新一代PMC聚合物水泥防水材料的研究

1、低聚灰比、高弹性、高耐水、抗老化、绿色环保新一代PMC聚合物水泥防水材料的研究中国建筑材料科学研究院 提要近年来，聚合物水泥防水涂料以其良好的技术性能、可湿作业、绿色环保等特长，得到了迅猛发展。但也应看到，目前市售的很多产品（姑且不谈假冒伪劣）还存在着耐水性和耐候性方面的不足。本文初步分析了存在这些问题的原因,提出了改进的技术措施，并阐述了最新研制的 PMC (Polymer modified cementitious waterproofing material )弹性聚合物水泥防水材料的性能，对其固化机理进行了初步探讨。新一代PMC具有以下特点：1.聚合物用量少，聚 灰比聚灰比:聚合物干量

2、与水泥质量比；它与以下几个概念既有关联，又不相同，如聚粉比:聚合低(约0. 3-0. 7,液粉比10:15 )，弹牲大(断裂延伸率 200%),成本低，改性效率高；2、 高耐水，吸水率低、泡水不肺胀，浸水后强度保持率高;3、抗紫外线照射、耐候性、耐老化性能优越（老化500小时，强度、延伸率保留率90%）一 .前言聚合物水泥防水涂料（以下简称JS)是以水性聚合物分散体和水泥为主的双 组分防水涂料，两组分在现场搅拌成均匀、细腻浆料，涂刷或喷涂于基体表面， 固化后可形成柔韧、高强的防水涂膜。这种涂料既有水泥类胶凝材料强度高、易 与潮湿基面粘结，又兼有聚合物涂膜弹性大、防水性好的优点，尤其是以水作为

3、载体，克服了沥青、焦油、有机溶剂型防水材料污染环境的弊端，是一种无毒无害、可湿作业、施工简便的新型绿色环倮防水材料。它不仅适用于各种防水工程， 还可用于修补工程、界面处理、混凝土防护、装饰、结构密封等。正因为如此， 这种材料自问世以来，即得到了迅猛发展和广泛应用。然而，试验研究和工程实践表明，目前市售的很多此类产品存在着以下不足:(1)聚灰比大（即聚合物用量大)、而弹性并不高，目前市售的JS通常液粉比 10： 7(聚灰比=1-2 ),延神率仅150-250%r ( 2 )耐水性差,吸水率大，泡水肿胀，长期浸水后明显软化、强度下降；（3)抗紫外线能力不强、耐候性差，一些产品在 屋面暴露两三年后明

4、显发硬、延伸率下降。据文（8）介绍:目前国内普遍生产和使用的JS聚合物水泥涂料高聚粉比产品（液粉比10: 7,延伸率150% )，耐水指标大都不过关，因此，引起业内人士的一些误解，以为所有聚合物水泥类涂料都不适用于长期浸水工程部位。针对这种情况，我们进行了大量的试验研究工作，以期改进、完善它的性能，试验取得了较为理想的结果，进而研制出新一代PMC 弹性聚合物水泥防水涂料。二成因与对策(一）耐水性、耐候性不佳的原因1耐水性聚合物水泥防水涂料固化后形成的涂膜，在较干燥状态下,具有良好的弹性和强度；但很多涂膜在长斯浸水后，则出现吸水肿胀、强度下降现象（见图2)，何以如此呢？这就需要从材料的组成来分析

5、。双组分聚合物水泥防水涂料 的液料由水性聚合物分散体、水、助剂等构成,粉料则由水泥、增强材料、填料、 外加剂等组成。聚合物分散体是由0. 05-5u m聚合物微粒悬浮在水中，聚合物微 粒是憎水的，由于乳化剂的存在，这种乳液悬浮体系才能保持稳定。正所谓成也萧何、败也萧何，涂料成膜固化后，再长期浸水,涂膜中残存的乳化剂遇水后慢慢发生亲合作用,从而造成溶胀、软化、强度下降。2耐候性目前市售的很多产品釆用VAE (乙烯-醋酸乙烯酯共聚乳液）或其它交联程度不高的聚合物，成膜后形成线型高分子结构,分子键能低，在受热或紫外线照射下,原子间或分子间化学键容易断裂，造成分子裂解，宏观性能表现为变硬、变脆、性能下

