建筑防水材料是建筑材料的一個重要組成部分 , 屬于功能性材料 , 建筑物和構筑物之所以要采用防水材料其主要目的是為了防潮、防滲、防漏。我國在建筑工程防水材料方面的投入每年呈遞增趨勢。 2003 年 , 在工程總造價中防水工程造價達到 15 % 以上 , 特別是地下室的防水造價比例已達工程總造價的 25 % ～ 30 % [ 1 ] 。我國建筑防水涂料年使用量占防水材料總量的 10 % 左右 , 有的地區(qū) ( 例如廈門防水涂料使用量 ) 占防水材料總量的 50 % 左右 [ 2 ] 。雖然在防水工程方面的投入很大 , 但防水效果不理想 , 新建工程當年滲漏率都在 10 % 左右 , 國家每年用于防水方面的維修費將近 20 億元。建筑防水效果的好壞 , 關鍵在于防水材料是否具有良好的性能。近年來 , 我國防水材料的研究取得了很大進步 , 先后開發(fā)了油膏類、卷材類、溶劑型黏稠液、水基型乳液和粉劑型防水材料 , 并得到了廣泛的應用。
1 防水涂料的概念及分類
1. 1 防水涂料的概念
建筑防水涂料。 ( 簡稱防水涂料 ) 是一種建筑防水材料。將涂料單獨或與胎體增強材料復合 , 分層涂刷或噴涂在需要進行防水處理的基層表面 , 即可在常溫條件下形成一個連續(xù)無縫整體且具有一定厚度的涂膜防水層 , 從而能滿足工業(yè)與民用建筑的屋面、地下室、衛(wèi)生間和外墻等部位防水抗?jié)B要求。防水涂料一般是由瀝青、合成高分子聚合物、合成高分子聚合物與瀝青、合成高分子與水泥或以無機復合材料等為主要成膜物質 , 摻入適量的顏料、助劑、溶劑等加工制成的溶劑型、水乳型或反應型的 , 在常溫下無固定形狀的黏稠狀液態(tài)或可液化的固體粉末狀態(tài)的含高分子合成材料的復合材料。
1. 2 防水涂料的分類
1. 2. 1 按照涂料的基料和分散介質分類
防水涂料按其成膜物可分為瀝青類、高聚物改性瀝青 ( 亦稱橡膠瀝青類 ) 、合成高分子類 ( 又可再分為合成樹脂類、合成橡膠類 ) 、無機類、聚合物水泥類等 5 大類。按其狀態(tài)與形式 , 大致可分為溶劑型、反應型、乳液型 3 大類。
(1) 溶劑型防水涂料
溶劑型防水涂料其作為主要成膜物質的高分子材料是以溶解于 ( 以分子狀態(tài)存在于 ) 有機溶劑中所形成的溶液為基料 , 加入顏填料、助劑制備而成的。它是依靠溶劑的揮發(fā)或涂料組分間化學反應成膜的 , 因此施工基本上不受氣溫影響 , 可在較低溫度下施工。涂膜結構緊密、強度高、彈性好 ; 防水性能優(yōu)于水乳型防水涂料。但在施工和使用中 , 有大量的易燃、易爆、有毒的有機溶劑逸出 , 對人體和環(huán)境有較大的危害 , 因此近年來應用逐步受到限制。溶劑型防水涂料的主要品種有溶劑型氯丁橡膠瀝青防水涂料、溶劑型氯丁橡膠防水涂料、溶劑型氯磺化聚乙烯防水涂料等。
(2) 反應型防水涂料
反應型防水涂料其作為主要成膜物質的高分子材料是以預聚物液態(tài)形式存在。反應型防水涂料是通過液態(tài)的高分子預聚物與相應的物質發(fā)生化學反應成膜的一類涂料。反應型防水涂料通常也屬于溶劑型防水涂料范疇 , 但由于成膜過程具有特殊性 , 因此單獨列為一類。反應型防水涂料通常為雙組分包裝 , 其中一個組分為主要成膜物質 , 另一組分一般為交聯(lián)劑。施工時將兩種組分混合后即可涂刷。在成膜過程中 , 成膜物質與固化劑發(fā)生反應而交聯(lián)成膜。反應型防水涂料幾乎不含溶劑 , 其涂膜的耐水性、彈性和耐老化性通常都較好 , 防水性能也是目前所有防水涂料中最好的。反應型防水涂料的主要品種有聚氨酯防水涂料與環(huán)氧樹脂防水涂料兩大類。其中環(huán)氧樹脂防水涂料的防水性能良好 , 但涂膜較脆 , 用羧基丁腈橡膠改性后韌性增加 , 但價格較貴且耐老化性能不如聚氨酯防水涂料。反應型聚氨酯防水涂料的綜合性能良好 , 是目前我國防水涂料中最佳的品種之一。
