聚合物水泥基材料在建筑涂料中的應(yīng)用

　　1 聚合物水泥基材料特性概述
　　由具有膠粘性的聚合物、水泥、水、添加劑等組成的混合料，經(jīng)凝結(jié)并硬化后所形成的材料稱(chēng)為聚合物水泥基材料。該類(lèi)材料兼有水泥基材料的耐水性好、耐久、價(jià)廉和環(huán)保，以及有機(jī)聚合物的柔韌、防水、黏結(jié)性強(qiáng)和抗拉強(qiáng)度高等特點(diǎn)，具有極佳的技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)，獲得極為廣泛的應(yīng)用。 

　　1.1 物理力學(xué)特性 
　　聚合物水泥基材料的物理力學(xué)性能主要指其強(qiáng)度、彈性模量、抗裂性、耐酸堿性、耐水性、抗?jié)B透性等。與水泥基材料和聚合物材料相比，聚合物水泥基材料的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和黏結(jié)強(qiáng)度等都顯著提高，特別是黏結(jié)強(qiáng)度提高幅度很大，這是因?yàn)榫酆衔锱c被黏結(jié)基體的良好膠接作用?？估瓘?qiáng)度的提高主要?dú)w因于微裂紋和其他結(jié)構(gòu)缺陷的減少。聚合物與水泥漿體之間形成互穿網(wǎng)絡(luò)，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫時(shí)，聚合物能夠在微裂紋上“架橋”而抑制裂縫擴(kuò)展，使聚合物水泥基材料的斷裂韌性、變形性能得到提高。此外，拌合物的工作性和分散性的改善使水化水泥漿體的結(jié)構(gòu)均勻致密，也促進(jìn)了抗拉強(qiáng)度的提高。

　　由于結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，聚合物水泥基材料的滲透性大大降低，由此也促進(jìn)了耐酸堿性、耐水性的改善。聚合物水泥基材料耐溫、濕度變化循環(huán)的能力要比水泥基材料好，這是由于聚合物膜的存在，以及使用聚合物時(shí)較低的水灰比及合理的孔結(jié)構(gòu)所致。聚合物水泥基材料彈性模量降低，這是由于聚合物的彈性模量較水泥漿體的彈性模量低得多，彈性模量降低對(duì)改善聚合物水泥基材料的變形性有益，這極有利于材料在變溫條件下吸收應(yīng)力。同時(shí)，由于聚合物水泥基材料的抗拉強(qiáng)度提高，延伸性能改善，從而減少干縮裂縫和溫度裂縫的形成。干縮裂縫的減少也與聚合物較高的保水性有關(guān)。聚合物水泥基材料隨溫度升高而強(qiáng)度降低，當(dāng)材料中聚合物含量高時(shí)可能還有輕微的可燃性。通常聚合物水泥基材料的使用溫度限制在150℃以下。

　　1.2 施工操作特性 
　　聚合物水泥基材料常常具有更好的施工操作特性，但不同的聚合物會(huì)給聚合物水泥基材料帶來(lái)不一樣的性能。對(duì)于合成樹(shù)脂乳液類(lèi)聚合物來(lái)說(shuō)，由于其中富含表面活性劑，能夠增大拌合物的流動(dòng)性；分散的聚合物顆粒還能象“滾珠”一樣使水泥及水化產(chǎn)物顆粒更容易相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而常常能夠使拌合物的施工性得到顯著改善。由于聚合物的分散作用及表面活性劑被吸附到水泥顆粒上，使水泥的水化速度減緩，即對(duì)水泥產(chǎn)生緩凝作用，使拌合物的凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。一般情況下，這些因素對(duì)施工操作性都很有利。乳液的憎水性和膠體性質(zhì)使新拌聚合物水泥基材料具有良好的保水性，從而減少了對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期潮濕養(yǎng)護(hù)的必要。對(duì)于聚乙烯醇類(lèi)水溶性高分子聚合物來(lái)說(shuō)，其水溶液是膠體，黏聚性很大，因而能夠顯著提高拌合物的黏聚性，有效改善施工操作性。

　　1.3耐久性、耐腐蝕性 
　　聚合物的引入使材料的物理力學(xué)性能提高、微觀(guān)結(jié)構(gòu)改善且結(jié)構(gòu)缺陷減少，顯著提高材料的抗?jié)B性和凍融耐久性，并使材料具有良好的抗化學(xué)侵蝕性，良好的抗氯鹽滲透能力。 

