周賀，韓光，王權(quán)雄，邸冰，郭藝璇

（1.東方雨虹民用建材有限責(zé)任公司，北京 101100；2.北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京 101100）

0 引 言

建筑物背水面滲漏問(wèn)題是長(zhǎng)久以來(lái)困擾建筑物防水維修的一項(xiàng)技術(shù)難題，滲漏部位一般有一定的水壓，普通防水材料粘結(jié)強(qiáng)度或耐久性不佳，難以長(zhǎng)時(shí)間抵御滲漏水的壓力[1]。需要維修的滲漏部位一般為室內(nèi)，例如地下室墻地面、樓房屋頂?shù)?，這些部位溫暖潮濕極易滋生霉菌，霉菌代謝產(chǎn)生的酸堿物質(zhì)對(duì)防水層也有一定的侵蝕作用，所以普通防水材料的耐久性一般無(wú)法滿(mǎn)足相關(guān)使用要求。

為克服建筑物背水面防水維修的技術(shù)難題，相關(guān)材料需要具備多種優(yōu)異的特性才能滿(mǎn)足施工應(yīng)用要求[2]。首先，材料對(duì)建筑物基層應(yīng)具有優(yōu)異的粘結(jié)性，且在長(zhǎng)期接觸水的情況下仍然能保持較高的粘結(jié)強(qiáng)度；其次，防水層應(yīng)具備優(yōu)異的抗?jié)B性，這是防水層實(shí)現(xiàn)背水面防水效果的基礎(chǔ)；然后，防水層應(yīng)具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，能夠長(zhǎng)時(shí)間抵御酸堿鹽的侵蝕；此外，由于施工部位含水情況的變化或?qū)е率┕せ鶎游⑿〗Y(jié)構(gòu)的變化，防水層應(yīng)具有一定的柔韌性和抗沖擊性；最后，該防水層上一般需要做進(jìn)一步施工處理（粘貼飾面磚、批刮膩?zhàn)?、貼墻紙等），材料應(yīng)滿(mǎn)足系統(tǒng)安全性要求[3]。目前用于混凝土的防水材料主要有瀝青防水卷材、高分子防水卷材、各種類(lèi)型的防水涂料、防水砂漿以及具有滲透性后修復(fù)功能的滲透結(jié)晶防水劑和有機(jī)硅防水劑等。這些材料中有剛性防水材料也有彈性防水材料，但用在背水面防水維修中，均有一定的缺陷，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間滿(mǎn)足使用要求。

水性環(huán)氧樹(shù)脂分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，環(huán)氧基團(tuán)可與多種類(lèi)型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高聚物，材料固化后具有極高的力學(xué)強(qiáng)度和極佳的化學(xué)穩(wěn)定性，可滿(mǎn)足前述分析中對(duì)背水面防水材料的性能要求[4-5]。通過(guò)特殊的配方設(shè)計(jì)，可將環(huán)氧材料制備成為可涂刷使用的背水面防水涂料，但水性環(huán)氧樹(shù)脂為脆性結(jié)構(gòu)，固化成型后與混凝土基層存在收縮率不一致的問(wèn)題，將影響材料的可靠性，故有必要對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行增韌處理。目前水性環(huán)氧樹(shù)脂材料的增韌方法有很多，包括化學(xué)改性增韌及添加增韌劑進(jìn)行物理增韌[6]，同樣作為防水材料常用原材料的苯丙乳液，因其具有高柔韌性，亦可用作水性環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合增韌材料。本文用苯丙乳液對(duì)水性環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性制備復(fù)合涂料，并對(duì)其性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

本研究使用的主要原材料如表1 所示，所有原材料均為工業(yè)級(jí)。

表1 實(shí)驗(yàn)用原材料

1.2 基板及主要儀器設(shè)備

懸臂式攪拌機(jī)：EUROSTAR40，德國(guó)IKA 公司；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：CMT4104，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司；混凝土板：C35，上海增司建筑材料有限公司；掃描電子顯微鏡：JSM-6510LV，日本電子株式會(huì)社。