(3) 乳液型防水涂料
乳液型防水涂料為單組分水乳型防水涂料。涂料涂刷在建筑物上以后 , 隨著水分的揮發(fā)而成膜。乳液型防水涂料其主要成膜物質高分子材料是以極微小的顆粒穩(wěn)定懸浮在水中而成為乳液狀涂料的。該類涂料施工工藝簡單方便 , 成膜過程靠水分揮發(fā)和乳液顆粒融合完成 , 無有機溶劑逸出 , 不污染環(huán)境 , 不燃燒 , 施工安全 , 其價格也較便宜 , 防水性能基本上能滿足建筑工程的需要 , 是防水涂料發(fā)展的方向。乳液型防水涂料的品種繁多 , 主要有 : ①水乳型陽離子氯丁橡膠瀝青防水涂料 ; ②水乳型再生橡膠瀝青防水涂料 ; ③聚丙烯酸酯乳液防水涂料 ; ④ EVA( 乙烯 - 醋酸乙烯酯共聚物 ) 乳液防水涂料 ; ⑤水乳型聚氨酯防水涂料 ; ⑥有機硅改性聚丙烯酯乳液防水涂料等。
1. 2. 2 按照涂料的組分不同進行分類
根據(jù)防水涂料的組分不同 , 一般可分為單組分防水涂料和雙組分防水涂料 2 類。單組分防水涂料按液態(tài)不同 , 一般有溶劑型、水乳型 2 種。雙組分防水涂料則以反應型為主。
1. 2. 3 按使用部位分類
建筑防水涂料按其在建筑物上的使用部位不同 , 可分為屋面防水涂料、立面防水涂料、地下工程防水涂料等幾類。
2 防水涂料的防水機理 [3]
防水涂料品種繁多 , 但其防水機理可分為 2 類 , 其一是涂膜型 , 其二是疏水型。
2. 1 涂膜型防水涂料的防水機理
涂膜型防水涂料是通過形成完整的涂膜來阻擋水的透過或水分子的滲透來進行防水的。許多高分子涂膜的分子與分子之間總是有一些間隙的 , 其寬度約為幾個納米 , 按理說單個水分子是完全能夠通過的 , 但自然界的水通常處于締合狀態(tài) , 幾十個水分子之間由于氫鍵的作用而形成一個很大的分子團 , 因此實際上是很難通過高分子間隙的 , 這就是防水涂料涂膜具有防水功能的主要原因。
2. 2 疏水型防水涂料的防水機理
由于有些聚合物分子上含有親水基團 , 故聚合物所形成的完整連續(xù)的涂膜并不能保證所有的聚合物涂膜均具有良好的防水性能。如果聚合物本身具有疏水特性 , 使水分子與涂膜之間根本不相容 , 則就可以從根本上解決水分子的透過問題 , 聚硅氧烷防水涂料就是根據(jù)此原理設計的。
3 防水涂料的研究現(xiàn)狀
3. 1 國際研究現(xiàn)狀
采用防水涂料來防止建筑物的滲水和漏水是 20 世紀 50 年代末就已開始使用的一種防水方法。
20 世紀 60 年代 , 歐、美、日等國家或地區(qū)發(fā)展起來一種新型高分子的防水涂料——聚氨酯防水涂料。其中美國最早使用聚氨酯涂膜防水 , 后來又推廣到加拿大、中東以及東南亞各國。日本 1964 年從美國杜邦公司引進聚氨酯防水涂料專利技術 , 發(fā)展迅速 , 平均每年增長率為 13 . 5 % 。日本在 1969 年頒布了聚氨酯防水涂料的工業(yè)標準 , 目前日本每年用量高達 3 萬 t 左右 [4 ] 。