6、降,这就是一些产品耐候性不佳的主要原因。(二）.改进的技术措施通常情况下，水泥基材料（与聚合物相比）具有优良的耐水性和耐候性。聚合物水泥防水涂膜耐水性、耐候性的优劣，主要取决于聚合物的品种、改性方法、 聚灰比等因素。1聚舍物品种的选择篾其改性处理制备聚合物水泥勝水涂料的聚合物种类很多，常用的有乙烯-醋酸乙烯酯共聚 物（VAE)、丙烯酸酯共聚物、氯丁胶乳、丁苯肢乳、水性环氧和橡肢沥青等。因丙烯酸酯共聚物弹性好、其结构中存在着-COOR集团，通过交联改性，可使原有线形结构在成膜过程中形成立体网状交织结构，分子键能强，形成的大分子结构 不易降解，这样涂膜抗紫外线、耐高温的能力就强，同时也减低了水分子

7、进入高分子链间造成涂膜溶胀的程度。因此， 从提高涂膜性能的角度出发，我们选用丙烯酸酯共聚物并对其进行交联改性处理，从而大大提高了聚合物-水泥体系的耐水 性和耐候性。2.提高聚合物与水泥的化学键合聚合物水泥复合材料体系可分为两类:一种是非反应型的聚合物，如氯丁肢 乳、丁基胶乳、醋酸乙烯共聚乳液等，在复合材料结构中，聚合物成膜覆盖于水泥胶凝体表面或水泥水化物填充于聚合物网络之间,有机物和无机物仅为惰性地、 机械式地相互填充；另一种则是反应型的聚合物，有两种反应形式:一是聚合物 之间(或与硬化剤)的交联固化反应,从而形成大分子；另一种是聚合物活性基团与水泥水化产物之间发生了化学反应,形成以化学键结合

8、的界面结构，通过界面增强导致材料性能的提高。通过适当的改性工艺，可大大加强聚合物与水泥水化产物的化学结合。研究表明：改性丙烯酸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，且随着水化龄期的延长，水化程度越高,这种反应生成物的量就越大。含有一C00H等官能团的聚合物，能与水泥水化产物Ca2+发生作用，从而显著提高材料的强度和耐水性，所以国外将其称做反应型聚合物水泥基材料（RPMC)。RPMC是聚合物水泥复合材料的新成员，它是用活性聚合物、水泥、引发系统和集料制成的。与通常使用的聚合物乳液水泥材料不同之点在于，材料在结构形成过程中聚合物和水泥都起

9、到了活性（反应）作用，由于聚合物与水泥界面存在化学键和，大大强化了界面结合，使界面承载能力提高，从而提高了界面韧性和断裂能，造就了优良的物理力学性能。：3.降低聚灰比如前所述，水泥相对于聚合物来说具有优良的耐水性和耐候性。那么，降低聚合物用量、提高水泥用量，也就是说降低聚灰比,可以在一定程度上改善聚合物水泥防水涂膜的耐水性和耐候性。但问题是，降低聚灰比将会导致断裂延伸率的大幅度下降,而实际工程要求聚合物水泥涂料必须具备良好的弹塑性、延伸率，以适应建筑结构因沉降、位移、干缩、热胀冷缩等造成的变形。目前聚合物水泥类涂料产品，分为高弹和低弹两种类型。据文9介绍：高弹型的(断裂伸长率150% ) JS

10、 配比为液料：粉料=10: 7,聚灰比一般1，甚至超过2，这样高的聚合物用量，不但成本高，而且造成耐老化、耐水性等方面的缺陷；低弹型的（断裂伸长率 80% )，聚灰比在:0.6左右。那么，能不能在技术上有所突破,即在低聚灰比的情况下做出高弹性的产品呢？我们在试验研究中所用的丙烯酸酯共衆物本身是一种良好的弹塑性体，但在低聚灰比情况下，靠自身的固有性能，也达不到很高的延伸率，见表1试验结果第1、2组数据。建材行业标准JC/T894-2001 (以下简称国标)聚合物水泥防水涂料I型的断裂伸长率指标为 200%,而单纯使用聚合物(未经改性处理）的第 1组，断裂伸长率只有113%。为此,我们对聚合物进行

