建筑防水材料是建筑材料的一个重要组成部分,属于功能性材料,建筑物和构筑物之所以要采用防水材料其主要目的是为了防潮、防渗、防漏。我国在建筑工程防水材料方面的投入每年呈递增趋势。2003年,在工程总造价中防水工程造价达到15 %以上,特别是地下室的防水造价比例已达工程总造价的25 %～30 % [ 1 ]。我国建筑防水涂料年使用量占防水材料总量的10 %左右,有的地区(例如厦门防水涂料使用量)占防水材料总量的50 %左右[ 2 ]。虽然在防水工程方面的投入很大,但防水效果不理想,新建工程当年渗漏率都在10 %左右,国家每年用于防水方面的维修费将近20亿元。建筑防水效果的好坏,关键在于防水材料是否具有良好的性能。近年来,我国防水材料的研究取得了很大进步,先后开发了油膏类、卷材类、溶剂型黏稠液、水基型乳液和粉剂型防水材料,并得到了广泛的应用。
1防水涂料的概念及分类
1. 1防水涂料的概念
建筑防水涂料。(简称防水涂料)是一种建筑防水材料。将涂料单独或与胎体增强材料复合,分层涂刷或喷涂在需要进行防水处理的基层表面,即可在常温条件下形成一个连续无缝整体且具有一定厚度的涂膜防水层,从而能满足工业与民用建筑的屋面、地下室、卫生间和外墙等部位防水抗渗要求。防水涂料一般是由沥青、合成高分子聚合物、合成高分子聚合物与沥青、合成高分子与水泥或以无机复合材料等为主要成膜物质,掺入适量的颜料、助剂、溶剂等加工制成的溶剂型、水乳型或反应型的,在常温下无固定形状的黏稠状液态或可液化的固体粉末状态的含高分子合成材料的复合材料。
1. 2防水涂料的分类
1. 2. 1按照涂料的基料和分散介质分类
防水涂料按其成膜物可分为沥青类、高聚物改性沥青(亦称橡胶沥青类)、合成高分子类(又可再分为合成树脂类、合成橡胶类)、无机类、聚合物水泥类等5大类。按其状态与形式,大致可分为溶剂型、反应型、乳液型3大类。
(1)溶剂型防水涂料
溶剂型防水涂料其作为主要成膜物质的高分子材料是以溶解于(以分子状态存在于)有机溶剂中所形成的溶液为基料,加入颜填料、助剂制备而成的。它是依靠溶剂的挥发或涂料组分间化学反应成膜的,因此施工基本上不受气温影响,可在较低温度下施工。涂膜结构紧密、强度高、弹性好;防水性能优于水乳型防水涂料。但在施工和使用中,有大量的易燃、易爆、有毒的有机溶剂逸出,对人体和环境有较大的危害,因此近年来应用逐步受到限制。溶剂型防水涂料的主要品种有溶剂型氯丁橡胶沥青防水涂料、溶剂型氯丁橡胶防水涂料、溶剂型氯磺化聚乙烯防水涂料等。
(2)反应型防水涂料
反应型防水涂料其作为主要成膜物质的高分子材料是以预聚物液态形式存在。反应型防水涂料是通过液态的高分子预聚物与相应的物质发生化学反应成膜的一类涂料。反应型防水涂料通常也属于溶剂型防水涂料范畴,但由于成膜过程具有特殊性,因此单独列为一类。反应型防水涂料通常为双组分包装,其中一个组分为主要成膜物质,另一组分一般为交联剂。施工时将两种组分混合后即可涂刷。在成膜过程中,成膜物质与固化剂发生反应而交联成膜。反应型防水涂料几乎不含溶剂,其涂膜的耐水性、弹性和耐老化性通常都较好,防水性能也是目前所有防水涂料中最好的。反应型防水涂料的主要品种有聚氨酯防水涂料与环氧树脂防水涂料两大类。其中环氧树脂防水涂料的防水性能良好,但涂膜较脆,用羧基丁腈橡胶改性后韧性增加,但价格较贵且耐老化性能不如聚氨酯防水涂料。反应型聚氨酯防水涂料的综合性能良好,是目前我国防水涂料中最佳的品种之一。
(3)乳液型防水涂料
