建筑構件連接處防水密封膏的研制

趙長才，陳曉龍，王勇

（蘇州市建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 蘇州 215129）

0 前言

建筑物滲漏是較為突出的建筑質(zhì)量通病，細部節(jié)點構造做法不當是造成建筑滲漏的主要原因之一[1]。細部節(jié)點構造復雜，并且材料種類眾多，如水泥、鋁材、塑料及玻璃等構件。實際施工選材中，多采用普通防水涂料、油膏等密封材料處理，這類材料粘結性或其他物理性能本身較弱，如密封處理不好，短期表現(xiàn)為泡水溶脹、縮裂，長期表現(xiàn)為與粘結面脫殼、翹邊、脆裂等，即便選用了高檔的密封膏/膠（如硅酮、聚硫、聚氨酯等），有時節(jié)點也會滲漏，究其原因，除與密封材料本身成分有關外，還與密封材料與接縫基材的相容性有關[2]，若所選密封膏與基層材質(zhì)兩面或一面相容性差，則長時間后界面容易剝離，形成滲水、漏水通道。

2016年首次發(fā)布并實施的JG/T 501—2016《建筑構件連接處防水密封膏》，充分考慮了建筑構件連接處材料的多樣性、復雜性，有針對性地進行了技術參數(shù)的設定，確保產(chǎn)品對建筑構件連接處各類材質(zhì)能有效、長久地密封防水。作為一類新型的有別于硅酮、聚硫、聚氨酯等建筑密封材料，要求材料粘結性能全面，并且具有同步固化粘結性能。

根據(jù)標準要求，從改性瀝青乳化及防水密封膏配制2個步驟入手，通過調(diào)整工藝和多種成分的添加，研制了性能優(yōu)異的建筑構件連接處防水密封膏（以下簡稱防水密封膏）。

1 試驗

1.1 主要原材料

石油瀝青：AH-90#石油瀝青，中海瀝青（泰州）有限公司，基本性能指標如表1所示；非硫化橡膠（生膠）：天然橡膠、丁苯橡膠，工業(yè)級；熱塑性丁苯橡膠SBS：工業(yè)級，市售；相容劑：高級脂肪酸，化學試劑；增黏劑：低分子質(zhì)量萜烯樹脂，江西麻山化工有限公司；乳化劑：失水山梨醇脂肪酸酯（HLB=2.0～8.8）、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯（HLB=11～16），化學試劑；穩(wěn)定劑：有機醇胺化合物，化學試劑；憎水劑：甲基硅酸鹽，工業(yè)級；增稠劑：聚氨酯增稠流平劑，工業(yè)級。

表1 90#石油瀝青的主要性能

1.2 性能測試方法

防水密封膏的性能按JG/T 501—2016《建筑構件連接處防水密封膏》進行測試。

1.3 制備方法

1.3.1 改性瀝青乳化

將90#石油瀝青、非硫化橡膠、SBS、相容劑、增黏劑加入反應釜A中（記為A料），加熱至160～180℃，攪拌熔解，2 h后通過膠體磨研磨分散，玻璃棒蘸料觀察，料均一無顆粒表明熔解完成；在另一反應釜B中加入水、乳化劑、穩(wěn)定劑，加熱至90℃左右，攪拌均勻，制成乳化組分（記為B料）。

開啟乳化釜（轉(zhuǎn)速3000 r/min以上），將A料和B料同時輸送到乳化釜，對改性瀝青進行乳化，制得固含量為50%～60%的改性乳化瀝青。

1.3.2 防水密封膏配制

將改性乳化瀝青冷卻到室溫，加入攪拌釜，開啟攪拌，分別加入憎水劑、方解石粉、增稠劑，攪拌均勻，即得到防水密封膏。

2 試驗結果與分析

2.1 改性瀝青乳化

2.1.1 石油瀝青的選擇

本研制的防水密封膏是以石油瀝青為基質(zhì)的防水材料，石油瀝青占比大，對密封膏性能有重要影響。石油瀝青成分復雜，劃分方法有多種，雷西西納法將石油瀝青劃分為油質(zhì)、樹脂質(zhì)和瀝青質(zhì)3個組分，各組分的特征如表2所示[3]。油質(zhì)由低分子直鏈烷烴組成，呈液態(tài)油狀；瀝青質(zhì)由難熔性的固體狀高分子化合物組成，基本無黏性；樹脂質(zhì)由中低分子質(zhì)量樹脂材料組成，常溫呈液態(tài)或半固態(tài)黏稠狀。石油瀝青以針入度作標號依據(jù)分若干種，如 10#、30#、70#、90#、100#，標號越低，說明其中瀝青質(zhì)占比越高，反之，油質(zhì)和樹脂質(zhì)占比越高，油質(zhì)高有利于界面的浸潤，樹脂質(zhì)高有利于界面的粘結，因此，防水密封膏應選標號相對較高的石油瀝青，如70#～100#等。

