瓷磚粘結(jié)體系中聚合物水泥防水涂膜的性能研究

黃雨辰，張永明

（同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

0 引言

聚合物水泥防水涂料是以聚合物乳液和水泥為主要成分的雙組份防水涂料，目前被廣泛應(yīng)用在屋面、地下建筑、室內(nèi)廚浴間等各類防水場(chǎng)所[1-3]。但是根據(jù)工程情況反應(yīng)，當(dāng)該防水涂料應(yīng)用于瓷磚粘結(jié)體系中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)掉磚及滲漏水現(xiàn)象。因此，如何對(duì)瓷磚粘結(jié)體系中防水涂膜層的性能進(jìn)行有效檢測(cè)及改善顯得尤為重要。

Zhao等[4]通過檢測(cè)防水涂膜的橋接裂縫能力（Crack Bridging Ability，CBA）表征防水涂膜承受基層裂紋擴(kuò)散而不被拉伸破壞的能力，這對(duì)防水涂料的抗基層開裂能力和乳液內(nèi)聚力有一定的要求。而在實(shí)際工況中，防水膜材料性質(zhì)本身會(huì)隨著時(shí)間及環(huán)境的變化而發(fā)生改變，直觀上看會(huì)出現(xiàn)不平整、褶皺及破裂的狀況，這也是涂層材料CBA能力的直觀體現(xiàn)[5]。Delucchi等[6]的研究表明，在進(jìn)行橋接裂縫的單向拉伸時(shí)分為4個(gè)階段，在第Ⅳ階段，涂層材料被拉伸直至完全破壞，應(yīng)力迅速下降。應(yīng)力發(fā)生迅速下降的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的拉伸長(zhǎng)度就是材料的橋接裂縫能力，對(duì)于不同的聚合物乳液類型，CBA值也有著顯著差異。而對(duì)于防水涂膜的粘結(jié)性能，不同于傳統(tǒng)的直接拉拔，其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的樣品按照整個(gè)防水-貼磚系統(tǒng)來測(cè)試[7]，這樣更接近實(shí)際工程應(yīng)用情況。

本課題將通過采用專門的試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)優(yōu)化用于瓷磚粘結(jié)層下的防水涂膜的最佳配比，研究其橋接裂縫能力及拉伸粘結(jié)強(qiáng)度的規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

苯丙乳液（SA）：BASF7551，丁苯乳液（SB）：BASF7528，巴斯夫公司；醋酸乙烯-乙烯共聚乳液：VAE1，Clelanese1318，VAE2，Clelanese1386，塞拉尼斯公司；水泥：P·O42.5，太倉(cāng)海螺水泥有限責(zé)任公司；消泡劑：NXZ，深圳吉田化工有限公司；殺菌劑：卡松，市售；?；u：吸水率<0.5%，市售；重質(zhì)碳酸鈣：400目，市售；石英砂：100目，市售。

1.2 試樣制備

將按表1配比制得的聚合物水泥防水涂料涂刷在200 mm×400 mm標(biāo)準(zhǔn)混凝土板上，將涂刷好的試樣在環(huán)境溫度（23±2）℃、相對(duì)濕度（50±5）%的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)24 h；用直邊抹刀在養(yǎng)護(hù)好的防水涂膜上涂抹一層瓷磚粘結(jié)劑，并用齒形抹刀梳理成6 mm×6 mm（中心距12 mm）的齒形刻痕，粘貼上?；u，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，得到瓷磚體系拉伸粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試樣品。采用內(nèi)部尺寸為60 mm×30 mm的模板，在橋接裂縫基準(zhǔn)試件的中部涂抹防水涂膜，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，得到橋接裂縫測(cè)試試件。

表1 聚合物水泥防水涂膜的實(shí)驗(yàn)配方

1.3 測(cè)試方法

按照J(rèn)C/T 2415—2017《用于陶瓷磚粘結(jié)層下的防水涂膜》測(cè)試瓷磚粘結(jié)體系中防水涂膜的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和橋接裂縫能力；按照GB/T 23445—2009《聚合物水泥防水涂料》測(cè)試防水涂膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和粘結(jié)強(qiáng)度；采用德國(guó)ZEISS公司的掃描電子顯微鏡（SEM，Zeiss Sigma 300 VP）對(duì)防水涂膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚灰比對(duì)防水涂膜性能的影響（見表2、圖1）