乳液型防水涂料为单组分水乳型防水涂料。涂料涂刷在建筑物上以后,随着水分的挥发而成膜。乳液型防水涂料其主要成膜物质高分子材料是以极微小的颗粒稳定悬浮在水中而成为乳液状涂料的。该类涂料施工工艺简单方便,成膜过程靠水分挥发和乳液颗粒融合完成,无有机溶剂逸出,不污染环境,不燃烧,施工安全,其价格也较便宜,防水性能基本上能满足建筑工程的需要,是防水涂料发展的方向。乳液型防水涂料的品种繁多,主要有:①水乳型阳离子氯丁橡胶沥青防水涂料;②水乳型再生橡胶沥青防水涂料;③聚丙烯酸酯乳液防水涂料;④EVA(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有机硅改性聚丙烯酯乳液防水涂料等。
1. 2. 2按照涂料的组分不同进行分类
根据防水涂料的组分不同,一般可分为单组分防水涂料和双组分防水涂料2类。单组分防水涂料按液态不同,一般有溶剂型、水乳型2种。双组分防水涂料则以反应型为主。
1. 2. 3按使用部位分类
建筑防水涂料按其在建筑物上的使用部位不同,可分为屋面防水涂料、立面防水涂料、地下工程防水涂料等几类。
2防水涂料的防水机理[3]
防水涂料品种繁多,但其防水机理可分为2类,其一是涂膜型,其二是疏水型。
2. 1涂膜型防水涂料的防水机理
涂膜型防水涂料是通过形成完整的涂膜来阻挡水的透过或水分子的渗透来进行防水的。许多高分子涂膜的分子与分子之间总是有一些间隙的,其宽度约为几个纳米,按理说单个水分子是完全能够通过的,但自然界的水通常处于缔合状态,几十个水分子之间由于氢键的作用而形成一个很大的分子团,因此实际上是很难通过高分子间隙的,这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机理
由于有些聚合物分子上含有亲水基团,故聚合物所形成的完整连续的涂膜并不能保证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,使水分子与涂膜之间根本不相容,则就可以从根本上解决水分子的透过问题,聚硅氧烷防水涂料就是根据此原理设计的。
3防水涂料的研究现状
3. 1国际研究现状
采用防水涂料来防止建筑物的渗水和漏水是20世纪50年代末就已开始使用的一种防水方法。
20世纪60年代,欧、美、日等国家或地区发展起来一种新型高分子的防水涂料——聚氨酯防水涂料。其中美国最早使用聚氨酯涂膜防水,后来又推广到加拿大、中东以及东南亚各国。日本1964年从美国杜邦公司引进聚氨酯防水涂料专利技术,发展迅速,平均每年增长率为13 . 5 %。日本在1969年颁布了聚氨酯防水涂料的工业标准,目前日本每年用量高达3万t左右[4 ]。
目前,美、德、法、日等工业发达国家的防水涂料在整个建筑防水材料中都占有相当的份额。他们在积极发展高聚物改性沥青防水涂料和合成高分子防水涂料的同时,又开发了无机渗透结晶型的粉状防水涂料等品种,而且正向着环保型防水涂料方向发展。Jasperson等[5 ]开发出了丙烯酸聚合物与乙烯基聚合物水乳型防水涂料,其中该乳液至少含有40 %的丙烯酸和乙烯基聚合物,二氧化钛的体积浓度不超过10 %。该防水涂料主要用于屋面和外墙的防水,涂膜具有很高的弹性,该防水涂料是一种耐久性防水涂料,一般至少可以使用10年。Meddaugh等[6 ]研制出了水乳型有机硅防水涂料,其中有机硅乳液主要是由阴离子表面活性剂稳定的羟基封端的聚二有机硅氧烷(100份)、无定型二氧化硅(1份)、有机锡盐等组成。乳液的pH值> 9 ,固含量> 35 %。该有机硅防水涂料在涂膜干燥后,能够提供弹性涂膜,该弹性涂膜粘附在砌筑墙的表面,能够提供很大的力以抵抗来自外表面任何水的压力,防水效果良好。