目前 , 美、德、法、日等工業(yè)發(fā)達國家的防水涂料在整個建筑防水材料中都占有相當?shù)姆蓊~。他們在積極發(fā)展高聚物改性瀝青防水涂料和合成高分子防水涂料的同時 , 又開發(fā)了無機滲透結晶型的粉狀防水涂料等品種 , 而且正向著環(huán)保型防水涂料方向發(fā)展。 Jasperson 等 [5 ] 開發(fā)出了丙烯酸聚合物與乙烯基聚合物水乳型防水涂料 , 其中該乳液至少含有 40 % 的丙烯酸和乙烯基聚合物 , 二氧化鈦的體積濃度不超過 10 % 。該防水涂料主要用于屋面和外墻的防水 , 涂膜具有很高的彈性 , 該防水涂料是一種耐久性防水涂料 , 一般至少可以使用 10 年。 Meddaugh 等 [6 ] 研制出了水乳型有機硅防水涂料 , 其中有機硅乳液主要是由陰離子表面活性劑穩(wěn)定的羥基封端的聚二有機硅氧烷 (100 份 ) 、無定型二氧化硅 (1 份 ) 、有機錫鹽等組成。乳液的 pH 值 > 9 , 固含量 > 35 % 。該有機硅防水涂料在涂膜干燥后 , 能夠提供彈性涂膜 , 該彈性涂膜粘附在砌筑墻的表面 , 能夠提供很大的力以抵抗來自外表面任何水的壓力 , 防水效果良好。 Rodgers 等 [7 ] 開發(fā)的聚合物水泥型防水涂料主要用于混凝土的防水。其中水泥的含量為 5 . 0 % ～ 8 . 0 % 、 200 目的碳酸鈣含量為 20 % ～ 50 % 、聚醋酸乙烯的含量為 0 . 5 % ～ 6 % 、 50 目的碳酸鈣與 30 % ～ 60 % 醋酸乙烯酯 - 乙烯共聚物乳液相混合 , 剩余部分為水。該防水涂料具有很好的阻燃性、隔熱性以及耐化學腐蝕性。 Kyminas 等 [ 8 ] 制造出了堅固耐用的屋面防水涂料 , 主要用于長期受風雨侵蝕屋面的防水?；蠟楹惺蜑r青、改性瀝青和泡沫塑料、丙烯酸聚合物的水乳型分散體 , 顏填料為二氧化鈦、碳酸鈣、二氧化硅、云母、高嶺土 , 顏料的平均粒徑小于 200 μ m , 顏料在分散體系中的體積濃度 > 20 % 。該防水涂料的涂膜與基層的附著力強、阻燃性好、能夠反射大量的太陽光和熱 , 因此延緩了頂板的熱老化 , 并降低了室內溫度。
Roberts 等 [ 9 ] 研制的墻面防水涂料是通過對含有 4 ～ 6 個碳原子的脂肪族烯烴或脂肪族二烯烴進行聚合而得的烴類樹脂與彈性共聚物 ( 由苯乙烯、異戊二烯、丁二烯共聚 ) 為基料 , 溶劑為混合溶劑 ( 含有約 80 % ～ 95 % 的脂肪烴 ,5 % ～ 20 % 的芳香烴 , 其中脂肪烴中含有至少 1 % 的正庚烷 ) 。該防水涂料的配方為 : 苯乙烯、異戊二烯共聚橡膠 22 份 , 烴類樹脂 25 份 , 綠色顏料 1 份 , 乳酸 20 份 , 庚烷 30 份 , Shellflex2 份。該防水涂料具有良好的耐候性、耐化學腐蝕性、抗拉強度高、延伸率高等優(yōu)點 , 主要用于地下室的防水。施工時 , 主要采用高壓無空氣噴涂。近年來 , 美國亨瑞公司在過去開發(fā)和應用乳液瀝青防水涂料的基礎上 , 又成功開發(fā)了一種以改性的優(yōu)質氧化瀝青為主要原料 , 摻入適量的化學助劑、填充劑、石油溶劑和乳化劑等 , 經(jīng)過特殊的加工工藝 , 制成了一種高固含量 (73 % 以上 ), 能在潮濕基層或雨中進行施工 , 并容易涂抹的厚質防水涂料。由于這種涂料既有疏水功能 , 又有一定的親水性 , 即具有 “ 兩性功能 , 故可在下雨時 , 對屋面進行防水堵漏的施工作業(yè) , 能發(fā)揮救急的作用 , 很受用戶歡迎 [ 10 ] 。
