目的： 研究E16 和E44 兩種水性環(huán)氧防水涂層材料對混凝土試塊吸水性能的影響，以比較兩種防水材料的性能。方法：分別對兩種防水涂層材料設(shè)計(jì)不同的涂層配合比和涂層厚度，進(jìn)行混凝土毛細(xì)吸水實(shí)驗(yàn)，對比混凝土試塊在噴涂防水涂層材料前后的毛細(xì)吸水系數(shù)變化， 以此評價防水涂層材料對混凝土試塊吸水性能的影響。結(jié)果：涂層混凝土試塊的吸水系數(shù)隨涂層厚度的增加而減小。在一定范圍內(nèi)，涂層混凝土試塊的吸水系數(shù)隨n（胺氫）/n（環(huán)氧基）的增大而先減小，后增大。兼顧性能與成本，確定E16 和E44 兩種防水涂層材料的配合比分別為n （E16）∶n （Anquamine721）=1∶1, n （E44）∶n （Anqua-mine721）=1∶0.9,涂層噴涂厚度皆為（300±20）μm.此時，E16 和E44 兩種涂層混凝土試塊的吸水系數(shù)分別為各自對應(yīng)空白混凝土試塊的3.5% 和3.4%.結(jié)論：相比之下，E44 防水涂層材料對混凝土試塊吸水性能的影響較大。

 

       環(huán)氧樹脂是含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團(tuán)，主鏈上含有脂肪族鏈段、脂環(huán)族鏈段或芳香族鏈段的高分子預(yù)聚物，因具有良好的附著力、耐磨性能、機(jī)械性能、成膜性能、耐酸堿性能、耐油性能、介電絕緣性能以及對填料良好的分散性能等優(yōu)點(diǎn)， 而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。環(huán)氧樹脂涂層材料作為環(huán)氧樹脂的重要用途而得到廣泛研究應(yīng)用，按照溶劑的類型可分為水性和溶劑型兩類。溶劑型環(huán)氧樹脂含有揮發(fā)性有機(jī)溶劑，既污染環(huán)境，又危害健康，難以滿足防水涂層要求。水性環(huán)氧樹脂是以水為分散介質(zhì)，安全環(huán)保，并且韌性優(yōu)良， 具有更加廣闊的發(fā)展前景，在防腐、絕緣、核設(shè)施等方面有著廣泛的用途，但其作為建筑用防水涂層材料未見文獻(xiàn)報(bào)道。文中以水性環(huán)氧涂層材料作為防水涂層材料， 研究其對混凝土吸水性能的影響，為水性環(huán)氧防水涂層材料的研究提供參考。

 

    水性環(huán)氧涂料成膜機(jī)理

 

       水性環(huán)氧樹脂涂料的成膜機(jī)理有別于溶劑型環(huán)氧樹脂涂料以及一般的聚合物乳液涂料，成膜過程如圖1 所示。

 

       水性環(huán)氧樹脂中的乳膠微粒為分散相， 水為分散介質(zhì)，共同形成多相分散體系； 水性固化劑則分散在水相中（ 如圖1（1） 所示）。水性環(huán)氧樹脂和水性固化劑共混并涂刷在基材上后，在適宜的環(huán)境條件下，水分快速揮發(fā)。當(dāng)體系中大部分的水分揮發(fā)完后，環(huán)氧樹脂的乳膠微粒相互靠近，形成緊密堆積（ 如圖1（2） 所示），殘存的水分則填充在堆積結(jié)構(gòu)的空隙之間。水分進(jìn)一步揮發(fā)后，緊密堆積的環(huán)氧樹脂乳膠微粒開始凝結(jié)，形成六邊形結(jié)構(gòu)（ 如圖1（3） 所示）。在水分揮發(fā)，乳膠微粒凝結(jié)的過程中，固化劑分子擴(kuò)散到乳膠微粒表面或內(nèi)部，與其發(fā)生固化反應(yīng)（ 如圖1（4） 所示）。最終，形成均勻、連續(xù)的涂膜（ 如圖1（5） 所示）。

 

    實(shí)驗(yàn)

 

    原材料配合比

 

        根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)混凝土試塊配合比：PO42.5 水泥400kg/m3, 水（ 實(shí)驗(yàn)用水均為自制超純水）200kg/m3,砂（中國ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂）751kg/m3,碎石（最大粒徑25mm）1127kg/m3,水灰比0.5.