11、改性处理，降低高分子的结晶性,从而大幅度增加材料的延伸率，降低其硬度。表1 低聚灰比斌验结果编号液料组成液料：粉料 :水:标养7d|养 7d + .50 24h拉伸强度MPa断裂伸长率拉伸强度MPa断裂伸长率1未改性聚合物10： 15: 1.21.881202. 251132改性聚合物P10: 15： 1:21.753872. 97271注：标养条件为23 2C,相对湿度45-70%由表可见，由于改性处理，即使是很低的液粉比（10: 15 )、聚灰比(0. 35- 0.7)下，涂膜仍具有很高的弹性，第2组室温养护7天断裂伸长率超过400%，按国标的试验方法标养7天+50烘干24h则达到了325

12、%。从聚合物液料:粉料=10: 15很容易算出：液粉比0.67、聚粉比0.33、聚灰 比0. 35-0. 7，聚合物占体系总量的20%,以水泥为主的无机物占80%;也就是说， PMC是以水泥为主的弹性防水材料（故俗称为弹性水泥)，在这样低的聚灰比下， 达到这样高的弹性，应当说这是技术上的重大进步。低聚灰比意味着低的聚合物 用量、高的水泥用量，这样，大量的水泥基材料就可以有效地屏蔽紫外线照射和 水分的入侵，从而大幅度提高涂膜的耐候性和耐水性。三. PMC材料的组成及其技术性能PMC聚合物水泥防水材料的液料是以高耐久水性聚合物分散体为主体、经过 特殊化学改性并附以多种助剂和水而成；粉料则由水泥、活

13、性和非活性填料、加剂等组成。通过大量的正交试验，我们确定了最佳的材料组成和工艺，其技术 性能如下：.1耐水性将聚合物水泥涂料按配比搅拌成浆料，分3-4层涂刷于平整的塑料板上，形 成1.5平方毫米厚的涂膜，经7天标准养护，测定其强度和延伸率，然后将涂膜浸泡在水中，测定其吸水率和湿膜强度，试验结果列于表2、图1-7。表2 耐水性试验结果产品名称液料：粉 料：水24h吸水率7d吸水 率，7d干膜干空7d+浸水7d湿膜强度MPa延伸率，强度/ %延伸率/%A厂*JS聚合水泥涂料10： 7: 19.0311.191.902561. 05/55482/188B厂* JS聚合 物水泥涂料10: 7: 18.

14、6010.15 2.131960.75/35420/214新一代PMC 象合杨氽泥 防水涂料10: 15： 11.954.472.034022.03/100397/99注：本文提及的JS聚合物水泥防水涂料并用其进行了相关的对比试验，纯系科研工作之需要，对有关厂家 的产品绝无诋毁之意，真诚希望各位专家将pmc与相关产品进行对比试验，敬候指正，以期共同促进防水行业的发展。与市售的JS聚合物水泥防水涂料相比,PMC的吸水率大幅度降低：JS涂膜 24h吸水率A厂9. 03%、B厂8. 60%,而PMC仅为1. 95%; JS涂料7d吸水率A厂11. 19%、 B厂10. 15%，而PMC仅为4. 47

15、%。浸水7d后,JS明显软化(特征是强度降低/延 伸率显著加大),湿膜强度保留率仅为35-55%;而PMC浸水7d强度和延伸率几乎 不变，强度保留率100%，延伸率保留率99%。另外，从浸水后涂膜外观来看，JS 明显肿胀、泛白，而PMC没有变化、外观保持如初。显然，新一代PMC聚合物水泥防水涂料的耐水性大大优于目前市售的JS。2不同粉液比PMC的强度和延伸率对于PMC聚合物水泥防水材料，当液粉比达到10: 15以后，随着粉料的进一步增加，强度开始下降，这是由于细粉料比表面积加大，聚 合物不能有效地包裹水泥粉料所致。综合技术和经济两方面的因素，PMC的最佳液粉比为10: 15，在这一比例下，标准

16、养护7天，强度2.03mPa，断裂延伸率 402%;按国标检测(标养7天+50C24小时）,强度2.96MPa,断裂延伸率307%, 综合性能明显优于目前市售的一些JS聚合物水泥防水涂料产品，结果见表3。表3 不同粉液比PMC的强度和延伸率种类液料：粉料 : 水标养7 d标养 7d + 50C24h强度，MPa延伸率，%强度，MPa延伸率，A 厂_JS10:7:11.762562.8989207B厂JS 10:7:12.13 200/新一代 PMC弹 性聚合 物水泥10: 10: 0. 21. 727011.9554510: 12. 5: 0. 51. 815672.4941710:15:1:

