刘秋秋1,廖国胜1,2,陈乐舟3,廖宜顺1,2,梅军鹏1,2,
(1.武汉科技大学 城市建设学院,湖北 武汉 430065:2.武汉科技大学 高性能工程结构研究院,湖北 武汉 430065:3.湖北碱克新材料有限公司,湖北 武汉 430065)
摘要：研究了粒化高炉矿渣粉的加入对沥青防水涂料拉伸性能、粘结强度和耐水性的影响。结果表明，随着粒化高炉矿渣粉添加量的增加，改性沥青防水涂料的拉伸强度增大、断裂伸长率减小、吸水率降低，且无明显发白、空鼓、起泡的现象；改性后的沥青防水涂料与混凝土基材的粘结性较好，粘结强度最高可达1.39 MPa；SEM分析表明，粒化高炉矿渣粉改性后的沥青防水涂料界面结构更为致密。
关键词：粒化高炉矿渣粉；沥青防水涂料；拉伸性能；粘结强度；耐水性
沥青防水涂料是一种由高分子聚合物改性沥青加入适当的填料和添加剂制备而成的单组分水性防水涂料[1]，其延伸率高、粘结强度大、适应基面变形能力强，但该类涂料耐水性不佳，长期浸水后会导致吸水溶胀、力学性能衰退、粘结强度变小、漆膜失去防水功能，无法满足防水工程的实际应用需求[2]。
沥青防水涂料实际应用条件较复杂，基于此，本研究在固定丙烯酸酯乳液和乳化沥青质量配比的基础上，以重质碳酸钙为基础填料，粒化高炉矿渣粉为改性材料，探究了粒化高炉矿渣粉在总填料中的占比对沥青防水涂料在不同养护条件下性能的影响。
01、实验部分
1.1 主要原料
丙烯酸酯乳液，山东省东营市金友来工贸有限责任公司；乳化沥青，山东省潍坊市雨思盾防水科技有限公司；重质碳酸钙、粒化高炉矿渣粉，湖北碱克新材料有限公司。
1.2 沥青防水涂料的制备
沥青防水涂料的配方如表1所示。制备方法如下：在搅拌罐中依次加入适量的水、分散剂、消泡剂，在600 r/min的低速下搅拌2 min后加入无机填料，在1 600 r/min的高速下分散25 min，随后加入聚合物乳液、增稠剂Ⅰ和乳化沥青，在1 200 r/min的中速下分散10 min，加入pH调节剂将体系调至弱碱性，最后加入增稠剂Ⅱ和消泡剂，中速分散5 min，即可制得沥青防水涂料。
表1 沥青防水涂料配方
1.3 试验方法
参照JC/T 408—2005《水乳型沥青防水涂料》进行沥青防水涂料试样的制备和养护，测试其拉伸性能和粘结强度；参照JC/T 1017—2006《建筑防水涂料用聚合物乳液》测试涂料的吸水率；参照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性测定法》测试涂料的耐水性，采用SEM（XL30TMP型）对试件断面进行微观形貌分析。
02、结果与讨论
2.1 粒化高炉矿渣粉改性沥青防水涂料的拉伸性能
不同添加量的粒化高炉矿渣粉改性沥青防水涂料在不同养护条件下的拉伸性能见图1—5，其中，粒化高炉矿渣粉添加量为其在总填料中的质量占比。
图1 沥青防水涂料在标准养护条件下的拉伸性能
由图1可知，在标准养护条件下，随着粒化高炉矿渣粉添加量的增加，涂料的拉伸强度逐渐增大，断裂伸长率逐渐减小。当粒化高炉矿渣粉添加量在20%~30%时，涂料的拉伸强度和断裂伸长率均符合JC/T 408—2005要求。这是因为一方面粒化高炉矿渣粉颗粒较细，能均匀地分散在体系中，随着粒化高炉矿渣粉不断地加入，沥青防水涂料体系间细小的孔隙逐渐被填充，形成致密的网络交联，涂料更加密实、拉伸强度增大、断裂伸长率减小；另一方面沥青防水涂料体系处于弱碱性环境中，激发了粒化高炉矿渣的活性，生成了硅酸钙凝胶，增大了涂料的强度。且丙烯酸酯乳液中含有的酯基发生水解反应，生成的羧酸盐与粒化高炉矿渣粉溶解产生的Ca2+反应生成羧酸钙，也使得涂料的拉伸强度增大，断裂伸长率减小[3]。
图2 沥青防水涂料在热处理养护条件下的拉伸性能