1.3 涂料的基礎(chǔ)配方

苯丙乳液改性水性環(huán)氧復(fù)合涂料的基礎(chǔ)配方如表2 所示。

表2 苯丙乳液改性水性環(huán)氧復(fù)合涂料的基礎(chǔ)配方

1.4 試樣的制備

本文復(fù)合涂料為反應(yīng)型涂料，由于水性環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑一經(jīng)接觸即可發(fā)生反應(yīng)，所以材料制備過(guò)程中需要嚴(yán)格按照加料順序進(jìn)行，以免影響材料涂刷手感及性能。設(shè)定攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min，按基礎(chǔ)配方，將計(jì)量好的水、消泡劑、水性環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑投入攪拌缸內(nèi)攪拌均勻，再緩慢加入硫酸鋇快速攪拌至分散均勻，最后加入苯丙乳液攪拌均勻。每個(gè)樣品稱(chēng)量及制備時(shí)間不超過(guò)10 min，各組分混合均勻即可使用，試樣的制備參照J(rèn)C/T 2217—2014《環(huán)氧樹(shù)脂防水涂料》進(jìn)行。

1.5 試樣的測(cè)試

粘結(jié)強(qiáng)度及柔韌性測(cè)試：參照J(rèn)C/T 2217—2014 進(jìn)行。

吸水率測(cè)試：用1.5 mm 刮膜器制備涂膜，涂膜完全固化后（48 h）繼續(xù)于（23±2）℃、相對(duì)濕度50%下養(yǎng)護(hù)7 d，裁剪固定質(zhì)量m1樣品浸入水中，測(cè)試浸水后樣塊質(zhì)量m2，材料吸水率為[（m2-m1）/m1]×100%，浸水測(cè)試時(shí)間分別為1 h、2 h、18 h、1 d、2 d、3 d、7 d、14 d。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同Tg 苯丙乳液對(duì)復(fù)合涂料性能的影響

采用不同Tg苯丙乳液的復(fù)合涂料如表3 所示，5#樣品中不添加苯丙乳液（對(duì)照組）。

表3 采用不同Tg 苯丙乳液的復(fù)合涂料

2.1.1 不同Tg苯丙乳液對(duì)材料柔韌性的影響

由于水性環(huán)氧樹(shù)脂材料多為脆性材料，柔韌性及抗沖擊性較差，需要對(duì)其進(jìn)行增韌改性。苯丙乳液聚合通過(guò)調(diào)節(jié)單體添加量及聚合過(guò)程，可以獲得不同Tg的產(chǎn)物，其柔韌性一般隨著其Tg的降低而增大[7]，本文中用不同Tg苯丙乳液對(duì)環(huán)氧涂料進(jìn)行增韌，涂層干膜柔韌性測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

表4 不同Tg 苯丙乳液對(duì)涂層干膜柔韌性的影響

由表4 可見(jiàn)，5#樣品體系中不添加苯丙乳液，涂膜開(kāi)裂且開(kāi)裂狀況最嚴(yán)重；1#樣品體系采用Φ100 mm 圓棒進(jìn)行彎曲測(cè)試時(shí)涂層干膜有一定柔韌性，涂膜開(kāi)裂但開(kāi)裂程度弱于5#樣品。2#樣品體系中采用Φ100 mm 圓棒，涂膜開(kāi)裂，但開(kāi)裂狀況較輕，涂層干膜柔韌性進(jìn)一步增強(qiáng)。3#樣品體系中采用Φ100 mm 圓棒，涂膜無(wú)開(kāi)裂；采用Φ50 mm 圓棒，部分試樣無(wú)開(kāi)裂、少量試樣輕微開(kāi)裂，表明3#樣品涂層干膜柔韌性進(jìn)一步增強(qiáng)；4#樣品體系中采用Φ50 mm 圓棒，涂膜無(wú)開(kāi)裂，涂層柔韌性?xún)?yōu)異。綜上，本文水性環(huán)氧樹(shù)脂涂料中復(fù)合苯丙乳液可提高涂層干膜柔韌性，且苯丙乳液Tg值低于-10 ℃時(shí)（Φ50 mm），涂層干膜可基本達(dá)到JC/T 2217—2014 的柔韌性要求。