表2 石油瀝青組成與特征

2.1.2 橡膠的選擇

由JG/T501—2016可知，防水密封膏低溫柔性要求-10℃以下，70#～100#石油瀝青0℃便無柔韌性，因此需要添加高分子材料改性。改性瀝青使用的橡膠一般為熱塑性線性丁苯橡膠（SBS），其市售常見牌號有SBS1301（YH-791）、SBS1401（YH-792）等，其物理性能[4]如表3所示。

表3 熱塑性丁苯橡膠的物理性能

由表3可知，SBS橡膠拉伸強度高，內(nèi)聚力大。試驗表明，即便開始將SBS均勻熱熔于石油瀝青中，若SBS添加量超過5%，則乳化瀝青粗糙，不細膩；若添加量超過8%，則乳化難以進行，乳化瀝青呈絮狀、團狀，其次，干燥后的改性乳化瀝青內(nèi)聚力大，粘結性弱。綜合考慮，完全以熱塑性丁苯橡膠（SBS）改性瀝青不妥。

試驗中選用了非硫化橡膠（生膠），物理性能[5]如表4。

表4 非硫化橡膠的物理性能

表4表明，非硫化橡膠的拉伸強度小，通過研磨工藝呈糊狀均勻地分散在瀝青中，容易乳化，即便添加量達到8%，也能乳化，但是添加量達到10%后，乳化困難。非硫化橡膠的伸長率高，由此改性的乳化瀝青和防水密封膏的延伸性能優(yōu)異，黏性也好，這對建筑構件連接處容易形變的縫隙密封有利。但是，內(nèi)聚力較小的非硫化橡膠對防水密封膏粘結強度不利（標準要求大于0.5 MPa），因此，對瀝青的改性需要以非硫化橡膠為主，適量添加SBS復合改性才能達到較好的效果。

2.1.3 乳化

瀝青乳化基本分為陽離子型、陰離子型、非離子型3大類，分散均勻、粒徑細小而穩(wěn)定是理想乳化瀝青的前提條件。就本研究而言，還要求乳化瀝青的固含量高，達到60%左右，以滿足制取固含量大于70%的防水密封膏的需要。與一般純?yōu)r青乳化不同，本瀝青中添加了一定比例的橡膠，增大了瀝青的黏度，乳化相對困難。瀝青的乳化可結合斯托克斯公式（1）進行解讀：

式中：v——膠團沉降（上?。┧俣?；g——重力加速度；△ρ——瀝青與水的密度差；r——乳化瀝青膠團的半徑；η——乳化劑溶液的黏度。

由式（1）可知，膠團沉降（上?。┧俣葀與瀝青和水的密度差△ρ成正比，所選70#～100#石油瀝青樹脂質(zhì)的比重接近水，△ρ小利于穩(wěn)定，而瀝青質(zhì)、油質(zhì)與水的△ρ大，其次，橡膠的比重也小于水，對乳化瀝青體系穩(wěn)定性不利；乳化瀝青膠團半徑r可通過乳化劑選擇及攪拌、加熱等工藝控制，顯然，過量的乳化劑利于減小膠團的半徑，但是會導致乳化瀝青耐水性變差；增加體系黏度有利于乳化瀝青的穩(wěn)定，本乳化研究中，由A料中的高級脂肪酸和B料中的有機醇胺生成了脂肪酸胺鹽，除乳化作用外，還起到增黏、增稠作用，以穩(wěn)定乳化瀝青。最后得到的復合橡膠改性乳化瀝青的性能見表5。

表5 改性乳化瀝青的性能

復合橡膠（非硫化橡膠和SBS）添加量直接影響乳化瀝青乃至防水密封膏的高低溫性能、延伸率、粘結性能等，所以有必要對此加以考察。復合橡膠添加量對改性乳化瀝青延伸率、玻璃粘結力及高低溫性能的影響見表6。

由表6可見：

（1）復合橡膠添加量對乳化瀝青的延伸率影響很明顯，當添加量從4%增加到8%時，延伸率從約800%增加到1800%，而對于某一具體添加量，在非硫化橡膠與SBS比例變動的情況下，延伸率變化甚小，說明非硫化橡膠與SBS在瀝青中的分布相似，其次，也因兩者本身的延伸率接近。

（2）復合橡膠的添加量對粘結性能影響明顯。當添加量為4%時，與玻璃粘結強度約0.3 MPa；而添加量為8%時，與玻璃粘結強度達到約0.7 MPa左右，說明橡膠的添加極大地提高了乳化瀝青的內(nèi)聚力。其次，在某一添加量下，當SBS比例增大后，拉伸強度提高，主要源于SBS本身的拉伸強度遠大于非硫化橡膠本身的拉伸強度。