从图2可以看出，随着粒化高炉矿渣粉添加量的增加，沥青防水涂料经热处理养护后的拉伸强度逐渐增大，断裂伸长率不断减小，当粒化高炉矿渣粉的添加量超过50%时，沥青防水涂料的断裂伸长率未达到JC/T 408—2005要求的600%。相较于标准养护条件，经热处理后涂料的断裂伸长率有所减小，拉伸强度增大，这是因为一方面在高温环境下，涂料中残留的水分蒸发迁出，粉体粒子和基料结合更紧密，涂料致密性更好，强度增大；另一方面，温度的升高加剧了粒化高炉矿渣粉的反应程度，生成了更多的硅酸钙凝胶，填料相互嵌入更紧密，聚合物的交织作用增强，因此涂料拉伸强度会增大，断裂伸长率减小。
图3 沥青防水涂料在水处理养护条件下的拉伸性能
从图3可以看出，沥青防水涂料经水处理养护后，其拉伸强度随粒化高炉矿渣粉添加量的增加而增大，断裂伸长率逐渐减小，且各添加量下拉伸强度均比标准养护条件下的小，断裂伸长率均比标准养护条件下的大。当粒化高炉矿渣粉添加量为30%时，拉伸强度可达0.82 MPa，断裂伸长率为1 005%。这是因为沥青防水涂料在长期浸水的环境下，聚合物乳液中的羟基、羧基等亲水性官能团极易吸收浸入的水分，导致沥青防水涂料吸水溶胀，涂料起到了增塑作用，聚合物的网络结构遭到了膨胀应力的破坏，聚合物分子和粉体粒子间的界面作用力减小，致密性下降、涂膜变软、柔韧性变大，导致涂料的强度减小[4]。
图4 沥青防水涂料在酸处理养护条件下的拉伸性能
从图4可以看出，沥青防水涂料在酸处理养护条件下，其拉伸强度随粒化高炉矿渣粉添加量的增加逐渐增大，而断裂伸长率逐渐减小，且各添加量下拉伸强度均小于标准养护条件下的值，断裂伸长率均比标准养护条件下的大。当粒化高炉矿渣粉添加量在30%时，涂料具有较好的拉伸强度和断裂伸长率。在酸处理养护条件下，体系中的重质碳酸钙与酸性溶液发生化学反应产生大量气泡并生成CO2，导致丙烯酸酯聚合物和粉体颗粒间的稳定结构被破坏，涂膜发生鼓胀，强度减小[5]，而加入耐酸性好的粒化高炉矿渣粉能缓解涂膜的膨胀。
图5 沥青防水涂料在碱处理养护条件下的拉伸性能
从图5可以看出，沥青防水涂料经碱处理养护后，其拉伸强度随粒化高炉矿渣粉涂料量的增加不断增大，断裂伸长率逐渐减小，且各添加量下拉伸强度均比标准养护条件下的小，断裂伸长率均比标准养护条件下的大。当粒化高炉矿渣粉添加量在20%~30%时，防水涂料具有较好的拉伸性能。经碱处理后，一方面，丙烯酸酯乳液中含有的酯基和碱溶液发生水解反应，涂料稳定的网状结构被破坏，致密性变差、强度减小；另一方面，随着粒化高炉矿渣粉的增加，粒化高炉矿渣粉与碱溶液反应的接触面增大，激发了火山灰效应，生成了更多的硅酸钙凝胶，增大了涂料的硬度，导致拉伸强度越来越大。
2.2 粒化高炉矿渣粉改性沥青防水涂料的粘结强度
不同添加量的粒化高炉矿渣粉改性沥青防水涂料在不同养护条件下的粘结强度如图6所示。
图6 沥青防水涂料在不同养护条件下的粘结强度
由图6可知，不同添加量的粒化高炉矿渣粉改性沥青防水涂料在不同养护条件下的粘结强度远大于JC/T 408—2005要求的0.3 MPa，且沥青防水涂料在标准养护条件下的粘结强度均大于其他养护条件时的粘结强度，经水处理和碱处理后的粘结强度也较大，热处理和酸处理后的次之。随着粒化高炉矿渣粉添加量的增加，沥青防水涂料的粘结强度呈先增大后减小的趋势。在标准养护条件下，当粒化高炉矿渣粉添加量为30%时，沥青防水涂料的粘结强度最大为1.39 MPa；随着粒化高炉矿渣粉添加量的增加，沥青防水涂料结构更致密、内聚力逐渐变大、粘结强度也随之增大；当粒化高炉矿渣粉的添加量超过一定值时，粉体粒子不能被基料完全包裹住，体系由连续相转变为非连续相，涂料的黏度增大，沥青防水涂料与基面的浸润性降低，粘结强度减小[6]。浸水后基材表面极易形成带负电荷的水膜，而体系中的基料本身也带负电荷，同种电荷相互排斥，导致颗粒难以渗透到基材的微孔中，所以水处理后沥青防水涂料的粘结强度会减小。具有活性的粒化高炉矿渣粉在碱处理条件下生成了具有胶凝特性的硅酸钙凝胶，此时沥青防水涂料与基材的粘结性良好。热处理后聚合物大分子间的紧密交联结构被破坏，粘结强度也会减小。酸性条件下，体系中生成的气体会导致涂料空鼓、起泡，所以沥青防水涂料与基材的粘结强度较其他养护条件时的小。