Rodgers等[7 ]开发的聚合物水泥型防水涂料主要用于混凝土的防水。其中水泥的含量为5 . 0 %～8 . 0 %、200目的碳酸钙含量为20 %～50 %、聚醋酸乙烯的含量为0 . 5 %～6 %、50目的碳酸钙与30 %～60 %醋酸乙烯酯-乙烯共聚物乳液相混合,剩余部分为水。该防水涂料具有很好的阻燃性、隔热性以及耐化学腐蚀性。Kyminas等[ 8 ]制造出了坚固耐用的屋面防水涂料,主要用于长期受风雨侵蚀屋面的防水。基料为含有石油沥青、改性沥青和泡沫塑料、丙烯酸聚合物的水乳型分散体,颜填料为二氧化钛、碳酸钙、二氧化硅、云母、高岭土,颜料的平均粒径小于200μm ,颜料在分散体系中的体积浓度> 20 %。该防水涂料的涂膜与基层的附着力强、阻燃性好、能够反射大量的太阳光和热,因此延缓了顶板的热老化,并降低了室内温度。
Roberts等[ 9 ]研制的墙面防水涂料是通过对含有4～6个碳原子的脂肪族烯烃或脂肪族二烯烃进行聚合而得的烃类树脂与弹性共聚物(由苯乙烯、异戊二烯、丁二烯共聚)为基料,溶剂为混合溶剂(含有约80 %～95 %的脂肪烃,5 %～20 %的芳香烃,其中脂肪烃中含有至少1 %的正庚烷)。该防水涂料的配方为:苯乙烯、异戊二烯共聚橡胶22份,烃类树脂25份,绿色颜料1份,乳酸20份,庚烷30份, Shellflex2份。该防水涂料具有良好的耐候性、耐化学腐蚀性、抗拉强度高、延伸率高等优点,主要用于地下室的防水。施工时,主要采用高压无空气喷涂。近年来,美国亨瑞公司在过去开发和应用乳液沥青防水涂料的基础上,又成功开发了一种以改性的优质氧化沥青为主要原料,掺入适量的化学助剂、填充剂、石油溶剂和乳化剂等,经过特殊的加工工艺,制成了一种高固含量(73 %以上),能在潮湿基层或雨中进行施工,并容易涂抹的厚质防水涂料。由于这种涂料既有疏水功能,又有一定的亲水性,即具有“两性功能,故可在下雨时,对屋面进行防水堵漏的施工作业,能发挥救急的作用,很受用户欢迎[ 10 ]。
美国创高公司生产的一种不含挥发性有机溶剂的单组分聚氨酯防水涂料——创高60 ,该涂料可根据设计要求,采用能够控制涂膜厚度的锯齿形特制刮板直接涂刷在基层表面,经吸收空气中的水分固化形成足够厚度的涂膜防水层[ 10 ]。来自美国的最新专利产品阻热防水涂料,当它在金属物体上使用时,极具柔性和封闭性,能堵漏、隔热、防锈;用于沥青屋面作防水涂料时,可反射90 %的太阳能,能够防止沥青降解,延长防水寿命;用于刚性防水屋面时,因其具有极佳的粘附性和延伸性[ 1 ] ,能够封闭因混凝土膨胀造成的细裂纹和缝隙,从而防止水分渗透。美国和法国的铝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,又能对原有防水层起到保护作用,并能反射紫外线和太阳光,不但可以降低顶层房屋的室内温度,节省空调费用,而且可以延长防水层的使用年限,目前已成为房屋建筑业主乐意选用的功能型防水涂料之一[ 10 ]。
3. 2我国研究现状
我国防水涂料的开发和应用始于20世纪60年代,当时多以石油沥青或各种废旧材料(如废胶粉等)和化工厂的下脚料(如苯乙烯焦油等)为主要原料,加工制成乳化沥青防水涂料或废胶粉改性沥青防水涂料和苯乙烯焦油防水涂料等。由于这些防水涂料的质量不够稳定,施工方法不规范、涂膜厚薄不均匀、防水层使用年限较短等原因,故未能在新建的防水工程中大面积推广应用[ 10 ]。20世纪70年代,北京建筑工程研究院开始研制聚氨酯防水涂料,该类涂料发展非常迅速,每年以18 %的速度增长,1994年产量为1万t ,其中主要是煤焦油作活性填料的聚氨酯防水涂料[ 4 ]。