2.1.2 不同Tg苯丙乳液對(duì)材料吸水率的影響

一般苯丙乳液Tg值越低，合成該樹(shù)脂所用的苯乙烯單體越少、丙烯酸酯單體越多，苯丙乳液的親水性越強(qiáng)，涂層干膜的粘結(jié)強(qiáng)度亦受到影響[8]。不同Tg苯丙乳液對(duì)材料吸水率的影響如圖1 所示。

圖1 不同Tg 苯丙乳液對(duì)材料吸水率的影響

由圖1 可見(jiàn)，在本復(fù)合體系中不添加苯丙乳液，涂層干膜吸水率較低，僅為1.6%；體系中復(fù)合苯丙乳液后，涂層干膜吸水率均有明顯上升，且隨著苯丙乳液Tg值的降低而增大，4#樣品的14 d 吸水率最大可達(dá)到13.5%，表明苯丙乳液在復(fù)合涂層干膜中依然具有較強(qiáng)的吸水性，進(jìn)而可能影響其材料性能。

2.1.3 不同Tg苯丙乳液對(duì)材料粘結(jié)強(qiáng)度的影響

參照J(rèn)C/T 2217—2014 中粘結(jié)強(qiáng)度的制樣及測(cè)試方法，對(duì)各樣品進(jìn)行干基面、潮濕基面、浸水處理（168 h）、熱處理（100 ℃，168 h）的粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試，不同Tg苯丙乳液對(duì)材料粘結(jié)強(qiáng)度的影響如圖2 所示。

圖2 不同Tg 苯丙乳液對(duì)材料粘結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖2 及測(cè)試過(guò)程發(fā)現(xiàn)，1#、2#、3#樣品的斷裂方式均為混凝土板端斷裂，4#樣品的浸水處理粘結(jié)強(qiáng)度為2.45 MPa，粘結(jié)破壞為涂層與混凝土板間斷裂，結(jié)合4#樣品的干膜吸水率最大的情況，表明4#樣品涂層干膜吸水后基層粘結(jié)強(qiáng)度降低，這是由于干膜吸水后發(fā)生層間形變不一致導(dǎo)致的。

綜合考慮材料的柔韌性、吸水性及各種條件下的粘結(jié)強(qiáng)度，故選用Tg值為-10 ℃的苯丙乳液，此時(shí)材料具有良好的柔韌性，材料吸水率處于較低水平，能夠保證材料吸水后的粘結(jié)強(qiáng)度，這也能夠保證材料用于潮濕混凝土基層，后續(xù)討論中所用苯丙乳液Tg值均為-10 ℃。

2.2 苯丙乳液用量對(duì)復(fù)合涂料性能的影響

本文復(fù)合涂料的成膜物質(zhì)為水性環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑及苯丙乳液，保持配方中水性環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、硫酸鋇、自來(lái)水、消泡劑用量不變，調(diào)整苯丙乳液用量，并與純苯丙乳液涂料（11#）進(jìn)行對(duì)比，涂料的設(shè)計(jì)配比如表5 所示。

表5 不同苯丙乳液用量復(fù)合涂料的配比

11#樣品成膜物質(zhì)為純苯丙乳液，考慮到苯丙乳液固含量為50%，設(shè)計(jì)11#樣品中苯丙乳液70 份，則水分揮發(fā)成膜后，干膜中成膜物質(zhì)比例與5#樣品中一致，均為35 份。