17、 2. 034022.9630710: 20: 21, 981952.8916610: 25: 2. 51. 65160/10:30:31. 551122.09853.耐候性、耐碱性、耐私性及其它性能经国家建材测试中心检测，新一代PMC具有极佳的抗紫外能力，老化500小时， 强度、延伸率保留率90%.(囯标要求：老化250小时，强度、延伸率保留80%）。同时，它还具有良好的耐碱性、耐热性及其它性能，试验结果见下表4。序号试验项目JC/T894-2 001指标测试结果结论1固体含量， %6578符合2干燥表干时间，h 43h20min符合时间实干时间，h87hl0min符合3拉无处理，MPa1.

18、22. 96符合伸加热处理后保持率 %80109强碱处理后保持率，80102度一紫外线处理25Oh后保持,%8094紫外线处理500h后保持率,/924无处理， %200301符合断裂加热处理，%150292伸长碱处理， 150285率紫外线处理250h，%150289 (保留率96%)留)99696%96%)紫外线处理500h，%/275 (保留率91%)5低温柔性，C10mm棒，-10C无裂纹无裂纹符合6不透水性， 0. 3MPa, 30min不透水不透水符合7潮湿基面粘结强度，MPa0. 51.2符合四.PMC与其它防水材料的综合比较防水材种类综合比较沥青SBS改性沥青卷材聚氨酯防水材料

19、PMC ( I 型） 弹性聚和物水 泥防水材料拉伸强度1. 5Mpa 2. 5Mpa (加胎体)0. 73Mpa (无胎体）1.5-4.OMpa (无胎体）性能指断裂伸长率5-10%聚脂胎 30-50%，玻纤胎 2-3%200-600%200-1000% (可以调节）耐热性50-80C不流淌80-100*08GC不流淌120标耐氏温10-20C_10-30不裂不透水性0. IMpa,30m in本透水0. 2Mpa, 30min 不透水0. IMpa, 30min 不透水0. 5Mpa, 30min 不透水粘结力干燥基面0. 2-0. 4Mp0. 3-0. 8Mpa1. 0-2. OMpa润湿

20、状态差差差好空鼓情况易空鼓，若一处进水即造成防水失败粘结牢，不空鼓与水泥基面的相容性不好好施工方法加热熔化热熔法常温施工常温施工基面干燥程度要求基面必须干燥，由此会影响到工程进度干燥、润湿均可施工性连接处理筒单搭接及杂简单简单透气性不透气透气不透水水蒸气 脱汽方式要有脱汽装置,否则防水层空鼓脱落水蒸汽 可自然透过整体性较好有接缝无接缝，整体性好异形复杂部位施 工蝽矣程度可在异形复 杂部位施工难在异形复 杂部位施工可在任何异形复杂部位施工溶 剂沥青沥青笨、二曱苯等水环保环境危害污染环境污染环境污染环境绿色环保毒 性有毒有毒有 毒 无 毒修补漏水点查找常容鼓、与基面脱开，不易找到漏源 容 易修补方

21、法全面修补仅在漏点修补修补费用高低寿命耐老化性差中中高材秆正常使用年 限2-3年3-10 年10-20年五.固化机理在聚合物-水泥复合体系中，随着水泥水化的进行，水泥在涂层内部吸收聚合 物乳液中的水分，生成水化硅酸钙、钙矾石、氢氧化钙等产物,肢乳中的另一部分水分则挥发到大气中，脱水后聚合物颗粒逐步靠近，最终相互连结，在水泥水化产物周围和表面形成薄膜或网络，这种具有粘结性和弹塑性的聚合物柔韧网络， 将散凝系统中的水泥水化颗粒与粗细骨料咬合在一起生成柔韧、高强的有机-无机 复合材料。同时，改性丙烯酸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，且随着水化龄期的延长，水化程度越深，这种反应生成物量就越多，这样就形成了多点键合、相互交联的立体网络交织结构。由于聚合物与水泥存在化学键和，大大强化了界面结合，使界面承载能力提高，从而提高了复合材料的断裂能和韧性。基于这一物理化学原理，PMC 防水涂料既有水泥类无机材料强度高、耐水性、耐候性好的优点，又有高分子材料良好的弹性