表6 復合橡膠摻量對乳化瀝青性能的影響

（3）隨復合橡膠添加量的增加，乳化瀝青的低溫柔性越來越優(yōu)異，耐熱性能越來越高。在某一定添加量下，低溫柔性基本不變，說明非硫化橡膠與SBS改性的效果相當，耐熱性隨SBS比例的增大而提高，體現(xiàn)出SBS內(nèi)聚力遠遠大于非硫化橡膠的特點。這些變化規(guī)律對下一步配制防水密封膏有指導意義。

由表6并結合JG/T 501—2016標準要求，復合橡膠的添加量必須大于6%，否則，粘結強度、高低溫等指標與標準要求相差甚遠，配制防水密封膏有難度。

2.2 防水密封膏配制

根據(jù)JG/T 501—2016標準，防水密封膏高溫要求80℃以上，低溫Ⅰ型為-10℃、Ⅱ型為-20℃，還有其他諸多指標要求。由2.1.3節(jié)可知，僅僅靠2.1節(jié)改性乳化瀝青還不能完全符合標準要求，為此試驗中還添加了超細方解石粉、憎水劑、增稠劑等成分。

2.2.1 超細方解石粉對防水密封膏性能的影響

無機親水性材料對提高防水密封膏的高溫、固含量、性價比等有利，但同時也降低了密封膏的耐水性。對于成分不同的改性乳化瀝青，添加相同的超細方解石粉時密封膏的吸水率會不同，試驗中對此作過比較。采用改性乳化瀝青（復合橡膠添加量為6%，非硫化橡膠與SBS質(zhì)量比3∶3）配制的防水密封膏的吸水率隨超細方解石粉添加量變化見圖1。

由圖1可見，當未添加超細方解石粉時，防水密封膏的吸水率僅為0.5%，耐水性優(yōu)異；隨著超細方解石粉添加量的增大，吸水率迅速增大，當超細方解石粉添加量為40%時，吸水率上升到9.2%，說明密封膏的耐水性變差，粘結性能降低，宏觀上表現(xiàn)為密封膏遇水后色變明顯（黑色變成棕色），起鼓，界面脫落等。究其原因為包裹與被包裹的關系。當超細方解石粉添加量較少時，密封膏中憎水性的瀝青為連續(xù)相，包裹著石粉，避免石粉吸水；隨著石粉添加量的增加，石粉慢慢地變成連續(xù)相，當瀝青不能完全包裹石粉時，石粉吸水，吸水率迅速增大。因此，為保證密封膏的性能，石粉的添加量應在15%～25%較合理。

圖1 超細方解石粉添加量對密封膏吸水率的影響

為提高密封膏的耐水性，試驗中還添加了甲基硅酸鹽憎水劑，這樣密封膏干燥后表面具有憎水性，進一步提高了產(chǎn)品的性能。

2.2.2 防水密封膏配方確定

根據(jù)以上分析，確定合適的改性乳化瀝青、超細方解石粉等成分，通過第1.3.2節(jié)工藝制成了防水密封膏，其配方見表7。

表7 防水密封膏的配方

3 防水密封膏的性能

3.1 粘結性能

針對表7確定的配方，測試密封膏性能，其中粘結強度的測試結果見圖2～圖7。

圖2 防水密封膏與玻璃粘結效果

圖3 防水密封膏與塑料粘結效果

圖4 防水密封膏與干燥砂漿粘結效果

圖5 防水密封膏與鋁板粘結效果

圖6 與水泥砂漿同步固化粘結效果

圖7 與水泥素漿同步粘結效果

由圖2～圖7可見，防水密封膏與玻璃、塑料、鋁板、砂漿等各類界面粘結良好，其優(yōu)異的粘結力甚至拉裂了砂漿塊（見圖2～圖5）。圖6、圖7分別是密封膏與水泥砂漿、水泥素漿同步粘結測試，均為100%內(nèi)部破壞，砂漿塊表層局部砂漿被密封膏粘起。

3.2 防水密封膏綜合測試結果

根據(jù)JG/T 501—2016，系統(tǒng)地測試了防水密封膏的性能，結果見表8。

表8 防水密封膏綜合性能測試結果

4 結語

（1）本研究分2步制成了防水密封膏。首先將非硫化橡膠、熱塑性丁苯橡膠等改性的石油瀝青乳化，然后在乳化瀝青中添加方解石粉等多種成分制得了防水密封膏。

（2）通過分析對比，確定采用70#～100#石油瀝青作為防水密封膏的基質(zhì)材料。從乳化瀝青效果、防水密封膏性能指標等分析，確定宜選用非硫化橡膠和熱塑性丁苯橡膠共同改性瀝青，并且橡膠的添加量為6%～10%較合適。超細方解石粉對防水密封膏吸水性有影響，其合適摻量為15%～25%。

（3）防水密封膏與水泥砂漿、玻璃、塑料、鋁板等多種材質(zhì)粘結牢固，同步固化粘結強度大于0.5 MPa，綜合性能達到或優(yōu)于JG/T501—2016標準要求。