硅基防水涂料作为防水修补材料的使用性能分析

姜广明，梁 杨，丁晓晨，胡 水，刘昊北，焦 昌

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.凡士通（上海）贸易有限公司，上海 201512；3.北京化工大学，北京 100029；4.中国建筑材料联合会，北京 100037；5.中国合格评定国家认可中心，北京 100062）

0 引言

硅基防水涂料的低温柔性和耐候性极佳，也可应用于长期积水的环境。建筑防水失效或者防水层破坏时，可以使用防水修补材料对建筑和防水层进行修补。防水修补材料必须与下道防水涂料、防水卷材等有较好的相容性［1］，有较强的复合粘结强度和粘接剥离强度［2］等。硅基防水涂料可广泛地修补老化后的防水沥青、防水卷材和防水涂料等表面。由于硅基防水涂料为湿气固化型，因此硅基防水涂料可以在潮湿界面上进行施工。

本研究通过微观分析的手段，比较了硅基防水涂料与常见防水涂料在成分、组分和性能上的差异，讨论了硅基防水涂料的特殊性。本研究还通过对硅基防水涂料与其他防水涂料复合后的粘结强度和不透水性的研究，验证了硅基防水涂料对其他不同种类的防水涂料的修补能力，以期为防水涂料的相容性研究提供参考，为防水设计提供数据支撑。

1 原材料

为研究硅基防水涂料作为防水修补材料的使用性能，从不同厂家处收集了 5 款防水涂料。其中 FS-2 为聚氨酯防水涂料；FS-3 和 FS-4 为聚合物水泥防水浆料；FS-5 为聚合物水泥防水涂料；FS-9 为硅基防水涂料。FS-9 将作为防水修补材料与其他 4 款防水涂料复合使用。5 款防水涂料的样品信息，如表 1 所示。

表1 五款防水涂料的样品信息

5 款防水材料的部分物理力学性能，如表 2 所示。

表2 五款防水涂料的部分物理力学性能

一般来讲，合成高分子防水涂料的柔韧性较好，断裂伸长率较高，粘结强度较低［3］；而聚合物水泥防水涂料［4］和聚合物水泥防水浆料的柔韧性较差，断裂伸长率较低，粘结强度要略高一些。

2 实验设备

力学性能使用日本 Shimadz 公司生产的 AG-IC 100 kN 电子万能材料试验机。

红外光谱使用美国 Thermo Fisher SCIENTIFIC 公司生产的 Nicolet 6700 傅立叶变换红外光谱仪测试，扫描范围为 4000～400cm-1，分辨率为 4cm-1。采用 ATR 方式测试涂层的红外光谱。

热失重分析使用瑞士 METTLER-TOLEDO 公司生产的 TGA/DSC1 同步热分析仪（型号 STARe system）测试；氮气气氛，测试的温度范围为室温～1 000 ℃，升温速度 10 ℃/min。

动态力学性能使用德国 Netzsch 公司生产的 DMA 242C 型动态力学分析仪测试；采用直径 1 mm 的针入模式，频率为 10 Hz，测试温度范围为 -150～-50 ℃或 -60～＋120 ℃，升温速度为 3 ℃/min。

不透水性使用天津市中交路业工程仪器有限公司生产的 DTS-6 型防水卷材不透水仪。

3 实验方法

3.1 物理力学性能的实验方法

FS-2 的物理力学性能的制备及检测依据 GB/T 19250－2013《聚氨酯防水涂料》的要求进行。FS-3和 FS-4 的物理力学性能的制备及检测依据 JC/T 2090－2 011《聚合物水泥防水涂料》的要求进行。F S-3和 FS-4 的拉伸性能的制备及检测依据 GB/T 23445－2009《聚合物水泥防水涂料》的要求进行，拉伸性能的拉伸速度为200 mm/min。FS-5 的物理力学性能的制备及检测依据GB/T 23445－2009《聚合物水泥防水涂料》的要求进行。FS-9 的物理力学性能的制备及检测依据 GB/T 16777－2008《建筑防水涂料试验方法》反应型涂料的要求进行，拉伸性能的拉伸速度为 200 mm/min。

