預(yù)鋪式自粘防水卷材用新型水溶性隔離膜的制備與研究

孫艷美，李?yuàn)W緯，王琢凌，郝喜海

（湖南工業(yè)大學(xué) 包裝與材料工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

0 引言

防水卷材因其具有良好的耐水性、溫度穩(wěn)定性、柔韌性以及良好的力學(xué)性能在工程防水中得到了廣泛的應(yīng)用。預(yù)鋪式自粘防水卷材主要由3部分組成：主體材料、膠料反應(yīng)層以及隔離層[1]。預(yù)鋪式施工方式是將防水卷材空鋪在基面上，然后澆筑混凝土使其兩者緊密結(jié)合[2-4]。

現(xiàn)有的防水卷材隔離膜材料大多為PET、PE或石英砂，采用這種隔離材料在夏季高溫情況下可能會(huì)出現(xiàn)揭膜困難，在使用時(shí)需要揭除隔離膜以及在揭除隔離膜后卷材表面會(huì)遭到污染等問題[5-6]。此外，在進(jìn)行施工時(shí)傳統(tǒng)的防水卷材隔離膜揭除后會(huì)隨意丟棄造成薄膜清理回收困難等問題，故需要一種便于預(yù)鋪的免揭型防水卷材對(duì)上述問題進(jìn)行改善[7]。

PVA水溶性膜是一種具有廣泛應(yīng)用前景的綠色新材料。因?yàn)镻VA薄膜的成膜性優(yōu)良、水溶性好且具有可生物降解性[8-9]，能有效替代PET、PE隔離膜，以此簡化防水卷材鋪設(shè)步驟，降低操作難度，提高防水卷材鋪設(shè)效率，并解決揭膜困難問題。但是，貼有PVA水溶性隔離膜的防水卷材在應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)與混凝土之間粘結(jié)不牢的現(xiàn)象。微硅粉的主要成分為SiO2，是礦熱爐生產(chǎn)硅鐵和硅時(shí)產(chǎn)生的大量SiO2和Si氣體與空氣迅速氧化冷凝形成的粉塵[10]。微硅粉作為混合材料摻入混凝土中，可以優(yōu)化新拌混凝土的性能[11]。方小利等[12]研究微硅粉對(duì)混凝土性能的影響發(fā)現(xiàn)，微硅粉加入普通混凝土后能夠改善混凝土的后期強(qiáng)度。張向新和覃盛昆[13]研究微硅粉和粉煤灰摻量對(duì)鋼纖維再生混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微硅粉摻量為6%，粉煤灰摻量為3%時(shí)鋼纖維再生混凝土的綜合性能最優(yōu)。Wang[14]通過摻加不同含量的納米硅灰探究對(duì)輕質(zhì)水泥漿物理性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻加納米硅灰后生成了更多的水化硅酸鈣，充當(dāng)填充空隙的填料，為水泥水化提供了成核位點(diǎn)，使得輕質(zhì)水泥漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密。Zheng[15]研究硅灰摻量和類型對(duì)低熱硅酸鹽水泥混凝土抗磨性和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，摻入3%、5%硅灰可使混凝土的耐磨性分別提高10.0%、15.8%。

本研究基于前期調(diào)研和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過摻加微硅粉制備新型PVA水溶性膜，研究了微硅粉對(duì)薄膜水溶性和力學(xué)性能的影響，并進(jìn)一步驗(yàn)證了在無需揭除隔離膜的情況下防水卷材與混凝土之間的粘接效果，分析微硅粉在反應(yīng)中所起到的作用，為防水材料施工提供研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料及儀器設(shè)備

反應(yīng)型耐根穿刺自粘防水卷材：XPS-CL；水泥、砂：湖南恒宇建材有限公司；聚乙烯醇（PVA）：工業(yè)級(jí)，型號(hào)1788，武漢夢(mèng)奇科技有限公司；微硅粉：工業(yè)級(jí)，四川朗天硅灰生產(chǎn)廠；吐溫80：AR，江蘇省海安石油化工廠；丙三醇：AR，天津大茂化學(xué)試劑廠；十二烷基硫酸鈉：AR，煙臺(tái)淞郁商貿(mào)有限公司。

