填料对聚合物水泥防水涂料性能的影响研究

李雪玲 付弯弯 卢雨婷 陈梓禾 王欢

摘 要：填料填充于聚合物乳胶粒和水泥之间的空隙，使涂膜结构更加密实，增强聚合物水泥防水涂料的拉伸性能并提高其硬度。研究了填料种类及其用量对聚合物水泥防水涂料性能的影响，得出如下结论：随着填料用量的增加，涂膜的抗拉强度先提高后降低，断裂伸长率降低;在液粉比为1.0的情况下，以粉煤灰为填料的聚合物水泥防水涂料的抗拉强度高达2.58 MPa，断裂伸长率为271%，且硬度达到5H，得到的涂膜性能最佳。

关键词：聚合物水泥防水涂料;填料;抗拉强度;断裂伸长率;硬度

中图分类号：TU56     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）1-0094-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.020

Study on the Effect of Filler on the Performance of Polymer Cement

Waterproof Coating

LI Xueling    FU Wanwan    LU Yuting    CHEN Zihe    WANG Huan

（School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan Polytechnic University， Wuhan 430023，China）

Abstract： Filler is filled in the gap between polymer latex particles and cement， so that the film structure is more dense， enhance the tensile properties of polymer cement waterproof coating and improve its hardness. The influence of filler type and amount on the performance of polymer cement waterproof coating was studied. The following conclusions were drawn： with the increase of filler amount， the tensile strength of the coating film increased first and then decreased， and the elongation at break decreased. Under the condition of liquid powder ratio of 1.0， the tensile strength of polymer cement waterproof coating with fly ash as filler is as high as 2.58MPa， the elongation at break is 271%， and the hardness is up to 5H， and the film performance is the best.

Keywords： polymer cement waterproof coating;filler; tensile strength;elongation at break;hardness

0 引言

聚合物水泥防水涂料由聚合物乳液、水泥、填料和助剂组成，是经水泥水化反应以及高分子微粒脱水粘连在一起，在保护基材表面形成的具有一定憎水性、抗渗性和弹性的连续性薄膜防水材料[1]。其具有聚合物乳液提供的柔韧性兼以水泥、填料等无机材料的刚性[2]，不仅达到大部分建筑、桥梁、隧道等工程防水强度要求，而且无毒无害，符合环境友好型材料的发展趋势。

填料作为聚合物水泥防水涂料的重要组分，填充于聚合物网络中，起到限制聚合物分子链间自由伸缩的作用[2]，从而提高材料的刚度，并且可以填充有机微粒与无机微粒之间的空隙[3]，增加了材料的强度和稳定性，对聚合物水泥防水涂料的性能产生影响。现阶段，在制备聚合物水泥防水涂料的过程中，多采用重质碳酸钙、滑石粉等矿物质粉末作为填料，然而重质碳酸钙在涂料中容易沉淀，不利于贮存[4];滑石粉作为填料易造成涂膜分层，影响聚合物防水功能[4]，而且使用过多易使人体致癌。基于此，研究其他性能更佳的填料用于制备聚合物水泥防水涂料十分必要。矿粉和粉煤灰均为工业废料，二者不仅具有较高活性，其细度也比水泥小，如果能变废为宝，不仅能减少工业废料对环境的危害，也找到了新的填料代替物。因此，笔者以矿粉、粉煤灰和砂子作为填料，研究其用量对聚合物水泥防水涂料抗拉强度、断裂伸长率以及硬度的影响。

1 试验部分

1.1 原材料

乙酸乙烯酯-乙烯共聚乳液（EVA乳液），北京蒙泰伟业建材有限公司;42.5级普通硅酸盐水泥，华新水泥股份有限公司;γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂（KH-550），山东优索化工科技有限公司;填料：200目矿粉、200目粉煤灰、200目砂子。

1.2 試验仪器

BSA系列电子天平，精度0.1 g;游标卡尺，精度0.02 mm;DL-D系列电子万能试验机，江苏新真威试验机械有限责任公司;OU4300铅笔硬度计，沧州欧谱检测仪器有限公司。

1.3 聚合物水泥防水涂料试样制备及性能测试

1.3.1 防水涂料与试样的制备。聚合物水泥防水涂料实验室配合比如表1所示，首先按照比例称取一定量的水泥放入烧杯中，根据编号分别加入相应的矿粉、粉煤灰、砂子三种填料，混合搅拌均匀制成粉料;而后按照比例称取一定量的EVA乳液放入烧杯中，加入质量分数为1%的硅烷偶联剂KH-550，混合搅拌均匀制成液料;最后将粉料和液料混合后用玻璃棒进行人工搅拌1 min，然后采用电动搅拌机以300 r/min的转速搅拌3 min，制得聚合物水泥防水涂料。