3.2 复合样品的制备

按本文第 3.1 节的要求制备粘结强度的试样，养护期到期后刷涂 2 道硅基防水涂料，每道间隔不超过 24 h。第 2 道刷涂后立刻放上拉伸用上夹具，粘结强度试样带着上夹具同时养护 7 d 后测试。

按本文第 3.1 节的要求制备不透水性的试样，养护期到期后在不透水性试样上切开长度为 10 mm 的十字切口。切口的位置对应着不透水仪的 7 孔圆盘的孔的位置。然后在不透水性试样上刷涂 4 道硅基防水涂料，每道间隔不超过 24 h。复合后的硅基防水涂料的干膜厚度约为 1 mm 左右，复合后的不透水性试样养护 7 d 后测试。

4 结果与讨论

4.1 红外分析

5 款防水涂料涂膜的红外光谱，如图 1 所示。FS-3、FS-4 和 FS-5 的红外光谱表明这 3 种防水涂料的成分接近，均为丙烯酸酯类成分和碳酸钙成分的混合物［5］。1 732cm-1是羰基吸收峰，1 241 cm-1、1 156 cm-1和1 024 cm-1为酯基的吸收峰，1 451 cm-1为碳酸钙的吸收峰。

图1 五款防水涂料涂膜的红外光谱

FS-2 的红外光谱与 FS-3、FS-4 和 FS-5 的红外光谱也几乎一样，说明该款标称为“聚氨酯防水涂料”的产品实际上并不是真的聚氨酯防水涂料，而也是丙烯酸酯类防水涂料，与 FS-3、FS-4 和 FS-5 是类似的产品。红外光谱的结果也证明了为什么 FS-2 的拉伸强度和断裂伸长率都不高，达不到 GB/T 19250－2013《聚氨酯防水涂料》的要求。

FS-9 的红外光谱显示硅基防水涂料是聚二甲基硅氧烷。其中 2 960 cm-1是 CH3的伸缩振动峰，800cm-1、860cm-1和 1 260 cm-1为 Si-（CH3）2的吸收峰，1 020～1 090 cm-1为 Si-O-Si 的吸收峰。

4.2 热失重分析

5 款防水涂料涂膜的热失重曲线，如图 2 所示。

图2 五款防水涂料涂膜的热失重曲线

从图 2（a）可以看出，FS-2 和 FS-3 防水涂料涂膜的热失重曲线比较接近。FS-2 和 FS-3 的涂膜中高分子有机物含量约占 35 %，碳酸钙含量约占 65 %，残重中几乎均为碳酸钙分解产生的氧化钙。FS-2 和 FS-3 的有机物含量较高，所以柔韧性较好，断裂伸长率比较高。从图 2（b）可以看出，FS-2 的高分子有机物分解有 2 个峰（346 ℃和 400 ℃），FS-3 的高分子有机物分解只有一个峰（400℃）。这说明 FS-2 的乳液中有两种树脂成分，FS-3的乳液只有一种树脂成分。

从图 2（a）可以看出，FS-4 和 FS-5 防水涂料涂膜的热失重曲线比较接近。FS-4 和 FS-5 的涂膜中高分子有机物含量约占（15～20）%，碳酸钙含量约占（20～25）%，残重中除了氧化钙外还有（20～40）% 的硅酸盐和沙子。FS-4 和 FS-5 的有机物含量非常低，所以柔韧性差，断裂伸长率低。其中 FS-4 涂膜的高分子有机物极低，柔韧性非常低，刚性较高，几乎一拉就断。从图 2（b）可以看出，FS-4 的高分子有机物分解有 2 个峰（348 ℃ 和 468℃），FS-5 的高分子有机物分解有 2 个峰（348 ℃ 和 455 ℃）。这说明 FS-4 和 FS-5 的乳液中也都有两种树脂成分。