　　1.4成本 
　　聚合物水泥基材料的成本比水泥基材料顯著提高，但目前在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，絕大多數(shù)處于能夠接受的范圍，并具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。聚合物水泥基材料的這些特性，使之極適合于制備某些裝飾性建筑涂料以及功能性建筑涂料。 

　　2 聚合物水泥基材料中聚合物對(duì)水泥的改性
　　在聚合物水泥基材料中，當(dāng)主導(dǎo)材料為水泥時(shí)，材料顯示無(wú)機(jī)水泥的特性，但性能得到顯著改善；反之亦然。這兩種情況在建筑涂料中都存在。 

　　2.1水泥為主導(dǎo)材料 
　　當(dāng)主導(dǎo)材料是水泥時(shí)，聚合物對(duì)水泥的改性機(jī)理大致可歸納為： 
　　一是聚合物在水泥凝膠中均勻分散，可以防止或減少水分蒸發(fā)和防止干燥基體對(duì)水分的吸收，使水泥水化作用更趨完善。 
                   
                        
　　二是聚合物的加入增大了水泥膠凝材料的黏結(jié)力。在水泥-聚合物體系中，水泥和聚合物都能起膠黏劑的作用；但聚合物膜的黏結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于水泥的拉伸強(qiáng)度，而使體系拉伸強(qiáng)度大大提高。聚合物膜在材料中均勻分布，并與水泥凝膠體形成了相互貫穿的網(wǎng)絡(luò)，在受到外力作用時(shí)，這種結(jié)構(gòu)有利于應(yīng)力的分散和轉(zhuǎn)移，阻止或減弱了裂紋的增長(zhǎng)。 
                          
　　三是聚合物與水泥水化產(chǎn)物之間存在化學(xué)作用。此外，水泥在凝結(jié)硬化過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量孔隙或微裂紋而在材料中形成薄弱部位。加入的聚合物分散并聚集于孔隙壁上，在孔隙壁或微裂紋表面形成一層聚合物膜，對(duì)這些薄弱部位產(chǎn)生增強(qiáng)作用。因而，通過(guò)聚合物分子的擴(kuò)散（自黏性），聚合物粒子在材料中形成不溶于水的連續(xù)聚合物膜，提高對(duì)界面的黏結(jié)性和對(duì)材料本身的改性。聚合物膜分布于水泥水化產(chǎn)物之間，在有應(yīng)力時(shí)起到“架橋”作用，有效吸收和傳遞能量，從而抑制裂紋的形成或擴(kuò)展。

　　2.2 聚合物為主導(dǎo)材料 
　　主導(dǎo)材料為聚合物的情況更多出現(xiàn)于建筑涂料中。此時(shí)，材料在呈現(xiàn)聚合物特性的同時(shí)，獲得水泥基材料所賦予的耐水性、透氣性和化學(xué)改性作用，使復(fù)合材料的性能顯著提高。
                  
　　3 聚合物水泥基材料在建筑涂料中的應(yīng)用
　　聚合物水泥基材料在建筑涂料中主要用作基料。由于水泥加水后在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)凝結(jié)硬化，即使采取緩凝措施也只能夠延長(zhǎng)有限的時(shí)間，作為產(chǎn)品并無(wú)實(shí)際意義。因而，聚合物水泥基材料主要用于生產(chǎn)粉狀和雙組分建筑涂料。 

　　3.1 粉狀建筑涂料 
　　粉狀聚合物水泥基建筑涂料的聚合物組分為可再分散乳膠粉或者聚乙烯醇微細(xì)粉末。在工廠(chǎng)中將各種組分混合均勻制成涂料，使用時(shí)只需加水?dāng)嚢杈鶆蚣纯?，如?fù)層涂料、仿瓷涂料等。這類(lèi)涂料的最大優(yōu)勢(shì)在于加水?dāng)嚢杓纯墒褂?，便于運(yùn)輸、存放，避免施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備多種原材料。 
  
　　3.2  雙組分建筑涂料  
　　雙組分建筑涂料為粉料和液料配套包裝供應(yīng)。與粉狀建筑涂料相比，雙組分建筑涂料也有其性能優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)于成本低。但當(dāng)使用時(shí)一次的配制量小于一個(gè)包裝時(shí)，稱(chēng)量和配比就顯得很麻煩。此外，雙組分建筑涂料包裝量和運(yùn)輸量也相應(yīng)增大。因而，有些對(duì)成本要求苛刻而又不需要長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)慕ㄖ苛希缇酆衔锼喾浪苛?，目前仍然是雙組分建筑涂料；有些建筑涂料，例如外墻柔性膩?zhàn)?，則粉狀和雙組分建筑涂料并行不悖。 