圖1 不同聚灰比防水涂膜的SEM照片

表2 聚灰比對(duì)防水涂膜性能的影響

由表2可見：（1）將苯丙乳液與水泥配比（聚灰比）從0.5:1增加到1.0∶1時(shí)，涂膜的橋接裂縫能力從1.32 mm提高到2.91 mm。涂膜的斷裂伸長(zhǎng)率從15.5%提高到79.3%，拉伸強(qiáng)度從2.48 MPa降低到1.8 MPa，乳液摻量越多，涂膜的拉伸強(qiáng)度越低。（2）隨著聚灰比的增加，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度都呈先提高后降低的趨勢(shì)，在0.7∶1和0.8∶1附近達(dá)到最大值，此時(shí)涂膜與基層以及瓷磚膠之間的結(jié)合力最強(qiáng)，在實(shí)際施工中應(yīng)盡量選擇在此之間的聚灰比。

由圖1可見，涂膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都是連續(xù)且致密的，當(dāng)聚灰比為0.5∶1時(shí)，涂膜的結(jié)構(gòu)受水泥水化漿體支撐的作用影響較大，此時(shí)主要是鑲嵌在聚合物顆粒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的水泥水化產(chǎn)物，涂膜的拉伸強(qiáng)度高，橋接裂縫能力低，聚合物顆粒的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不足以成為涂膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素。隨著聚灰比增大，水泥水化產(chǎn)物和填料逐漸被乳液凝膠粒子包裹在乳膠鏈中形成一個(gè)密集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，故拉伸強(qiáng)度降低，而橋接裂縫能力明顯增加。

2.2 聚合物乳液復(fù)配對(duì)防水涂膜性能的影響

聚合物的聚合方法通常有本體（熔融）聚合、溶液聚合、乳液聚合等聚合反應(yīng)工程。而此處的聚合物復(fù)配則為乳液之間簡(jiǎn)單的物理混合，不會(huì)對(duì)聚合物的鏈段產(chǎn)生重組或重排等化學(xué)變化。將4種聚合物乳液按1∶1質(zhì)量比進(jìn)行兩兩復(fù)配，測(cè)試無處理涂膜的各項(xiàng)性能，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 聚合物乳液復(fù)配對(duì)防水涂膜性能的影響

由表3可見：（1）第5、6組摻有SB乳液的涂料斷裂伸長(zhǎng)率較高，但拉伸強(qiáng)度低于其他組，且橋接裂縫能力也較差。（2）摻有SA乳液的防水涂膜橋接裂縫能力相對(duì)較高，其中第4組VAE2和SA乳液復(fù)配涂料的橋接裂縫能力最高，為2.21 mm，此時(shí)乳液相容性較好。（3）對(duì)于第3、5、6組摻有SB乳液的防水涂膜，橋接裂縫能力均較差，抵抗基層變形的能力較差，應(yīng)盡量避免用于瓷磚粘結(jié)體系中。（4）第1、2、5組的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度較高，第2組VAE1與SA復(fù)配的強(qiáng)度最高為1.70 MPa，此時(shí)防水涂膜與瓷磚膠之間的結(jié)合力最強(qiáng)。（5）第6組SA與SB復(fù)配的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度最低，防水涂膜與瓷磚膠之間的結(jié)合力最弱，應(yīng)避免使用此配比來粘貼瓷磚。

2.3 聚合物復(fù)配比例對(duì)防水涂膜性能的影響

VAE2和SA乳液復(fù)配可以很好地提高防水涂料的各項(xiàng)性能，所以選擇這2種乳液進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)節(jié)兩者的相對(duì)比例，研究其復(fù)配比例對(duì)防水涂膜性能的影響，結(jié)果如表4所示。

