清水混凝土涂料的研制N

1、清水混凝土涂料的研制和應(yīng)用沙圣剛瓦克上海技術(shù)中心摘要：介紹了清水混凝土涂料的研制和應(yīng)用過程。硅樹脂清水混凝土涂料集耐久性、憎水性和透氣性于一身，同時(shí)保持了混凝土本身的外觀。討論了樹脂的種類、比例及填料對(duì)性能的影響。關(guān)鍵詞：清水混凝土涂料；硅樹脂；耐久性；憎水性；透氣性Preparation and Application of Clear Concrete PaintAbstract: The preparation and application of clear concrete paint is discribed. Silicone resin clear concrete paint

2、 offers outstanding durability, water repelleny and breathability and maintains the natural finish color of concrete. The influence of resin, ratio of silicone resin/acrylic emulsion and fillers on the performance is discussed.Key Words: clear concrete paint ; silicone resin; durability; water repel

3、lency; breathability0 前言清水混凝土建筑在生活中到處可見，最常見的就是市政道路設(shè)施，如橋梁、路基、道路隔離墩等。給人印象最深的也是這種形式的建筑在下雨時(shí)和剛剛下雨后，表面濕淋淋的感覺，有些甚至是很污濁的效果。這是因?yàn)榛炷翆儆诙嗫孜镔|(zhì)，表面吸水率很大，很容易吸收水份，吸水后就會(huì)顏色變深，長時(shí)間后會(huì)表面發(fā)黑、長霉、開裂。清水混凝土作為一種建筑風(fēng)格在國外已流行好多年，它保持混凝土原有的顏色和紋理，給人以古樸凝重、自然清純的質(zhì)感。目前國內(nèi)一些著名工程也采用了清水混凝土風(fēng)格，如：東方明珠電視塔、聯(lián)想大廈、浦發(fā)銀行全國結(jié)算中心、海南國際機(jī)場、首都機(jī)場塔臺(tái)等。這些建筑并非混凝土直接裸

4、露在空氣中，而是外表穿上了一層透明的外衣清水混凝土涂料。清水混凝土涂料實(shí)際上是一種透明或半透明涂料，不含如鈦白粉之類的有色顏料，涂于混凝土表面后，不會(huì)遮蓋混凝土原來的外觀，保持了混凝土原有的顏色和質(zhì)感，同時(shí)具有很好的保護(hù)作用，可以防止混凝土變色、長霉、粉化和開裂，其保護(hù)壽命長達(dá)20年。目前國內(nèi)工程選用的主要是日本企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，如旭硝子、SKK、菊水等，國產(chǎn)此類產(chǎn)品的企業(yè)很少。 清水混凝土涂料因不含耐紫外線好的鈦白顏料，對(duì)基料的要求很高，一般選用有機(jī)氟或有機(jī)硅等耐久性好的樹脂。日本早期采用丙烯酸聚氨酯作基料，幾年后混凝土表面就變黃。本文中采用純硅樹脂作粘結(jié)劑，配制成了具有高耐久性、高透氣性和高

5、憎水性的清水混凝土涂料。1 實(shí)驗(yàn)部分完整的清水混凝土體系應(yīng)包括面漆、底漆和修補(bǔ)砂漿，因修補(bǔ)砂漿不屬于涂料范疇，這里僅討論面漆和底漆。1.1 透明面漆的研制1.1.1基料的選擇根據(jù)國外產(chǎn)品的介紹，一般選擇耐久性好的氟碳乳液或有機(jī)硅乳液。本文比較了一種氟碳乳液和硅樹脂乳液，硅樹脂乳液表現(xiàn)出更好的抗黃變性，同時(shí)硅樹脂又具有很好的透氣性，最后選擇了硅樹脂乳液。氟碳乳液與硅樹脂乳液涂在玻璃板上，根據(jù)GB/T 16777-1997進(jìn)行耐紫外線試驗(yàn)。硅樹脂在強(qiáng)烈紫外線照射后，幾乎不變色。見圖1硅樹脂 氟碳乳液Silicone resin fluorin emulsion（圖1）Fig. 1這是因?yàn)楣铇渲歉?/p>