美國創(chuàng)高公司生產(chǎn)的一種不含揮發(fā)性有機溶劑的單組分聚氨酯防水涂料—— 創(chuàng)高 60 , 該涂料可根據(jù)設計要求 , 采用能夠控制涂膜厚度的鋸齒形特制刮板直接涂刷在基層表面 , 經(jīng)吸收空氣中的水分固化形成足夠厚度的涂膜防水層 [ 10 ] 。來自美國的最新專利產(chǎn)品阻熱防水涂料 , 當它在金屬物體上使用時 , 極具柔性和封閉性 , 能堵漏、隔熱、防銹 ; 用于瀝青屋面作防水涂料時 , 可反射 90 % 的太陽能 , 能夠防止瀝青降解 , 延長防水壽命 ; 用于剛性防水屋面時 , 因其具有極佳的粘附性和延伸性 [ 1 ] , 能夠封閉因混凝土膨脹造成的細裂紋和縫隙 , 從而防止水分滲透。美國和法國的鋁粉乳液屋面反射涂料和白色聚丙烯酸酯屋面反射涂料的用量也很多 , 它本身既具有防水功能 , 又能對原有防水層起到保護作用 , 并能反射紫外線和太陽光 , 不但可以降低頂層房屋的室內溫度 , 節(jié)省空調費用 , 而且可以延長防水層的使用年限 , 目前已成為房屋建筑業(yè)主樂意選用的功能型防水涂料之一 [ 10 ] 。
3. 2 我國研究現(xiàn)狀
我國防水涂料的開發(fā)和應用始于 20 世紀 60 年代 , 當時多以石油瀝青或各種廢舊材料 ( 如廢膠粉等 ) 和化工廠的下腳料 ( 如苯乙烯焦油等 ) 為主要原料 , 加工制成乳化瀝青防水涂料或廢膠粉改性瀝青防水涂料和苯乙烯焦油防水涂料等。由于這些防水涂料的質量不夠穩(wěn)定 , 施工方法不規(guī)范、涂膜厚薄不均勻、防水層使用年限較短等原因 , 故未能在新建的防水工程中大面積推廣應用 [ 10 ] 。 20 世紀 70 年代 , 北京建筑工程研究院開始研制聚氨酯防水涂料 , 該類涂料發(fā)展非常迅速 , 每年以 18 % 的速度增長 ,1994 年產(chǎn)量為 1 萬 t , 其中主要是煤焦油作活性填料的聚氨酯防水涂料 [ 4 ] 。據(jù)調查 ,1999 年聚氨酯防水涂料銷量中 , 焦油型約占 66 % , 非焦油型占 34 % 。焦油型防水涂料在防水涂料中占有舉足輕重的地位 [ 11 ] 。但煤焦油是一種復雜的混合物 , 它含有蒽、菲、咔唑、吡啶等數(shù)百種組分 , 眾多的揮發(fā)組分嚴重污染環(huán)境和危害人體健康。因此 , 近年來北京和上海等城市已相繼發(fā)文禁止使用焦油聚氨酯防水涂料。在此背景下 ,1998 年建設部將非焦油型聚氨酯防水涂料列為全國住宅推薦產(chǎn)品 13 種防水涂料之一 , 從而極大地推動了聚氨酯防水涂料在我國的推廣應用和健康發(fā)展 [ 12 ] 。
上海匯麗化學建材廠、天津大學化工實驗廠、蘇州非金屬礦業(yè)研究院防水材料研究所等單位生產(chǎn)雙組分聚醚型聚氨酯防水涂料 [ 13 ] 。山西省建筑科學研究院成功研制出環(huán)保型水性瀝青聚氨酯防水涂料 [ 14 ] 。北京三原建筑粘合材料廠成功研制出無溶劑聚氨酯防水涂料 , 該產(chǎn)品固含量高 , 摒棄了煤焦油成分 , 是焦油型聚氨酯防水涂料的理想替代產(chǎn)品之一 [ 15 ] 。上海復旦大學材料科學系研制的丙烯酸酯防水涂料于 1991 年應用于深圳火車新客站篷面的防水工程 ,1992 年應用于復旦大學微分析中心樓的屋面上 ,1994 年以后陸續(xù)應用于復旦大學材料二樓、李達三樓、新化學樓、上海長興島特技城錐形體屋面、北京中國長城電腦大廈、上海華富大廈、上海篩網(wǎng)廠新辦公樓、上海浦東西門子公司等建筑的屋面防水工程上 [ 16 ] 。