在模具上刷一层脱模剂，将聚合物水泥防水涂料倒入模框中，用铲子进行防水涂料涂覆，涂覆厚度保证在1.5 mm±0.2 mm范围内，然后置于室温条件下养护6 d后脱模、标线，最后将试样裁成哑铃Ⅰ型并编号。

1.3.2 拉伸强度测试。依照《建筑防水涂料试验方法》（GB/T 16777—2008）测定试样的抗拉强度和断裂伸长率，抗拉强度按照式（1）计算[5]：

1.3.3 硬度测试。根据《色漆和清漆铅笔法测定漆膜硬度》（GB/T 6739—2006）相关规定，通过由低至高不同硬度的铅笔芯推过试样表面至少7 mm的距离，直至产生大于3 mm长的划痕为止[6]的方法测定涂膜的硬度。

2 结果与分析

2.1 填料用量对聚合物水泥防水涂料拉伸性能的影响

以矿粉、粉煤灰和砂子作为不同填料，研究这三种填料用量对聚合物水泥防水涂料抗拉强度和断裂伸长率的影响。从图1可以看出，随着填料用量的增加，三种填料的涂膜抗拉强度均呈增大趋势。当m（填料）∶m（水泥）=0.5∶1时，砂子作为填料制作的涂膜抗拉强度达到1.20 MPa，矿粉作为填料制作的涂膜抗拉强度达到1.34 MPa，粉煤灰作为填料制作的涂膜抗拉强度高达2.58 MPa;继续增加矿粉，涂膜的抗拉强度增大到1.53 MPa;继续增加砂子和粉煤灰，涂膜的抗拉强度分别降至0.85 MPa和2.15 MPa。由此可得，这三种填料中，采用粉煤灰制得的涂膜抗拉强度最大。

从图2可以看出，随着填料用量的增加，涂膜的断裂伸长率逐渐降低。以粉煤灰作填料制作的涂膜断裂伸长率由300%降至50%，矿粉的由432%降至76%，砂子的由570%降至290%。由此可知，这三种填料中，采用砂子制得的涂膜断裂伸长率最好。

针对以上现象的解释如下。当填料用量较少时，随着填料用量的增加，填料颗粒不断填充聚合物-水泥网络结构之间的空隙[7]，且不影响聚合物乳液和水泥的胶结[8]、凝结能力，逐渐提高涂膜的密实度，故矿粉、粉煤灰和砂子的抗拉强度逐渐增大，添加到适当量时具有较好的断裂伸长率并达到最大抗拉强度。继续增加填料，抗拉强度反而降低。空隙被最大密实后，仍旧不断添加填料，过多的填料破坏了水泥凝结能力和聚合物乳胶粒胶结能力，而且由于填料颗粒过细，比表面积和表面能很大，填料颗粒形成非均匀分散的聚集成团状态[9]，变成二次粒子，包覆二次粒子表面的未水化的水泥颗粒水化，阻碍水分子往内部渗透，影响了内部水泥粒子水化和聚合物乳胶粒的胶结能力，形成黏结力薄弱部位[10]，影响防水涂料固化后的强度、刚度和稳定性。因此，抗拉强度和断裂伸长率均随着填料过多地使用而下降。

2.2 填料种类对聚合物水泥防水涂料拉伸性能的影响

基于2.1小节的结果，在m（填料）∶m（水泥）=0.5∶1的基础上，继续研究不同填料对涂膜抗拉强度和断裂伸长率的影响，结果如图3所示。

从图3可以看出，以粉煤灰为填料的聚合物水泥防水涂料抗拉强度最大，达到2.58 MPa，但断裂伸长率仅有271%;矿粉制备的聚合物水泥防水涂料抗拉强度和断裂伸长率分别为1.34 MPa、300%;砂子作填料的涂膜断裂伸长率虽高达379%，但抗拉强度只有1.20 MPa。综上可知，当填料用量一定时，采用粉煤灰作填料制得的涂膜抗拉强度最大，矿粉制得的涂膜次之，砂子作填料制得的涂膜抗拉强度最小。