 

       實(shí)驗(yàn)中采用E16 和E44 兩種市售環(huán)氧乳液， 固化劑為環(huán)氧改性固化劑Anquamine721.兩種環(huán)氧乳液和固化劑的摩爾比均分別為1∶0.8,1∶0.9,1∶1.0, 1∶1.1,消泡劑適量。
 

                 
 圖1 水性環(huán)氧樹脂涂料成膜過程

 

    吸水實(shí)驗(yàn)

 

       朱桂紅和戰(zhàn)洪艷分別利用混凝土毛細(xì)吸水實(shí)驗(yàn)方法研究有機(jī)硅防水劑對混凝土吸水系數(shù)的影響。文中通過對比混凝土試塊在噴涂防水涂層材料前后吸水系數(shù)的變化，來判斷兩種環(huán)氧乳液和Anqua-mine721 的最佳配合比。

 

       混凝土試塊（尺寸100mm×100mm× 100mm）在（20±3）℃，RH≥95% 的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至28 天后進(jìn)行制樣。用自動巖石切割機(jī)將混凝土試塊切割成兩個100mm×100mm×50mm 的試樣， 其中一個在100mm×100mm 的成型面上用涂料噴涂裝置噴涂水性環(huán)氧防水涂層材料，并于（23±2）℃，RH=50% 的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7 天。將無涂層混凝土試樣和涂層混凝土試樣一同置于50℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥5 天，以保證二者初始含水率相同。用電子萬用爐將石蠟加熱熔融后側(cè)封干燥的混凝土試樣，僅留下兩個100mm×100mm 的相對面進(jìn)行吸水實(shí)驗(yàn)。

 

       吸水實(shí)驗(yàn)時，將兩種樣品置于直徑10mm 的兩根鋼筋上，樣品底面浸入水中深度為（5±1）mm,如圖2 所示，利用增重法測試樣品在0.5,1,2,4,8,12,24h 時的吸水增量。實(shí)驗(yàn)中以三個混凝土試樣吸水增量的平均值作為吸水量數(shù)據(jù)。

 

       Kelham 指出，混凝土在初始吸水時間段內(nèi)，其單位面積的吸水量i （kg/m2） 與時間t （h） 的關(guān)系為：

 

       i =A （1）

 

       式中：A 為毛細(xì)吸水系數(shù)，單位kg/ （m2·h1/2）。在假定混凝土各向同性以及忽略混凝土基體內(nèi)部成分與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的理想條件下，認(rèn)為A 是常數(shù)。從不同時間段內(nèi)兩種試塊的吸水量變化趨勢來看， 利用公式（2） 表述i 與t 的關(guān)系更符合本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況。

 

       i =A +b （2）

 

       式中：毛細(xì)吸水系數(shù)A 為i 對作圖所得直線的斜率，b 為直線在縱軸上的截距。
 

圖2 混凝土試塊毛細(xì)吸水實(shí)驗(yàn)

   結(jié)果及討論

 

     吸水量

 

    空白對照混凝土試塊的吸水量

 

         未噴涂防水涂層材料的空白對照混凝土試塊在0,0.5,1,2,4,8, 12,24h 時的吸水量依次為0,434.2, 593.1,718.7,895.6,1122.9,1303.5, 1630.8g/m2, 作i - 圖，如圖3 所示。

 

       在0~1h 時間段內(nèi)，由于混凝土內(nèi)部氣壓較小，在外界大氣壓的作用下，水在短時間內(nèi)被大量吸入混凝土內(nèi)部，表現(xiàn)出較大的吸收速率。之后，隨著混凝土內(nèi)部水分增大，水的重力也增加，在外界大氣壓恒定的條件下，相對于0~1h 時間段， 水的吸收速率減緩。對0~24h 整個時間段內(nèi)每個時間點(diǎn)的吸水量進(jìn)行擬合，算得擬合的斜率為314.1g/（m2·h1/2），此為空白混凝土試塊的吸水系數(shù)。
 