　　4 聚合物水泥基建筑涂料的性能特征
　　4.1 性能優(yōu)勢(shì) 
　　在聚合物水泥基建筑涂料中，聚合物可在干燥環(huán)境下成膜，水泥則在有水存在的條件下固化和水化，這兩種體系的結(jié)合，使涂膜具有最佳的物理力學(xué)性能。聚合物賦予聚合物水泥基涂料良好的表面性能，既提高了耐沾污性，又保留了純無(wú)機(jī)涂料原有的透氣性。聚合物水泥基建筑涂料具有許多僅僅使用有機(jī)基料制備的涂料所難以得到的性能，例如與水泥基無(wú)機(jī)基層的黏結(jié)強(qiáng)度、耐水性、耐老化性等，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出僅使用有機(jī)基料或無(wú)機(jī)基料所能夠達(dá)到的效果。 
  
　　4.2 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì) 
　　聚合物水泥基建筑涂料由于使用價(jià)格低廉的水泥，可以使有機(jī)基料的用量顯著降低，從而降低涂料成本。另一方面，液體有機(jī)涂料由于需要解決貯存性能，例如防沉淀、霉變以及保持涂料的黏度穩(wěn)定等，需要使用許多助劑，如增稠劑、防霉劑、防凍融劑、分散劑等，而且對(duì)這些助劑的性能要求較高，因而其成本在涂料的組成材料中占有很高比例（一般占涂料原材料成本的15%~35%），而在粉狀或雙組分聚合物水泥基建筑涂料中這些助劑或者根本不需要使用，或者用量很少，或者能夠使用更為廉價(jià)的產(chǎn)品（例如分散劑，可以使用六偏磷酸鈉這種具有高效分散性能而又廉價(jià)的產(chǎn)品），從而使涂料的生產(chǎn)成本降低。 
  
　　4.3 生產(chǎn)及其技術(shù)優(yōu)勢(shì) 
　　按照目前建筑涂料的原材料供應(yīng)情況，聚合物水泥基建筑涂料所用的原材料絕大多數(shù)都是粉狀材料，有少部分可能需要進(jìn)一步粉磨的原材料用量也很小。因而，其生產(chǎn)只是將各種粉狀材料在干粉混合機(jī)中混合均勻即可，生產(chǎn)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，生產(chǎn)技術(shù)很容易掌握與控制。生產(chǎn)設(shè)備也只需干粉混合機(jī)、粉狀材料包裝機(jī)、質(zhì)量控制設(shè)備等，投資小。 

　　4.4 包裝、運(yùn)輸 
　　液體涂料需要的包裝條件要比粉狀建筑涂料嚴(yán)格得多，既要求包裝材料具有密閉性，又要求具有很高的強(qiáng)度，以防止其在運(yùn)輸、貯存期間破損，泄漏，因而包裝費(fèi)用很高。另一方面，一般液體涂料中含有40%~55%的水，需要包裝材料的數(shù)量也多，運(yùn)輸費(fèi)用同樣提高?？梢?jiàn)，粉狀建筑涂料在包裝與運(yùn)輸方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。 
   
　　4.5 環(huán)境優(yōu)勢(shì) 
　　一般認(rèn)為水性建筑涂料是環(huán)保型產(chǎn)品，很多商家鑒于產(chǎn)品宣傳的需要，更是把這類(lèi)涂料稱(chēng)為綠色環(huán)保產(chǎn)品。實(shí)際上，水性涂料以水取代有機(jī)溶劑作為涂料的分散介質(zhì)，最大限度地減少了涂料向大氣中排放的VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）。但是，水性涂料同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題，例如，水性涂料中需要使用大量的表面活性劑（分散劑、潤(rùn)濕劑和乳化劑等）、防霉劑和凍融穩(wěn)定劑等。           
                          
　　另外，由于水性涂料容易用水清洗，因而生產(chǎn)、施工中常常使用大量的清洗水，很多情況下甚至在涂料的施工過(guò)程中將廢棄的涂料直接排放至下水道中，這些做法的結(jié)果是向江河水系中排放大量的表面活性劑、防霉劑、凍融穩(wěn)定劑等，引起污染。與溶劑型涂料相比，水性涂料的環(huán)保性不容置疑，是涂料發(fā)展的必然方向，但在國(guó)外水性涂料并不被稱(chēng)為環(huán)保型產(chǎn)品，只說(shuō)是可以安全使用的產(chǎn)品。有些國(guó)家還規(guī)定，涂料公司要負(fù)責(zé)回收使用后的包裝材料，廢棄的涂料也要統(tǒng)一處理，避免流入河流。從這一意義上來(lái)說(shuō)，粉狀建筑涂料中會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不良影響的表面活性劑及其他助劑（如防霉劑、凍融穩(wěn)定劑和成膜助劑等）要少得多，在生產(chǎn)、施工中的清洗水用量也少得多，從環(huán)保、節(jié)水等方面來(lái)說(shuō)，無(wú)疑具有更大的優(yōu)勢(shì)。 

