目的： 研究E16 和E44 兩種水性環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計不同的涂層配合比和涂層厚度，進行混凝土毛細吸水實驗，對比混凝土試塊在噴涂防水涂層材料前后的毛細吸水系數變化， 以此評價防水涂層材料對混凝土試塊吸水性能的影響。結果：涂層混凝土試塊的吸水系數隨涂層厚度的增加而減小。在一定范圍內，涂層混凝土試塊的吸水系數隨n（胺氫）/n（環氧基）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分別為各自對應空白混凝土試塊的3.5% 和3.4%.結論：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。

 

       環氧樹脂是含有兩個或兩個以上環氧基團，主鏈上含有脂肪族鏈段、脂環族鏈段或芳香族鏈段的高分子預聚物，因具有良好的附著力、耐磨性能、機械性能、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點， 而被廣泛應用于各行各業。環氧樹脂涂層材料作為環氧樹脂的重要用途而得到廣泛研究應用，按照溶劑的類型可分為水性和溶劑型兩類。溶劑型環氧樹脂含有揮發性有機溶劑，既污染環境，又危害健康，難以滿足防水涂層要求。水性環氧樹脂是以水為分散介質，安全環保，并且韌性優良， 具有更加廣闊的發展前景，在防腐、絕緣、核設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報道。文中以水性環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，為水性環氧防水涂層材料的研究提供參考。

 

    水性環氧涂料成膜機理

 

       水性環氧樹脂涂料的成膜機理有別于溶劑型環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。

 

       水性環氧樹脂中的乳膠微粒為分散相， 水為分散介質，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）。水性環氧樹脂和水性固化劑共混并涂刷在基材上后，在適宜的環境條件下，水分快速揮發。當體系中大部分的水分揮發完后，環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構的空隙之間。水分進一步揮發后，緊密堆積的環氧樹脂乳膠微粒開始凝結，形成六邊形結構（ 如圖1（3） 所示）。在水分揮發，乳膠微粒凝結的過程中，固化劑分子擴散到乳膠微粒表面或內部，與其發生固化反應（ 如圖1（4） 所示）。最終，形成均勻、連續的涂膜（ 如圖1（5） 所示）。

 

    實驗

 

    原材料配合比

 

        根據文獻設計本實驗混凝土試塊配合比：PO42.5 水泥400kg/m3, 水（ 實驗用水均為自制超純水）200kg/m3,砂（中國ISO 標準砂）751kg/m3,碎石（最大粒徑25mm）1127kg/m3,水灰比0.5.

 

       實驗中采用E16 和E44 兩種市售環氧乳液， 固化劑為環氧改性固化劑Anquamine721.兩種環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 水性環氧樹脂涂料成膜過程

 

    吸水實驗

 

       朱桂紅和戰洪艷分別利用混凝土毛細吸水實驗方法研究有機硅防水劑對混凝土吸水系數的影響。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的變化，來判斷兩種環氧乳液和Anqua-mine721 的最佳配合比。

 

       混凝土試塊（尺寸100mm×100mm× 100mm）在（20±3）℃，RH≥95% 的環境中養護至28 天后進行制樣。用自動巖石切割機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氧防水涂層材料，并于（23±2）℃，RH=50% 的環境中養護7 天。將無涂層混凝土試樣和涂層混凝土試樣一同置于50℃的電熱恒溫鼓風干燥箱內干燥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封干燥的混凝土試樣，僅留下兩個100mm×100mm 的相對面進行吸水實驗。

 

       吸水實驗時，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。實驗中以三個混凝土試樣吸水增量的平均值作為吸水量數據。

 

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

 

       i =A （1）

 

       式中：A 為毛細吸水系數，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部成分與水發生化學反應的理想條件下，認為A 是常數。從不同時間段內兩種試塊的吸水量變化趨勢來看， 利用公式（2） 表述i 與t 的關系更符合本實驗的實際情況。

 

       i =A +b （2）

 

       式中：毛細吸水系數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 混凝土試塊毛細吸水實驗

   結果及討論

 

     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，由于混凝土內部氣壓較小，在外界大氣壓的作用下，水在短時間內被大量吸入混凝土內部，表現出較大的吸收速率。之后，隨著混凝土內部水分增大，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 整個時間段內每個時間點的吸水量進行擬合，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。
 

 
  圖3 無涂層試塊毛細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 和環氧改性固化劑Anquamine721 按照四種配合比制備防水涂層，并進行涂層混凝土毛細吸水實驗，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，噴涂水性環氧防水涂層的混凝土試塊i 與之間具有較好的線性關系，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。計算圖4 中每條擬合直線的斜率，結果見表1.