据调查,1999年聚氨酯防水涂料销量中,焦油型约占66 % ,非焦油型占34 %。焦油型防水涂料在防水涂料中占有举足轻重的地位[ 11 ]。但煤焦油是一种复杂的混合物,它含有蒽、菲、咔唑、吡啶等数百种组分,众多的挥发组分严重污染环境和危害人体健康。因此,近年来北京和上海等城市已相继发文禁止使用焦油聚氨酯防水涂料。在此背景下,1998年建设部将非焦油型聚氨酯防水涂料列为全国住宅推荐产品13种防水涂料之一,从而极大地推动了聚氨酯防水涂料在我国的推广应用和健康发展[ 12 ]。
上海汇丽化学建材厂、天津大学化工实验厂、苏州非金属矿业研究院防水材料研究所等单位生产双组分聚醚型聚氨酯防水涂料[ 13 ]。山西省建筑科学研究院成功研制出环保型水性沥青聚氨酯防水涂料[ 14 ]。北京三原建筑粘合材料厂成功研制出无溶剂聚氨酯防水涂料,该产品固含量高,摒弃了煤焦油成分,是焦油型聚氨酯防水涂料的理想替代产品之一[ 15 ]。上海复旦大学材料科学系研制的丙烯酸酯防水涂料于1991年应用于深圳火车新客站篷面的防水工程,1992年应用于复旦大学微分析中心楼的屋面上,1994年以后陆续应用于复旦大学材料二楼、李达三楼、新化学楼、上海长兴岛特技城锥形体屋面、北京中国长城电脑大厦、上海华富大厦、上海筛网厂新办公楼、上海浦东西门子公司等建筑的屋面防水工程上[ 16 ]。武汉现代工业技术研究院成功研制开发了一种新型水泥基防水涂料——WGB长效复合彩色防水涂料,并通过了武汉市科委组织的专家会议鉴定。WGB长效复合彩色防水涂料是由一种硅丙树脂与VAE乳液经特殊工艺复合而成的新型防水涂料。兼有VAE防水涂料的高耐渗性和丙烯酸乳液的耐候性、耐久性和有机硅防水剂的强基体渗透性等各种防水材料的优点。具有高弹性、高抗拉强度,与基层结合牢固,并能克服基层开裂、变形所产生的渗漏问题。可达到长期防水效果。试验表明,有效防水期可长达30年。同时该涂料为水性涂料,无毒、无污染,可调制成各种颜色,能起到美化环境的作用,是一种绿色环保产品。该涂料还具有应用面广、施工方便、综合成本低的优势,适用于屋面、卫生间、地下室、内外墙、水池、桥涵、水下、地下建筑物的防水;可刷涂、滚涂、刮涂,也可掺加到水泥中制成防水水泥砂浆;综合成本相当于沥青基防水材料。不仅有效地解决了建筑物防水问题,还解决了现有的一些高分子防水材料成本过高、施工难度大、推广应用困难等问题[ 17 ]。2003年2月成都健生化工有限公司研制生产出高性能新型绿色环保丙烯酸酯防水涂料,据悉,该产品已获得国家建设部和四川省建设厅的批准,目前已经正式批量生产,全面投放市场。该产品无毒、无味,具有优异的耐老化性、粘附性、耐冷热、耐碱性、耐低温性等特点,各项技术指标均达到了国家的相关标准,它能够广泛应用于新旧建筑地下室、屋面及墙体、厨卫间、仓库、游泳池等场所的防水和防潮[ 18 ]。