　　4.6 應(yīng)用限制 
　　聚合物水泥基材料目前還只能在有限的幾個(gè)建筑涂料品種中應(yīng)用，一是只能制成粉狀產(chǎn)品或由液料和粉料分開(kāi)包裝的雙組分產(chǎn)品；二是只能制成厚質(zhì)建筑涂料。對(duì)于薄質(zhì)、刷涂、輥涂或需要噴涂出平滑表面的涂料，目前的技術(shù)狀態(tài)尚難以使用。 

　　5 聚合物水泥基建筑涂料的主要品種 
　　聚合物水泥基建筑涂料可以分為墻面涂料、功能性建筑涂料和墻面膩?zhàn)?大類(lèi)，主要組成材料和性能特性如表1所示。由于建筑行業(yè)的習(xí)慣，建筑保溫隔熱涂料通常稱(chēng)為保溫漿料或保溫砂漿，但其組成和材料實(shí)質(zhì)屬于涂料范疇，而且在其發(fā)展初期也以建筑涂料名稱(chēng)使用。
                  
　　6 聚合物水泥基建筑涂料的發(fā)展與展望 
　　6.1 聚合物水泥基建筑涂料的發(fā)展 
　　6.1.1 裝飾性墻面涂料
　　復(fù)層涂料、粉狀砂壁狀涂料和拉毛涂料等涂料涂膜厚，質(zhì)感強(qiáng)，是聚合物水泥基成膜物質(zhì)良好的應(yīng)用場(chǎng)合。復(fù)層涂料的應(yīng)用最早在20世紀(jì)80年代，以107膠（聚合物樹(shù)脂組分）和水泥復(fù)配而成的復(fù)層涂料就得到一定程度的推廣應(yīng)用。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T9779《復(fù)層建筑涂料》的1988年和2005年版都有聚合物水泥類(lèi)別的復(fù)層涂料。早期的聚合物水泥復(fù)層涂料是將107膠和粉狀組分分開(kāi)包裝，有時(shí)甚至是在現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單配制?，F(xiàn)在的粉狀復(fù)層涂料采用乳膠粉或者聚乙烯醇粉末作為聚合物組分，以纖維素醚為流變?cè)龀斫M分，性能比早期產(chǎn)品顯著提高。 
                   
                  
　　聚合物水泥基材料在建筑涂料中的應(yīng)用
　　與復(fù)層涂料相比，砂壁狀涂料雖然應(yīng)用較早，但以聚合物水泥為成膜物質(zhì)的產(chǎn)品直至目前仍處于研制階段，發(fā)展很慢。筆者曾對(duì)此作過(guò)一些試驗(yàn)，在工程上實(shí)際應(yīng)用，其裝飾效果尚不如聚合物乳液配制的膏狀產(chǎn)品，因而影響其使用。拉毛涂料實(shí)際上也可以使用聚合物水泥配制，近年來(lái)也得到開(kāi)發(fā)應(yīng)用。但由于這類(lèi)涂料從開(kāi)始使用時(shí)將其稱(chēng)為拉毛膩?zhàn)?，以后一直沿襲這種名稱(chēng)。
                  
　　6.1.2 聚合物水泥基防水涂料 
　　聚合物水泥基防水涂料是最先發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用的聚合物水泥基建筑涂料。我國(guó)從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始研制該類(lèi)涂料。隨著國(guó)家對(duì)綠色環(huán)保型建材產(chǎn)品的推廣和經(jīng)工程應(yīng)用表明：該類(lèi)涂料防水效果良好，使用方便，無(wú)毒、無(wú)污染，在以“彈性水泥”為商品名稱(chēng)的推動(dòng)下，目前幾乎在全國(guó)范圍內(nèi)使用。其應(yīng)用場(chǎng)合包括各種建筑物的地下室、屋面、廁浴間和其他結(jié)構(gòu)部位（如外墻），以及游泳池和污水處理廠(chǎng)等構(gòu)筑物防水工程的輔助防水。建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T894—2001《聚合物水泥防水涂料》于2001年頒布實(shí)施。