武漢現(xiàn)代工業(yè)技術研究院成功研制開發(fā)了一種新型水泥基防水涂料—— WGB 長效復合彩色防水涂料 , 并通過了武漢市科委組織的專家會議鑒定。 WGB 長效復合彩色防水涂料是由一種硅丙樹脂與 VAE 乳液經(jīng)特殊工藝復合而成的新型防水涂料。兼有 VAE 防水涂料的高耐滲性和丙烯酸乳液的耐候性、耐久性和有機硅防水劑的強基體滲透性等各種防水材料的優(yōu)點。具有高彈性、高抗拉強度 , 與基層結合牢固 , 并能克服基層開裂、變形所產(chǎn)生的滲漏問題?？蛇_到長期防水效果。試驗表明 , 有效防水期可長達 30 年。同時該涂料為水性涂料 , 無毒、無污染 , 可調制成各種顏色 , 能起到美化環(huán)境的作用 , 是一種綠色環(huán)保產(chǎn)品。該涂料還具有應用面廣、施工方便、綜合成本低的優(yōu)勢 , 適用于屋面、衛(wèi)生間、地下室、內外墻、水池、橋涵、水下、地下建筑物的防水 ; 可刷涂、滾涂、刮涂 , 也可摻加到水泥中制成防水水泥砂漿 ; 綜合成本相當于瀝青基防水材料。不僅有效地解決了建筑物防水問題 , 還解決了現(xiàn)有的一些高分子防水材料成本過高、施工難度大、推廣應用困難等問題 [ 17 ] 。 2003 年 2 月成都健生化工有限公司研制生產(chǎn)出高性能新型綠色環(huán)保丙烯酸酯防水涂料 , 據(jù)悉 , 該產(chǎn)品已獲得國家建設部和四川省建設廳的批準 , 目前已經(jīng)正式批量生產(chǎn) , 全面投放市場。該產(chǎn)品無毒、無味 , 具有優(yōu)異的耐老化性、粘附性、耐冷熱、耐堿性、耐低溫性等特點 , 各項技術指標均達到了國家的相關標準 , 它能夠廣泛應用于新舊建筑地下室、屋面及墻體、廚衛(wèi)間、倉庫、游泳池等場所的防水和防潮 [ 18 ] 。
硅橡膠防水涂料是治金部建筑研究總院在國內首次研制成功的新型防水涂料。硅橡膠防水涂料可摻入無機填料及各種特殊助劑 , 是乳液型防水涂料。涂料吸收了涂膜防水和滲透性防水材料兩者的特點 , 具有良好的防水、防滲透、高彈性、耐濕熱性、耐候性等綜合性能。因此建設部將其列為 “ 八五 ” 科技成果向全國建筑業(yè)推廣 [ 19 ] 。從 20 世紀 70 年代末開始 , 隨著我國科學技術進步和化學建材工業(yè)的發(fā)展 , 防水涂料也獲得了迅速發(fā)展 , 到目前為止 , 關于防水涂料的發(fā)明專利有 120 項之多 , 主要是雙組分 [ 20 -21 ] 和單組分 [ 22 -23 ] 的聚氨酯防水涂料、 ( 改性 ) 聚丙烯酸酯防水涂料 [ 24 -25 ] 、廢舊材料改性防水涂料 [ 26 -27 ] 、氯丁膠防水涂料 [ 28 -29 ] 、聚合物水泥防水涂料 [ 30 -32 ] 、高聚物改性瀝青防水涂料 [ 33 -34 ] 以及無機防水涂料 [ 35 -36 ] 等 , 形成了化學反應固化型和溶劑 ( 包含水 ) 揮發(fā)干燥型等性能不同、形態(tài)不一的多類型、多品種的格局。到目前為止 , 有一定生產(chǎn)規(guī)模的防水涂料生產(chǎn)廠共有 200 家左右 , 每年生產(chǎn)總量已超 過 15 萬 t 。主要應用于工業(yè)和民用建筑的衛(wèi)生間防 水 , 部分用于屋面、地下室和外墻等工程防水 , 均取得 了較理想的防水效果。為此 , 在國家化學建材推廣應 用 “ 九五 ” 計劃和 2010 年發(fā)展規(guī)劃綱要中已明確列為 “ 適當發(fā)展防水涂料 ” 的目標要求。