硅橡胶防水涂料是治金部建筑研究总院在国内首次研制成功的新型防水涂料。硅橡胶防水涂料可掺入无机填料及各种特殊助剂,是乳液型防水涂料。涂料吸收了涂膜防水和渗透性防水材料两者的特点,具有良好的防水、防渗透、高弹性、耐湿热性、耐候性等综合性能。因此建设部将其列为“八五”科技成果向全国建筑业推广[ 19 ]。从20世纪70年代末开始,随着我国科学技术进步和化学建材工业的发展,防水涂料也获得了迅速发展,到目前为止,关于防水涂料的发明专利有120项之多,主要是双组分[ 20 -21 ]和单组分[ 22 -23 ]的聚氨酯防水涂料、(改性)聚丙烯酸酯防水涂料[ 24 -25 ]、废旧材料改性防水涂料[ 26 -27 ]、氯丁胶防水涂料[ 28 -29 ]、聚合物水泥防水涂料[ 30 -32 ]、高聚物改性沥青防水涂料[ 33 -34 ]以及无机防水涂料[ 35 -36 ]等,形成了化学反应固化型和溶剂(包含水)挥发干燥型等性能不同、形态不一的多类型、多品种的格局。
到目前为止,有一定生产规模的防水涂料生产厂共有200家左右,每年生产总量已超过15万t。主要应用于工业和民用建筑的卫生间防水,部分用于屋面、地下室和外墙等工程防水,均取得了较理想的防水效果。为此,在国家化学建材推广应用“九五”计划和2010年发展规划纲要中已明确列为“适当发展防水涂料”的目标要求。
4发展趋势
4. 1产品功能多样化
目前使用的绝大多数防水涂料的功能比较单一,即防水抗渗。而且施工必须在无明水的基材表面和非下雨天进行。未来的防水涂料将集防水、装饰、保温、隔热等多种功能于一体,且能在潮湿的基材上进行施工。
4. 2产品对环境友好
当前的防水涂料大多为溶剂型。防水涂料中含有大量的有机挥发物,在配漆和施工过程中,大量VOC排向大气,造成污染。同时施工人员在施工过程中不可避免地会吸入部分VOC。VOC对人体的健康危害很大。它们不但对皮肤具有侵蚀作用,而且对人体中枢神经系统、造血器官、呼吸系统有刺激和破坏作用,可引起头疼、恶心、胸闷、乏力、呕吐等症状,严重时会抽搐、昏迷甚至死亡。因此,世界上主要的涂料生产国纷纷出台了限制VOC排放的法规。生产低VOC对环境友好的防水涂料已是大势所趋。通常实现低VOC的途径有3种:①用水代替挥发性有机溶剂;②提高固含量;③发展粉末涂料。
4. 3产品性能更加优异
由于技术、施工等方面的原因,目前的防水涂料产品性能相对较差:拉伸强度较低,延伸率较小,耐候性较差,使用寿命较短。未来的防水涂料将向着各项性能较高、对基层伸缩或开裂变形适应性较强的方向发展。
4. 4发展纳米复合防水涂料
像防水涂料这样的外用涂料,对涂料的耐老化、耐洗刷、抗紫外线等性能要求很高。在涂料中加入纳米材料,可以提高涂料的耐老化、防渗漏、耐洗刷等性能,从而提高涂料的档次,延长涂膜的使用寿命。经纳米材料改性后的防水涂料产品外观显得更加饱满、匀和,涂膜光洁细腻,触感优良,防水性好,与基层的粘接力大大提高,尤其明显的是改性后的涂料抗紫外线、耐洗刷性能非常优越。武汉理工大学的余剑英[ 37 ]成功研制出一种纳米改性聚合物基屋面防水涂料,它包括作为基料的聚合物乳液,作为填料的碳酸钙、滑石粉或云母粉,其特征在于加入了作为改性剂的无机纳米粒子和钠基蒙脱土,涂料的基本配方为:聚合物乳液38 . 9 %～65 %、无机纳米粒子0 . 1 %～5 %、钠基蒙脱土1 %～6 %、填料30 %～60 %。其制造方法为:将无机纳米粒子改性剂加入基料中,在超声波作用下进行分散,然后加入钠基蒙脱土高速搅拌进行插层复合,最后加入填料再经搅拌、研磨、过滤而制得。该涂料既具有优异的力学性能和防水性能,又具优良的抗紫外线能力,能够显著延长屋面防水工程的使用寿命。
4结语
我国城市基础设施改造和住宅工程建设的迅猛发展,以及大型建筑工程的发展,为防水涂料的应用和发展提供了广阔的前景;同时防水涂料产品功能和性能的不断提高以及施工技术的机械化亦为建筑工程的防水提供了可靠的保障。