2.2.1 苯丙乳液用量對(duì)復(fù)合涂料柔韌性的影響（見(jiàn)表6）

表6 不同苯丙乳液用量配比下涂層干膜柔韌性

由表6 可見(jiàn)，添加苯丙乳液能夠顯著提高水性環(huán)氧樹(shù)脂涂料干膜柔韌性，且隨著苯丙乳液用量的增加，復(fù)合涂層干膜柔韌性不斷提高。在苯丙乳液用量≤5 份時(shí)，涂層干膜表現(xiàn)為顯著的脆性；當(dāng)苯丙乳液用量為10 份時(shí)，涂層干膜柔韌性大幅度提高；隨著苯丙乳液用量的繼續(xù)增加，涂層干膜柔韌性顯著提高，但涂膜也由堅(jiān)硬顯著變軟。

2.2.2 苯丙乳液用量對(duì)復(fù)合涂料吸水率的影響（見(jiàn)圖3）

圖3 苯丙乳液用量對(duì)復(fù)合涂料吸水率的影響

由圖3 可見(jiàn)，5#樣品中不添加苯丙乳液，成膜物質(zhì)為水性環(huán)氧樹(shù)脂及固化劑，其干膜1 d 吸水率低至2%以下，且隨著時(shí)間延長(zhǎng)其吸水率變化較小，說(shuō)明用水性環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易吸水；11#樣品中不添加水性環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑，成膜物質(zhì)為苯丙乳液，其干膜遇水快速吸水，涂膜吸水溶脹現(xiàn)象肉眼可見(jiàn)，且隨著時(shí)間延長(zhǎng)其吸水率不斷大幅增大，14 d 吸水率可達(dá)78%；6#~10#樣品干膜均為水性環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑及苯丙乳液復(fù)合涂層，苯丙乳液具有較強(qiáng)吸水性，水性環(huán)氧樹(shù)脂能夠維持涂膜體相結(jié)構(gòu)，涂料干膜吸水率隨著復(fù)合涂料體系中苯丙乳液用量的增加而增大，表明添加苯丙乳液將導(dǎo)致涂層干膜吸水率增大。

8 個(gè)樣品的吸水率均隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，各樣品第1 d 吸水率增幅最大，后續(xù)增幅小于第1 d，表明該類(lèi)涂料干膜遇水早期即可快速吸水，后續(xù)吸水效率逐漸降低。當(dāng)苯丙乳液用量≤15 份時(shí)，涂料干膜3 d 吸水率即可達(dá)到平衡，后續(xù)不再增大，表明涂料干膜的體相結(jié)構(gòu)未再發(fā)生變化；而苯丙乳液用量≥20 份時(shí)，涂料干膜吸水率在3 d 后仍有較小幅度上升，這是因?yàn)樗原h(huán)氧樹(shù)脂在體系中起到了交聯(lián)作用。隨著苯丙乳液用量增加，水性環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)程度越低，材料的致密性越小，吸水率越大，涂料干膜的體相結(jié)構(gòu)也必然發(fā)生變化，這不利于材料作為防水涂層使用。

2.2.3 苯丙乳液用量對(duì)復(fù)合涂料粘結(jié)強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖4）

圖4 苯丙乳液用量對(duì)復(fù)合涂料粘結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖4 可見(jiàn)，在苯丙乳液用量≤15 份時(shí)，在干基面、潮濕基面、熱處理時(shí)，涂層干膜粘結(jié)強(qiáng)度較高，斷裂方式均為混凝土板端斷裂；當(dāng)苯丙乳液用量≥20 份時(shí)，涂層粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，混凝土板端斷裂也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉优c混凝土板的層間斷裂。涂層在浸水處理時(shí)粘結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較低，且隨著苯丙乳液用量的增加，浸水處理粘結(jié)強(qiáng)度下降幅度也逐漸增大。這主要是由于干膜中苯丙乳液比例越高，涂層吸水變形程度越大，粘結(jié)強(qiáng)度損失越大。所以，苯丙乳液復(fù)合水性環(huán)氧樹(shù)脂防水涂料設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注涂層吸水率與粘結(jié)強(qiáng)度的關(guān)系，涂層吸水率不宜過(guò)高。

2.2.4 浸水時(shí)間對(duì)不同苯丙乳液用量復(fù)合涂料粘結(jié)強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖5）