2.3 粒化高炉矿渣粉改性沥青防水涂料的吸水率和耐水性
不同添加量的粒化高炉矿渣粉改性沥青防水涂料浸水72 h后的吸水率和浸水168 h后的耐水性测试结果如表2所示。
表2 沥青防水涂料的吸水率和耐水性
从表2可以看出，随着粒化高炉矿渣粉添加量的增加，沥青防水涂料的吸水率逐渐下降，整体下降幅度较小，且沥青防水涂料在各添加量下均没有明显发白、空鼓、起泡的现象。这是因为粒化高炉矿渣粉本身的吸水率比重质碳酸钙要低，随着粒化高炉矿渣粉的不断加入，涂料的吸水率逐渐下降。此外，重质碳酸钙不与聚合物发生反应，二者的结合仅依靠物理吸附来实现，结合不致密导致吸水率高，而沥青防水涂料处于弱碱性环境中，加入的粒化高炉矿渣粉活性被激发，发生化学反应生成凝胶，结构更加致密，涂料吸水率下降。
2.4 沥青防水涂料的微观形貌分析
不同添加量的粒化高炉矿渣粉改性沥青防水涂料在标准养护条件下的SEM放大5 000倍如图7所示。从图7（a）可以看出，当体系中未加入粒化高炉矿渣粉时，沥青防水涂料的微观结构松散、孔隙较多，导致涂料的强度较小。由图7（b）可见，当粒化高炉矿渣粉添加量为30%时，涂料的孔隙较少，有足够的聚合物乳液包裹粉体粒子，聚合物和填料之间的交联密度增大，此时沥青防水涂料涂膜更加密实，沥青防水涂料在不同养护条件下均有较好的拉伸强度和断裂伸长率，表明粒化高炉矿渣粉的加入在沥青防水涂料体系中起到了很好的填充作用。当粒化高炉矿渣粉添加量达到50%时，涂膜表面有部分孔洞、结构不连续、致密性较低，此时聚合物乳液不足以浸润包裹粉体粒子，部分颗粒暴露在涂膜表面，导致涂膜强度迅速提升，而断裂伸长率逐渐下降。
图7 不同添加量的粒化高炉矿渣粉改性沥青防水涂料的SEM图
3、结论
制备了一种沥青防水涂料，通过添加粒化高炉矿渣粉对其进行了改性，并研究了添加量对涂料拉伸性能、粘结强度和耐水性的影响，结果表明：
1）采用粒化高炉矿渣粉改性后的沥青防水涂料结构更加致密，随着粒化高炉矿渣粉添加量的增加，改性沥青防水涂料的拉伸强度逐渐增大，断裂伸长率逐渐减小。经热处理养护后的拉伸强度比标准养护时的大，断裂伸长率比标准养护时的小；水处理、酸处理和碱处理养护后的拉伸强度比标准养护时的小，断裂伸长率比标准养护时的大。
2）沥青防水涂料与混凝土基材的粘结性较好，在不同养护条件下的粘结强度远大于JC/T 408—2005要求的0.3 MPa。在标准养护条件下，当粒化高炉矿渣粉添加量为30%时，沥青防水涂料粘结性能最佳，粘结强度最大可达1.39 MPa。
3）随着粒化高炉矿渣粉添加量的增加，沥青防水涂料的吸水率呈先下降后上升的趋势，当粒化高炉矿渣粉添加量为30%时，涂料吸水率最低，且在各添加量下涂膜均没有明显发白、空鼓、起泡的现象。
参考文献：
[1] 陈中华，张耀宗，彭亮.弹性丙烯酸乳液改性水性沥青防水防锈涂料的研制与性能[J].电镀与涂饰，2019，38（6）：235-240.
[2] 沈春林，褚建军.中国建筑防水涂料现状与发展前景[J].中国建筑防水，2016（20）：1-5，9.
[3] 李文政，王丹，常钧.不同乳液对聚合物水玻璃基防水涂料力学性能作用机理[J].大连理工大学学报，2020，60（3）：276-284.
[4] 龚志刚.金属屋面防水涂料的耐老化性能研究[J].中国建筑防水，2017（17）：5-8.
[5] 常志，刘晓东，张冬冬，等.金属屋面丙烯酸高弹防水涂料酸处理强度保持率的影响因素研究[J].中国建筑防水，2020（1）：17-20.
[6] 刘伟，邵增峰.道桥用水性乳化沥青防水涂料粘结强度的影响因素研究[J].中国建筑防水，2020（11）：1-3.
作者简介：刘秋秋，女，1998年生，硕士研究生，从事高性能土木工程材料及应用研究。
原文刊载于《中国建筑防水》2023年第3期。
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