 
  圖3 無涂層試塊毛細(xì)吸水量隨時間的變化
 

    E16 防水涂層材料對混凝土吸水性能的影響

 

        E16 和環(huán)氧改性固化劑Anquamine721 按照四種配合比制備防水涂層，并進(jìn)行涂層混凝土毛細(xì)吸水實(shí)驗(yàn)，每種配合比涂層噴涂四種厚度---（100±20）， （200±20），（300±20），（400±20）μm.記錄各厚度涂層混凝土試塊在0~24h 的吸水量，作i - 圖，如圖4 所示。
 

   
   圖4 E16防水涂層試塊毛細(xì)吸水量隨時間的變化
 

        從擬合的線性圖上可以看出，噴涂水性環(huán)氧防水涂層的混凝土試塊i 與之間具有較好的線性關(guān)系，防水涂層的厚度從（100±20）μm 增大到（400±20）μm, 直線的斜率逐漸減小，對混凝土試塊吸水性能的影響越來越明顯。計(jì)算圖4 中每條擬合直線的斜率，結(jié)果見表1.

 

       為了更加直觀地看出涂層混凝土吸水系數(shù)隨涂層配合比和涂層厚度的變化，以及相對于空白對照混凝土試塊吸水系數(shù)的變化，將涂層混凝土試塊占空白混凝土試塊的吸水系數(shù)百分比作為縱坐標(biāo)，對涂層配合比及涂層厚度作圖，如圖5 所示。
 

 

    圖5 E16涂層混凝土吸水系數(shù)隨配合比及厚度的變化趨勢
 

       從圖5 可以看出兩點(diǎn)：其一，相同配合比的防水涂層，其涂層混凝土試塊的吸水系數(shù)隨著涂層厚度增加而減小，但減小并未呈現(xiàn)出線性趨勢。這可能是因?yàn)橥繉拥暮穸却嬖?0μm 左右誤差，并且同一批混凝土試塊中也不能保證每一個混凝土試塊的孔隙完全相同，這兩方面的原因?qū)е峦繉雍穸仍黾訒r，混凝土的吸水系數(shù)呈現(xiàn)出非線性減小。其二，涂層混凝土的吸水系數(shù)隨固化劑用量的增大而先減小，后增大，當(dāng)涂層配合比為1∶1 時，吸水系數(shù)達(dá)到最小值，此時涂層厚度為（100±20）， （200±20），（300±20），（400±20）μm 的試塊吸水系數(shù)百分比分別為3.9%,3.6%, 3.5% 和3%.考慮到應(yīng)節(jié)約成本，涂層的噴涂厚度為（300±20）μm 較好。

 

    綜合分析，E16 涂層配合比為1∶1、噴涂厚度為（300±20）μm 時，綜合性能最佳。

 

    E44 防水涂層體系對混凝土吸水性能的影響

 

          E44 和環(huán)氧改性固化劑Anquamine721 同樣按照四種配合比制備防水涂層， 實(shí)驗(yàn)方法同3.1.2 節(jié)，i - 圖如圖6 所示。
 

   

    圖6 E44防水涂層試塊毛細(xì)吸水量隨時間的變化曲線
 

       分析圖6 可知，涂層混凝土試塊的i 與之間具有較好的線性關(guān)系。隨著涂層厚度的增加，涂層混凝土試塊的吸水系數(shù)減小。分別計(jì)算出每條直線的斜率，見表2.同樣將涂層混凝土試塊占空白混凝土試塊的吸水系數(shù)百分比作為縱坐標(biāo)，對涂層配合比及涂層厚度作圖，如圖7 所示。
 

 