電子天平：JJ200，常熟市雙杰測(cè)試儀器廠；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101Z，上海秋佐科學(xué)儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋：HH-S24s，金壇大地自動(dòng)化儀器廠；手動(dòng)沖壓機(jī)：SPEC JH-120，福建中泰集團(tuán)有限公司；智能電子拉力機(jī)：XLW（L）-PC型，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；塑料薄膜測(cè)厚儀：DTS-600H，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；數(shù)顯式推拉力計(jì)：DS2-500N，深圳市梅隆儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

PVA薄膜溶液的制備見圖1，流延法成膜工藝流程見圖2，防水卷材的剝離性能測(cè)試見圖3。

圖1 薄膜溶液的制備

圖2 流延法成膜工藝流程

圖3 防水卷材的剝離性能測(cè)試

1.3 微硅粉/PVA水溶性隔離膜的制備

實(shí)驗(yàn)以未添加微硅粉和不貼附所制水溶膜為對(duì)照組。準(zhǔn)確稱量5組不同質(zhì)量的微硅粉，使其占PVA質(zhì)量的1%、2%、3%、4%、5%，然后加入占PVA質(zhì)量3%的吐溫80于燒杯中，加入丙三醇、十二烷基硫酸鈉和水，將其放置于90℃的恒溫水浴鍋中以200r/min攪拌30 min。待各組溶液全部溶解后室溫靜置30 min，使氣泡消除，在80℃的流延加熱鋼板上加熱10 min后干燥揭膜。本實(shí)驗(yàn)要求成膜厚度為20～25μm。

1.4 微硅粉/PVA水溶性隔離膜性能測(cè)試

1.4.1 水溶性測(cè)試

將厚度在實(shí)驗(yàn)要求范圍內(nèi)的各組微硅粉/PVA水溶性隔離膜裁切成尺寸為10 mm×10 mm的試樣，試樣中間用十字符號(hào)標(biāo)記，每組試樣不少于3個(gè)。將試樣放入在25℃恒溫水浴鍋的燒杯中，用攪拌棒進(jìn)行勻速且輕微的攪拌，同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)。觀察并記錄薄膜十字符號(hào)開始破裂（開始溶解）時(shí)間以及十字符號(hào)完全消失（完全溶解于水）的時(shí)間。得到6組不同比例的微硅粉/PVA水溶性隔離膜數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行平均值計(jì)算以此作為測(cè)試結(jié)果。

1.4.2 拉伸性能測(cè)試

在6組不同比例制備的微硅粉/PVA水溶性隔離膜中，每組選取3個(gè)試樣，要求表面完整、無氣泡，且沒有破損。根據(jù)GB/T 35513.2—2017《塑料 聚碳酸酯（PC）模塑和擠出材料第2部分：試樣制備和性能測(cè)試》測(cè)試斷裂伸長率與拉伸強(qiáng)度，試樣需要用手工沖壓機(jī)裁切，試樣長度為50 mm，寬度為10 mm，形似啞鈴狀。

1.5 混凝土與防水卷材的剝離性能測(cè)試

1.5.1 樣品預(yù)處理

6組不同配比制成的微硅粉/PVA水溶性隔離膜中，每組選取3個(gè)厚度在20～25μm的試樣，將試樣裁切成長150 mm、寬100mm的長方形狀薄膜。按照GB/T23457—2017《預(yù)鋪防水卷材》要求，按m（水泥）∶m（砂）∶m（水）=1∶2∶0.4制備混凝土。

1.5.2 混凝土與防水卷材粘接處理

將所裁取的薄膜試樣貼合在防水卷材上，將新拌混凝土鋪于表面。標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d后將被測(cè)物裁成寬為20mm，長為150 mm的長條狀，其余部分揭除，參照GB/T 35467—2017《濕鋪防水卷材》對(duì)防水卷材進(jìn)行180°剝離測(cè)試。用改進(jìn)的數(shù)顯式推拉力計(jì)將混凝土塊固定好，夾具固定好后均勻拉動(dòng)，并記錄數(shù)據(jù)的最大值，每組試樣不少于3個(gè)，最終數(shù)據(jù)取平均值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用origin軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 微硅粉/PVA水溶性隔離膜性能分析