　　6.1.3 聚合物水泥基防火涂料 
　　聚合物水泥基防火涂料主要是隧道防火涂料。我國(guó)從2001年前后開(kāi)始將厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料或混凝土樓板防火涂料在隧道中使用。近年來(lái)隨著乳膠粉的廣泛應(yīng)用，我國(guó)開(kāi)始研究與應(yīng)用聚合物水泥基隧道防火涂料。由于其性能優(yōu)勢(shì)，這類(lèi)涂料的研究與應(yīng)用受到重視。 
        
　　6.1.4 外墻膩?zhàn)?
　　聚合物水泥基外墻膩?zhàn)邮且环N極具使用價(jià)值的外墻涂裝配套材料。在20世紀(jì)90年代末和本世紀(jì)初，隨著乳膠粉引入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，使用乳膠粉和水泥配制普通外墻膩?zhàn)拥靡粤餍校驗(yàn)檫^(guò)去使用107膠和水泥現(xiàn)場(chǎng)配制的膩?zhàn)?，不能滿(mǎn)足施工速度和保證工程質(zhì)量的要求。而使用乳膠粉配制的單組分膩?zhàn)雍褪褂萌橐号渲频碾p組分膩?zhàn)樱褂梅奖?，同時(shí)工程質(zhì)量得到保證。因而，這期間聚合物水泥基膩?zhàn)影l(fā)展迅速，并于2004年頒布實(shí)施了建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T157—2004《建筑外墻用膩?zhàn)印贰?

　　近年來(lái)隨著建筑節(jié)能的廣泛實(shí)施，與外墻外保溫層表面配套使用的柔性膩?zhàn)佑值玫酱罅繎?yīng)用。該類(lèi)膩?zhàn)幽軌蛟谝欢ǔ潭壬线m應(yīng)基層體積的變化和遮蔽微細(xì)裂縫，與外保溫層配套使用，既對(duì)保溫層起到保護(hù)作用，又為涂料的涂裝提供良好的基層。目前柔性膩?zhàn)赢a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有JG/T157—2004、JG158—2004《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)》和JG/T229—2007《外墻外保溫柔性耐水膩?zhàn)印返?。近年?lái)，隨著粉狀膩?zhàn)拥拇罅繎?yīng)用，聚合物水泥膩?zhàn)拥钠贩N得到擴(kuò)展，例如用于修補(bǔ)凹洞的點(diǎn)補(bǔ)膩?zhàn)印⒂糜谄秸容^差的墻面大面積找平的找平膩?zhàn)?、用于修補(bǔ)洞口的補(bǔ)洞膩?zhàn)雍屠佔(zhàn)拥取?shí)際上，拉毛膩?zhàn)討?yīng)歸屬于拉毛涂料，該產(chǎn)品成本比僅用聚合物乳液的膩?zhàn)语@著降低，性能也得到保證，在質(zhì)感涂料工程方面具有很好的發(fā)展前景。 

　　6.2 發(fā)展展望
　　聚合物水泥基涂料屬于有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合型涂料，符合材料科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，因而將會(huì)得到更好的發(fā)展。例如，隨著聚合物水泥基涂料的應(yīng)用增多，一些與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的問(wèn)題（如涂料配色）將會(huì)逐步得到解決。再例如，發(fā)展新型涂料品種，目前已研發(fā)出薄質(zhì)建筑涂料，地坪涂料也將是聚合物水泥基涂料的一個(gè)新應(yīng)用領(lǐng)域。此外，厚型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料或混凝土樓板防火涂料也可能會(huì)采取有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合的途徑，以提高涂料的性能，在這方面也可發(fā)展聚合物水泥基產(chǎn)品。

　　在高裝飾性涂料方面，砂壁狀建筑涂料存在的問(wèn)題可能會(huì)得到解決，使之具有實(shí)用性。在聚合物水泥基防水涂料方面，擴(kuò)展涂料功能，增加涂料品種，將成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，例如開(kāi)發(fā)具有與堵漏功能復(fù)合的聚合物水泥基防水涂料和具有滲透結(jié)晶功能的聚合物水泥基防水涂料等。在聚合物水泥基涂料的生產(chǎn)工藝上，也將會(huì)進(jìn)一步得到改進(jìn)。例如，采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┦雇苛现械哪承┯袡C(jī)聚合物組分（乳膠粉、保水劑等）能夠在涂料中更有效分散，從而提高涂料性能也是很有意義的實(shí)際問(wèn)題，有望在實(shí)踐中得到解決。