好。Sd值小于0. 1 4米,属于高透气性涂料；S d值在0. 1 4至1.4之间，属于中等透 气性涂料;Sd值大于1.4属于低透气性涂料4。如果外墙涂料的透气性不好，混凝土内水汽散发不出，容易导致涂料的鼓泡、开裂和脱 落而失去保护功能。国外研究显示混凝土内水汽散发不出,S d值过大，会导致钢筋的锈蚀加剧，钢筋锈蚀导致导致体积增大，结果混凝土就会开裂5。硅树脂清水混凝土涂料的实测值Sd是

25、0. 37米，属于中高透气性涂料。但在日本的清水混凝土涂料的说明书中没有透气性这项指标，而且其一般都是有光涂料其透气性相对要差。4施工与应用该涂料不仅适用于新的混凝土建筑，如房屋、桥梁，而且适用于粘土砖和石材类建筑, 以及古建筑的维修。目前在欧洲的一些古建筑的维修主要采用该涂料。对于新的混凝土建筑，其施工工序主要包括：底材清理清洗修补平整，涂底漆，涂面漆。对于旧建筑的涂装，则根据具体情况进行分析，确定施工方案。包括：铲除粉化层，防霉杀菌处理，清净，防潮处理，修补平整，再涂底漆，涂面漆。对于重要的文物古迹，要尽量保持原有风貌，对于粉化疏松层可进行加固处理，不是简单的铲除清理。然后再进行涂装，使用硅树脂透明涂料可做到修旧如旧，历史的痕迹得到了保留，延长了文物古迹的寿命。5结论硅树脂透明涂料经检测证明具有突出的耐久性，优异的防水性和透气性。不仅适用于新的混凝土建筑，保持混凝土的本色，而且适用于粘土砖和石材类建筑，还可用于古建筑的维 修，做到修旧如旧。参考文献1瓦克化学公司产品说明纯硅树脂外墙涂料和装饰砂浆2瓦克化学公司产品说明SILRES? BS膏料一一混凝土的创新保护3 EN 1 0