由表4可見：（1）第3、6組復(fù)配涂料的橋接裂縫能力最好，達(dá)到了1.81、1.88 mm，而第2組的橋接裂縫能力最低，僅有1.26 mm，且斷裂伸長(zhǎng)率也最低，僅為8.9%，此時(shí)涂膜層抵抗基層變形的能力最弱。（2）隨著復(fù)配乳液中SA比例的增加，涂膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率整體呈上升的趨勢(shì)，但在SA摻量為20%時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率明顯降低，且橋接裂縫能力也明顯低于其他組試件，盡管此時(shí)的拉伸強(qiáng)度很高，但針對(duì)瓷磚粘結(jié)體系已不適用。（3）隨著SA比例的增加，涂膜的粘結(jié)強(qiáng)度逐漸提高，在VAE2∶SA=0∶10時(shí)達(dá)到了最高值1.81 MPa，而拉伸粘結(jié)強(qiáng)度逐漸降低，在VAE2∶SA=0∶10時(shí)降低到了1.27 MPa，此時(shí)雖然涂膜與基層的結(jié)合力最強(qiáng)，但與瓷磚膠之間的結(jié)合力最低。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在復(fù)摻AEV2和SA涂料體系中，VAE2與SA的最佳配比為5∶5，此時(shí)體系的綜合性能較為優(yōu)異。

表4 聚合物復(fù)配比例對(duì)防水涂料性能的影響

2.4 機(jī)理分析

根據(jù)Waldvogel等[8]應(yīng)用EN 14891標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的橋接裂縫實(shí)驗(yàn)，在裂紋擴(kuò)展過程中，聚合物基質(zhì)拉伸并形成纖維-空洞微結(jié)構(gòu)（FVM）。水泥顆粒、填料顆粒和氣孔這些普遍存在的非均一相容易導(dǎo)致應(yīng)力集中。FVM在變形體積內(nèi)達(dá)到最大密度后，通過被動(dòng)拉伸進(jìn)行應(yīng)變，直到最終發(fā)生斷裂。也就是說裂紋從基底界面開始，沿著上述的非均勻相和空間內(nèi)分布的FVM通過防水涂層傳播。而隨著聚灰比的增加，水泥水化產(chǎn)物和填料逐漸被乳液凝膠粒子包裹在乳膠鏈中，形成一個(gè)密集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，涂層的致密性逐漸增加，其橋接裂縫能力也會(huì)明顯提高。因此，高CBA值的防水涂膜在面對(duì)基層開裂時(shí)，能更好地抵擋裂縫延伸到面層，從而降低基層開裂造成的滲漏水風(fēng)險(xiǎn)。

由于苯丙乳液分子中不含C=C不飽和鍵，其分子相對(duì)穩(wěn)定，不易受外界干擾而斷裂降解；而VAE乳液由于成膜后形成的線型高分子結(jié)構(gòu)分子鍵能低，其原子間或分子間化學(xué)鍵容易斷裂，材料易老化。VAE2乳液與SA乳液混合后，在內(nèi)部團(tuán)塊狀產(chǎn)物周圍凝聚，水分揮發(fā)后成膜。由于VAE2乳液粒徑大于SA乳液粒徑，不同的粒徑組合提高了聚合物膜結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，進(jìn)而提高了涂膜的密實(shí)度，從而改善了拉伸強(qiáng)度及橋接裂縫性能[9]。但是隨著SA乳液比例的增加，涂膜的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度降低。主要是因?yàn)镾A乳液摻入后，使得混合聚合物膜結(jié)構(gòu)間聯(lián)接更加緊密，表面更加光滑，導(dǎo)致涂刷的瓷磚膠無法有效進(jìn)入涂膜表面的縫隙形成物理粘結(jié)，從而降低了體系的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）聚合物水泥防水涂膜的力學(xué)性能與聚合物乳液的種類和摻量有關(guān)。隨著聚灰比增大，橋接裂縫能力提高，抵抗基層變形的能力也越強(qiáng)。綜合防水涂膜的力學(xué)性能，選擇聚灰比為0.7∶1較為合適。

（2）聚合物乳液兩兩復(fù)配時(shí)，其橋接裂縫能力和拉伸粘結(jié)強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其中摻有SA和VAE乳液的涂料綜合性能較好，摻有丁苯乳液的涂料性能較差。

（3）在復(fù)摻VAE2和SA涂料體系中，VAE2與SA的最佳配比為5∶5，此時(shí)橋接裂縫能力為2.21 mm，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度為1.42 MPa，體系的綜合性能較為優(yōu)異。