圖5 不同復(fù)合涂料的浸水時(shí)間與粘結(jié)強(qiáng)度的變化曲線(xiàn)

由圖5 可見(jiàn)，在不同浸水時(shí)間下，涂層粘結(jié)強(qiáng)度隨苯丙乳液用量增加而降低，與前述結(jié)論一致。此外，隨著浸水時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層粘結(jié)強(qiáng)度整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。綜合考慮吸水率、柔韌性和粘結(jié)強(qiáng)度，苯丙乳液的用量以15 份為最佳。

2.3 復(fù)合涂料固化物的微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析

如前文所述，苯丙乳液用量對(duì)復(fù)合涂層的柔韌性、吸水率、粘結(jié)強(qiáng)度均有明顯的規(guī)律性影響，而材料性能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[9]。為驗(yàn)證材料性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對(duì)5#樣品及10#樣品的干膜斷面進(jìn)行SEM（未噴金，斷面均為-30 ℃冷凍折斷）分析[10]。涂刷厚度為2 mm 的干膜，標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下養(yǎng)護(hù)7 d后再制樣測(cè)試，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 復(fù)合涂層干膜的斷面掃描電鏡照片

由圖6（a）可見(jiàn)，由于5#樣品的成膜物質(zhì)為水性環(huán)氧樹(shù)脂及固化劑，材料為脆性，斷面較為平整且密實(shí)，有明顯波紋片狀褶皺，呈河流狀斷面，在掃描電子作用下，斷面燒蝕狀況較輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。由圖6（b）可見(jiàn)，由于10#樣品成膜物質(zhì)為水性環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑及苯丙乳液，涂層斷面與5#樣品有明顯不同，10#樣品的斷面呈現(xiàn)均一性、不規(guī)則性，說(shuō)明水性環(huán)氧樹(shù)脂與苯丙乳液之間充分混合均勻，表明苯丙乳液與水性環(huán)氧樹(shù)脂有較好的相容性，擴(kuò)散均勻，致密均一。通過(guò)2 種樹(shù)脂材料復(fù)合，材料可實(shí)現(xiàn)由脆性向韌性的轉(zhuǎn)變，說(shuō)明苯丙乳液可以增韌水性環(huán)氧樹(shù)脂，降低純水性環(huán)氧樹(shù)脂的脆性，這與上述力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果一致。由于苯丙乳液吸水較強(qiáng)，復(fù)合后其吸水性也將影響水性環(huán)氧樹(shù)脂的交聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響材料物理力學(xué)性能。

3 結(jié) 論

（1）水性環(huán)氧樹(shù)脂涂料中添加苯丙乳液改性，可顯著提高復(fù)合涂層柔韌性，其中苯丙乳液Tg值越低，涂層柔韌性越強(qiáng)、吸水率越高、粘結(jié)強(qiáng)度越低，涂層浸水后由于吸水對(duì)涂層粘結(jié)性能有顯著影響，涂層粘結(jié)強(qiáng)度降低。

（2）采用Tg值為-10 ℃的苯丙乳液，隨著苯丙乳液用量增加，涂層柔韌性越強(qiáng)、吸水率越高、粘結(jié)強(qiáng)度越低。在標(biāo)準(zhǔn)混凝土板上，當(dāng)苯丙乳液用量＞15 份時(shí)，隨著苯丙乳液用量的增加，材料的粘結(jié)強(qiáng)度顯著降低；苯丙乳液用量≤15 份時(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試時(shí)均為從混凝土塊內(nèi)部斷裂。

（3）苯丙樹(shù)脂可以增韌水性環(huán)氧樹(shù)脂，降低水性環(huán)氧樹(shù)脂的脆性，苯丙樹(shù)脂與水性環(huán)氧樹(shù)脂有較好的相容性，致密均一，但是苯丙乳液加入后水性環(huán)氧樹(shù)脂的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)也將受到明顯影響，導(dǎo)致材料吸水率增大、粘結(jié)強(qiáng)度降低。