 

       為了更加直觀地看出涂層混凝土吸水系數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的變化，將涂層混凝土試塊占空白混凝土試塊的吸水系數百分比作為縱坐標，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隨配合比及厚度的變化趨勢
 

       從圖5 可以看出兩點：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隨著涂層厚度增加而減小，但減小并未呈現出線性趨勢。這可能是因為涂層的厚度存在20μm 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，這兩方面的原因導致涂層厚度增加時，混凝土的吸水系數呈現出非線性減小。其二，涂層混凝土的吸水系數隨固化劑用量的增大而先減小，后增大，當涂層配合比為1∶1 時，吸水系數達到最小值，此時涂層厚度為（100±20）， （200±20），（300±20），（400±20）μm 的試塊吸水系數百分比分別為3.9%,3.6%, 3.5% 和3%.考慮到應節約成本，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 和環氧改性固化劑Anquamine721 同樣按照四種配合比制備防水涂層， 實驗方法同3.1.2 節，i - 圖如圖6 所示。
 

   

    圖6 E44防水涂層試塊毛細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系。隨著涂層厚度的增加，涂層混凝土試塊的吸水系數減小。分別計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百分比作為縱坐標，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的變化趨勢可知，吸水系數隨涂層厚度的增加而減小；涂層配合比在1∶0.8~1∶1.1 范圍內時，吸水系數先減小，后增大，當配合比為1∶0.9 時，吸水系數達到最小值， 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的影響

 

       影響涂層混凝土試塊吸水系數的主要是防水涂層本身的致密性。由圖5 可知， 當n （E16）/n （Anqua-mine721）>1 時， 環氧乳液過量，固化反應不夠充分，形成的涂層不夠致密，涂層混凝土的吸水系數較大；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氧樹脂的固化反應而游離在水性環氧防水涂層中，導致涂層交聯網絡不嚴密，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增大；n （E16）/ n （Anquamine721）=1 時，反應充分，涂層致密，涂層混凝土試塊的吸水系數最小。同理，n （E44） 頤n （Anquamine721）=1∶0.9 時的E44 涂層混凝土試塊吸水系數最小。

 

       分析圖4 和圖6 可知，涂層混凝土的吸水系數隨涂層厚度增加而減小。這可能是因為涂層厚度增加后，延長了水分進入涂層混凝土的路徑，使得相同的時間段內， 厚涂層混凝土的吸水量比薄涂層混凝土少， 從而使得吸水系數小。

 

    最佳配合比E16 和E44 涂層混凝土試塊的吸水系數對比

 

       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均隨涂層厚度的增加而減小。在（100±20）~（300±20）μm 的厚度范圍內，E44 涂層混凝土的吸水系數均小于E16 涂層混凝土；當涂層厚度為（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，其本身的吸水系數比其他混凝土試塊小，表面噴涂防水涂層后，吸水系數比其他涂層混凝土吸水系數小，即出現（400±20）μm 時吸水系數突變的情況。總的看來，最佳配合比的E44 涂層對混凝土試塊吸水系數的影響比最佳配合比的E16 涂層大。

 

 圖8 吸水系數對比 
 

結論

 

    1） 環氧乳液E16 與固化劑Anquamine721 的最佳配合比為1∶1,環氧乳液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均隨涂層厚度的增加而減小。在最佳配合比的基礎上，噴涂厚度為（300±20）μm 的防水涂層較為經濟。

 

    3） 在最佳配合比的基礎上，E44 涂層混凝土試塊的吸水系數比E16 涂層混凝土小。