从图 2（a）可以看出，FS-9 防水涂料涂膜的高分子有机物含量高达 60 %，40 % 的残重不是碳酸钙，而是二氧化钛。从图 2（b）可以看出，FS-9 的高分子有机物分解有 1 个峰，最大分解速率温度为 484 ℃。FS-9 的高分子有机物含量最高，弹性比较高；分解温度最高也证明了硅基防水涂料的耐候性最强。

4.3 动态热机械分析

5 款防水涂料涂膜的动态热机械分析曲线，如图 3 所示，5 款防水涂料涂膜的玻璃化转变温度和损耗因子最大值的结果如表 3 所示。

表3 5 款防水涂料涂膜的玻璃化转变温度和损耗因子最大值

图3 5 款防水材料涂膜的动态热机械分析曲线

从图 3 和表 3 可以明显看出，硅基防水涂料 FS-9的玻璃化转变温度明显低于其他 4 款丙烯酸酯乳液的防水涂料，低温下弹性良好。

4 款丙烯酸酯乳液的防水涂料 FS-2、FS-3、FS-4和 FS-5 的玻璃化温度介于 16.5～30.5 ℃。联系表 2 的物理力学性能的数据和表 3 的动态热机械性能的数据可知，丙烯酸酯防水涂料（包含聚合物水泥防水涂料以及聚合物水泥防水浆料）的弹性和柔韧性与它们的玻璃化转变温度关系不明显，与损耗因子最大值的关系比较明显。这是因为丙烯酸酯类防水涂料的弹性和柔韧性主要与加入其中的乳液和树脂的量有关。高分子有机物含量越高，防水涂料的弹性和柔韧性越好，损耗因子也越高。因此热失重分析和动态热机械分析都可以成为对少量防水涂料样品使用的快速分析方法。

4.4 复合后的物理力学性能

为了评价硅基防水涂料的防水修补性能，测试了硅基防水涂料 FS-9 复合其他 4 款防水涂料后的物理力学性能，结果如表 4 所示。

表4 硅基防水涂料复合其他四款防水涂料后的物理力学性能

从表 4 可以看出，硅基防水涂料 FS-9 与其他 4 款防水涂料复合后，界面结合较好，粘结强度都较高，破坏一般都发生在硅基防水涂料内部或者是在硅基防水涂料与基层防水涂料的粘结界面上。

一般的理论认为复合防水涂料后的粘结强度较高，则代表两种防水涂料的相容性较好，可以复合使用。但是硅基防水涂料具有易撕裂、易剥离的特点。为此笔者特意加测了复合防水涂料的不透水性。从表 4 的结果来看，硅基防水涂料 FS-9 复合 FS-2、FS-3 和 FS-5 防水涂料后均可以达到 0.3 MPa、120 min不透水。因此 FS-9 可以作为丙烯酸酯类防水涂料、甚至其他大部分防水涂料的防水修补材料使用。

但是硅基防水涂料 FS-9 复合 FS-4 防水涂料却发生了 0.3 MPa，30 min 水就窜到了防水涂料的复合界面上并将复合界面顶开使得 FS-9 硅基防水涂料完全剥离开的现象。FS-4 的高分子有机物含量最低，水泥含量和填料含量最高，涂膜最硬。它与 FS-9 硅基防水涂料的性质差异最大，从结果看相容性最不好，容易发生窜水后鼓包的现象。不建议将这两种防水涂料复合使用。

5 结论

本文研究了防水涂料的物理力学性能和微观参数的关系，建立了防水涂料快速、少量样品测试的热失重分析方法和动态热机械分析方法。分析了硅基防水涂料与其他类防水涂料的特点和差别，并通过试验验证了硅基防水涂料作为防水修补材料使用的可能性和注意事项，认为硅基防水涂料不适合修补乳液含量极低或者水泥含量和填料含量过高的防水涂料。Q