 
圖7 E44涂層混凝土吸水系數(shù)隨配合比及厚度的變化趨勢
 

       分析圖7 中涂層混凝土試塊吸水系數(shù)的變化趨勢可知，吸水系數(shù)隨涂層厚度的增加而減小；涂層配合比在1∶0.8~1∶1.1 范圍內(nèi)時，吸水系數(shù)先減小，后增大，當(dāng)配合比為1∶0.9 時，吸水系數(shù)達(dá)到最小值， 此時涂層厚度為（100±20），（200±20）， （300±20），（400±20）μm 的試塊吸水系數(shù)百分比分別為3.8%,3.5%,3.4% 和3.2%.考慮成本， 涂層噴涂厚度為（300±20）μm.綜合分析，E44 涂層配合比為1∶0.9, 噴涂厚度（300±20）μm 為宜。

 

    分析討論

 

    涂層配合比和厚度對混凝土吸水系數(shù)的影響

 

       影響涂層混凝土試塊吸水系數(shù)的主要是防水涂層本身的致密性。由圖5 可知， 當(dāng)n （E16）/n （Anqua-mine721）>1 時， 環(huán)氧乳液過量，固化反應(yīng)不夠充分，形成的涂層不夠致密，涂層混凝土的吸水系數(shù)較大；n （E16）/n （Anquamine721）<1 時，固化劑過量，過量的固化劑分子因無法參與環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)而游離在水性環(huán)氧防水涂層中，導(dǎo)致涂層交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不嚴(yán)密，增大了水分的滲透性，從而使得涂層混凝土試塊的吸水系數(shù)增大；n （E16）/ n （Anquamine721）=1 時，反應(yīng)充分，涂層致密，涂層混凝土試塊的吸水系數(shù)最小。同理，n （E44） 頤n （Anquamine721）=1∶0.9 時的E44 涂層混凝土試塊吸水系數(shù)最小。

 

       分析圖4 和圖6 可知，涂層混凝土的吸水系數(shù)隨涂層厚度增加而減小。這可能是因?yàn)橥繉雍穸仍黾雍螅娱L了水分進(jìn)入涂層混凝土的路徑，使得相同的時間段內(nèi)， 厚涂層混凝土的吸水量比薄涂層混凝土少， 從而使得吸水系數(shù)小。

 

    最佳配合比E16 和E44 涂層混凝土試塊的吸水系數(shù)對比

 

       n （E16）∶n （Anquamine721）=1∶1 與n （E44）∶n （Anquamine721）=1∶0.9 的兩種涂層混凝土的吸水系數(shù)隨涂層厚度的變化對比如圖8 所示。可以看出，兩種涂層混凝土試塊的吸水系數(shù)均隨涂層厚度的增加而減小。在（100±20）~（300±20）μm 的厚度范圍內(nèi)，E44 涂層混凝土的吸水系數(shù)均小于E16 涂層混凝土；當(dāng)涂層厚度為（400±20）μm 時，情況則相反。原因可能是，同一批混凝土試塊中的個別試塊成型時比其他混凝土試塊密實(shí)，其本身的吸水系數(shù)比其他混凝土試塊小，表面噴涂防水涂層后，吸水系數(shù)比其他涂層混凝土吸水系數(shù)小，即出現(xiàn)（400±20）μm 時吸水系數(shù)突變的情況。總的看來，最佳配合比的E44 涂層對混凝土試塊吸水系數(shù)的影響比最佳配合比的E16 涂層大。

 

 圖8 吸水系數(shù)對比 
 

結(jié)論

 

    1） 環(huán)氧乳液E16 與固化劑Anquamine721 的最佳配合比為1∶1,環(huán)氧乳液E44 與固化劑Anqua-mine721 的最佳配合比為1∶0.9.

 

    2） 兩種涂層混凝土吸水系數(shù)均隨涂層厚度的增加而減小。在最佳配合比的基礎(chǔ)上，噴涂厚度為（300±20）μm 的防水涂層較為經(jīng)濟(jì)。

 

    3） 在最佳配合比的基礎(chǔ)上，E44 涂層混凝土試塊的吸水系數(shù)比E16 涂層混凝土小。