2.1.1 不同含量微硅灰對(duì)PVA水溶性隔離膜水溶性的影響（見表1）

表1 不同含量微硅粉對(duì)PVA水溶性隔離膜的開始溶解時(shí)間和完全溶解時(shí)間的影響

由表1可見，在常溫條件下，隨著微硅粉含量的增加，水溶性膜的開始溶解時(shí)間呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)，但總體顯示對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組的差異并不明顯。微硅粉含量為1%時(shí)，水溶性薄膜的開始溶解時(shí)間為22.3 s，完全溶解時(shí)間為51.0 s。添加微硅粉后的5組水溶性隔離膜的開始溶解時(shí)間和完全溶解時(shí)間分別在22～26 s、42～65 s，微硅粉含量對(duì)薄膜的水溶解性幾乎沒有影響，所有數(shù)據(jù)之間的無規(guī)律性變化符合實(shí)驗(yàn)誤差的條件。

2.1.2 不同含量微硅灰對(duì)PVA水溶性隔離膜力學(xué)性能的影響（見表2）

表2 不同含量微硅粉對(duì)PVA水溶性隔離膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響

由表2可見，新型環(huán)保PVA水溶性膜的拉伸強(qiáng)度平均值和斷裂伸長率的平均值分別為13.9 MPa和104.0%。隨著對(duì)照組中微硅粉含量逐漸增加，其拉伸強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢(shì)，斷裂伸長率呈先提高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)微硅粉含量為2%時(shí)的綜合力學(xué)性能較佳。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析和查閱文獻(xiàn)可知，微硅粉中大量占比的SiO2屬于惰性物質(zhì)[16]，在一定程度上會(huì)使薄膜的拉伸強(qiáng)度降低。與拉伸強(qiáng)度不同，添加適量微硅粉對(duì)薄膜的斷裂伸長率具有提高作用，當(dāng)微硅粉含量為2%時(shí)，薄膜的斷裂伸長率最大，為130.7%。由于少量微硅粉的存在降低了PVA水溶性薄膜中高分子物質(zhì)的結(jié)晶度，提高了分子鏈柔性，使得制備的新型環(huán)保水溶膜的斷裂伸長率在一定范圍內(nèi)上升[17]。

2.2 微硅粉/PVA水溶性隔離膜對(duì)防水卷材與混凝土剝離性能的影響

微硅粉/PVA水溶性隔離膜貼在防水卷材上，在使用時(shí)無需揭膜。因此，探究微硅粉/PVA水溶性隔離膜對(duì)混凝土和防水卷材的粘接性的影響至關(guān)重要。微硅粉對(duì)剝離性能的影響如表3所示。

表3 不同含量微硅粉對(duì)防水卷材與混凝土剝離強(qiáng)度的影響

由表3可見，將不貼附隔離膜的防水卷材與混凝土的剝離強(qiáng)度作為對(duì)照組，其平均值為1.65 N/mm。貼附占PVA質(zhì)量1%、2%、3%、4%、5%的微硅粉PVA水溶性隔離膜的防水卷材與混凝土的剝離強(qiáng)度均高于對(duì)照組，較對(duì)照組分別提高了6.7%、12.7%、16.3%、20.0%、31.0%。當(dāng)微硅粉含量為5%時(shí)，剝離強(qiáng)度達(dá)到最大值2.16 N/mm。隨著微硅粉含量的增加，防水卷材的剝離強(qiáng)度也隨著提高。在水化作用下，微硅粉中的硅會(huì)與混凝土漿液中的Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成了水化硅酸鈣，從而水合物中Ca/Si比例下降，使得混凝土的后期強(qiáng)度得以提高。PVA溶于混凝土中的水后，由于硅灰粉的微細(xì)粒子形狀及高氧化硅含量使其具有更致密的結(jié)構(gòu)，并與游離的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，從而增強(qiáng)了混凝土與卷材之間的結(jié)合[18]。

3 結(jié)論

（1）微硅粉含量為PVA質(zhì)量的2%時(shí)薄膜綜合力學(xué)性能較好，其拉伸強(qiáng)度為15.3 MPa、斷裂伸長率為130.7%。

（2）微硅粉含量為PVA質(zhì)量的5%時(shí)，防水卷材與混凝土的剝離強(qiáng)度達(dá)到最大值，為2.16N/mm。

（3）在不揭除所制新型水溶性薄膜的情況下能夠提高防水卷材與后澆混凝土的粘接性，能夠有效地解決夏季揭膜困難以及揭膜后帶來的環(huán)境污染問題。與傳統(tǒng)防水卷材隔離膜相比，基材的環(huán)保性和無需揭除的特性使得簡化施工流程的同時(shí)起到保護(hù)環(huán)境的作用，新型環(huán)保水溶性隔離膜具有良好的應(yīng)用價(jià)值。