这是因为在拌制涂料过程中，在相同用量的情况下，粉煤灰吸水量最大，拌制的涂料最黏稠;矿粉黏稠性和流动性则居于粉煤灰和砂子之间;砂子几乎不吸水，拌制的涂料最稀、流动性最好。矿粉和粉煤灰都存在大量玻璃球状颗粒，但矿粉是由矿物粉碎加工得到的粉料，颗粒大小较为均匀，而粉煤灰是热电厂高温燃烧排出的细微颗粒，在排出过程中微粒相互碰撞粘连成粗糙有棱角的颗粒，大小颗粒搭配，颗粒级配更加良好，能够更好地填充聚合物乳胶粒与水泥颗粒之间的毛细孔洞，使涂膜结构更加密实，因此，粉煤灰制作的涂膜有更好的抗拉强度。砂子因外观呈圆形，颗粒大小均匀，颗粒级配不良，且表面光滑，其填充在涂膜中，不仅与水泥黏结较差，而且使水泥的水化作用减弱[11]，故抗拉强度最差，对应的断裂伸长率也最高。

2.3 填料用量及种类对聚合物水泥防水涂料硬度的影响

硬度反映防水涂膜抵抗外来物体压陷、刮擦和切划的能力。对此，研究了矿粉、粉煤灰和砂子这三种填料及其用量对聚合物水泥防水涂料硬度的影响，结果如表2所示。

由表2数据可得，随着矿粉用量的增加，涂膜硬度呈现增大趋势，当矿粉用量与水泥用量的比为0.5∶1时，涂膜硬度达到6H;随着粉煤灰用量的增加，涂膜硬度先增大到6H后减小至5H;而随着砂子用量的增加，涂膜硬度由5H逐渐减小至3H，硬度性能相对较差。

矿粉和粉煤灰含有较多的活性二氧化硅，活性二氧化硅与水泥水化生成的氢氧化钙起反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙，其可以提高材料的刚性以及与基材的黏结力，因而制备出的聚合物防水涂膜具有较高的硬度，硬度值在5H～6H。然而，砂子属于非活性填料，主要起填充作用，不与水泥起反應，并且随着用量的增加，砂子与水泥接触的表面积增大，砂子表面较圆滑，与水泥的黏结力不强，在外界刮划作用下，涂膜容易出现裂痕，抵抗外物磨划的能力较差，因此，随着砂子用量的增加，涂膜的硬度也随之下降。由此得出，这三种填料中，采用矿粉作为填料的涂膜硬度最大。

3 结语

①随着填料用量的增加，涂膜的抗拉强度先升高后降低，断裂伸长率降低。在矿粉、粉煤灰和砂子这三种填料中，采用粉煤灰制得的涂膜抗拉强度最大，达到2.58 MPa;采用砂子制得的涂膜断裂伸长率最好，达到570%。

②当m（填料）∶m（水泥）=0.5∶1（液粉比为1.0）时，矿粉、粉煤灰和砂子作填料的涂膜均表现出较好的抗拉强度和断裂伸长率，其中粉煤灰作填料的涂膜拉伸性能最优，抗拉强度达到2.58 MPa，断裂伸长率为271%。

③随着矿粉、粉煤灰、砂子用量的增加，矿粉作填料的涂膜硬度由5H增加到6H;粉煤灰作填料的涂膜硬度先增大到6H后减小至5H;砂子作填料的涂膜硬度由5H逐渐减小至3H。这三种填料中，矿粉制作的涂膜硬度最大。

④综上所述，当液粉比为1.0时，矿粉、粉煤灰和砂子作填料的涂膜均有较好的拉伸强度和硬度。其中以粉煤灰作填料的涂膜性能最好，抗拉强度达到2.58 MPa，断裂伸长率达到271%，硬度为5H，已满足《聚合物水泥防水涂料》（GB/T 23445—2009）中I型产品抗拉强度≥1.20 MPa、断裂伸长率≥200%的标准要求。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.聚合物水泥防水涂料：GB/T 23445—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.

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[3] 刘晓东，张冬冬，孙剑.填料对聚合物水泥防水涂料力学性能的影响[J].中国建筑防水，2014（21）：27-29，33.

[4] 孙艳芳，赵培龙.粉煤灰在单组分高强度聚氨酯防水涂料中的应用研究[J].中国建筑防水，2018（17）：12-15.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.建筑防水涂料试验方法：GB/T 16777—2008[S].北京：中国标准出版社，2008.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.色漆和清漆 铅笔法测定漆膜硬度：GB/T 6739—2006 [S].北京：中国标准出版社，2006.

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[10] 胡小琴，李之锋.添加剂对聚合物水泥防水涂料性能的影响[J].新型建筑材料，2015，42（8）：59-61.

[11] 李成吾，杜晓宁，刘艳辉.聚合物水泥防水涂料的制备及其拉伸性能[J].新型建筑材料，2015，42（1）：72-73，76.

收稿日期：2021-11-22

作者简介：李雪玲（1999—），女，本科生，研究方向：绿色建筑材料。

通信作者：付弯弯（1990—），女，博士，讲师，研究方向：相变储能材料和新型建筑涂料的制备及应用。

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