4 發(fā)展趨勢
4. 1 產(chǎn)品功能多樣化
目前使用的絕大多數(shù)防水涂料的功能比較單一 , 即防水抗?jié)B。而且施工必須在無明水的基材表面和非下雨天進行。未來的防水涂料將集防水、裝飾、保溫、隔熱等多種功能于一體 , 且能在潮濕的基材上進行施工。
4. 2 產(chǎn)品對環(huán)境友好
當前的防水涂料大多為溶劑型。防水涂料中含有大量的有機揮發(fā)物 , 在配漆和施工過程中 , 大量 VOC 排向大氣 , 造成污染。同時施工人員在施工過程中不可避免地會吸入部分 VOC 。 VOC 對人體的健康危害很大。它們不但對皮膚具有侵蝕作用 , 而且對人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)、造血器官、呼吸系統(tǒng)有刺激和破壞作用 , 可引起頭疼、惡心、胸悶、乏力、嘔吐等癥狀 , 嚴重時會抽搐、昏迷甚至死亡。因此 , 世界上主要的涂料生產(chǎn)國紛紛出臺了限制 VOC 排放的法規(guī)。生產(chǎn)低 VOC 對環(huán)境友好的防水涂料已是大勢所趨。通常實現(xiàn)低 VOC 的途徑有 3 種 : ① 用水代替揮發(fā)性有機溶劑 ; ② 提高固含量 ; ③ 發(fā)展粉末涂料。
4. 3 產(chǎn)品性能更加優(yōu)異
由于技術、施工等方面的原因 , 目前的防水涂料產(chǎn)品性能相對較差 : 拉伸強度較低 , 延伸率較小 , 耐候性較差 , 使用壽命較短。未來的防水涂料將向著各項性能較高、對基層伸縮或開裂變形適應性較強的方向發(fā)展。
4. 4 發(fā)展納米復合防水涂料
像防水涂料這樣的外用涂料 , 對涂料的耐老化、耐洗刷、抗紫外線等性能要求很高。在涂料中加入納米材料 , 可以提高涂料的耐老化、防滲漏、耐洗刷等性能 , 從而提高涂料的檔次 , 延長涂膜的使用壽命。經(jīng)納米材料改性后的防水涂料產(chǎn)品外觀顯得更加飽滿、勻和 , 涂膜光潔細膩 , 觸感優(yōu)良 , 防水性好 , 與基層的粘接力大大提高 , 尤其明顯的是改性后的涂料抗紫外線、耐洗刷性能非常優(yōu)越。武漢理工大學的余劍英 [ 37 ] 成功研制出一種納米改性聚合物基屋面防水涂 料 , 它包括作為基料的聚合物乳液 , 作為填料的碳酸鈣、滑石粉或云母粉 , 其特征在于加入了作為改性劑的無機納米粒子和鈉基蒙脫土 , 涂料的基本配方為 : 聚合物乳液 38 . 9 % ～ 65 % 、無機納米粒子 0 . 1 % ～ 5 % 、鈉基蒙脫土 1 % ～ 6 % 、填料 30 % ～ 60 % 。其制造方法為 : 將無機納米粒子改性劑加入基料中 , 在超聲波作用下進行分散 , 然后加入鈉基蒙脫土高速攪拌進行插層復合 , 最后加入填料再經(jīng)攪拌、研磨、過濾而制得。該涂料既具有優(yōu)異的力學性能和防水性能 , 又具優(yōu)良的抗紫外線能力 , 能夠顯著延長屋面防水工程的使用壽命。
4 結 語
我國城市基礎設施改造和住宅工程建設的迅猛發(fā)展 , 以及大型建筑工程的發(fā)展 , 為防水涂料的應用和發(fā)展提供了廣闊的前景 ; 同時防水涂料產(chǎn)品功能和性能的不斷提高以及施工技術的機械化亦為建筑工程的防水提供了可靠的保障。