6、分子、三維交聯(lián)的化合物，其結(jié)構(gòu)類似于石英。它們都是以硅/氧為骨架，但與石英不同的是，在硅樹脂中，每四個(gè)氧原子就有一個(gè)被有機(jī)基團(tuán)R取代。因此它可以描述為是一種有機(jī)改性的石英結(jié)構(gòu)。另外，所有的硅樹脂均由三官能硅單元組成，使硅樹脂在化學(xué)性能上成為介于純粹無機(jī)物和純粹有機(jī)物之間的中間體系（圖2）1。EtO -Si - O-Si-R R-Si -O- Si - R Si - O - O O O O O O O O O O O O O O O- O - Si - O - Si - O - Si - O - Si - O - Si - Si - O - Si - O - Si - O - Si - O -

7、- Si - - O - Si - O - Si - O - Si - O -Si - 石英 R OEt R R R O- O - Si - O - Si - O - Si - O - Si - O O O O O O O O OEt R R - Si - 硅樹脂（圖2）Quartz and silicone resin (Fig. 2)硅樹脂由30 至80個(gè)硅的T單元組成，分子量從2000 至5000，這與其他聚合物樹脂相比低得多。硅樹脂中還含有約2%至4%的乙氧基。這些乙氧基能相互起化學(xué)反應(yīng)，或與顏、填料上的羥基，或與底材上的羥基起化學(xué)反應(yīng)，生成硅氧鍵。眾所周知，硅氧鍵能比碳碳鍵能高很多，

8、紫外線的能量不足以使硅氧鍵斷裂。所以硅樹脂具有很好的附著力和耐久性。硅樹脂表現(xiàn)出比其他樹脂更好的顏料潤濕性，硅樹脂包裹在顏填料的表面，提高了填料的耐久性。氟碳乳液或硅丙乳液是線性高分子，其主鏈?zhǔn)翘继兼I，側(cè)鏈上帶有氟或硅，其氟或硅的含量的多少影響耐老化性，氟碳乳液或硅丙乳液高分子是疏水性的，而無機(jī)填料是親水性的，所以兩者之間的親合力較差。完全固化的硅樹脂是三維交聯(lián)的剛性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不熔不溶，其在長期處于200的高溫條件下，也不會(huì)有任何變化，可耐堿，耐酸雨和太陽光中的紫外線、紅外線。由于其硬度很高，性能較脆，需要與線性丙烯酸乳液合用，以增加其柔韌性。從耐候性角度考慮，一般選用純丙乳液。不同的純丙乳

9、液對(duì)耐黃變影響不同，需要通過實(shí)驗(yàn)選擇。配制成不同的透明涂料，在玻璃板上制成相同厚度的涂膜,完全干燥后,根據(jù)GB/T 16777-1997進(jìn)行耐紫外線老化試驗(yàn)。在照射相同時(shí)間后，測量老化前后的色差E，E值越大，表明其耐老化性越差。表1顯示純丙B具有更好的抗黃變性。表1不同透明涂料UV老化前與老化后的色差配方1#（純丙A）配方2#（純丙B）E( 8h UV)4.092Tab.1 E before UV ageing and after UV ageing based on different dispersion formula1#（pure arylic emulsion A）formula2#

10、（pure arylic emulsion B）E( 8h UV)4.0921.1.2 硅樹脂與純丙乳液的比例硅樹脂和純丙乳液B按照不同的比例配制成涂料,其比例如表2。 表2顯示在相同PVC下, 硅樹脂用量越大, 耐黃變性越好，但到達(dá)一定比例后, 抗黃變性能增加有限, 但成本增加較多，所以從經(jīng)濟(jì)角度考慮，選擇硅樹脂與純丙比例為1：1時(shí)較好。(表2)不同樹脂比例透明涂料UV老化前與老化后的色差配方2#配方3#配方4#硅樹脂/純丙1：21：12：1E( 8h UV)21.331.32Tab.2 E before UV ageing and after UV ageing based on diff

11、erent content of silicone resin formula2#formula3#formula4#silicone/dispersion1：21：12：1E( 8h UV)21.331.321.1.3 填料的選擇因?yàn)槭桥渲仆该魍苛? 所以填料應(yīng)選用遮蓋力較低的填料, 填料的粒徑不宜過細(xì),同時(shí)應(yīng)選用耐候性較好的填料。1.1.4 參考配方及性能測試表3硅樹脂透明面漆參考配方原材料質(zhì)量%1水33.32HEC纖維素0.43SILRES BS16 (1:3)0.14多聚磷酸鹽NC0.15分散劑0.46消泡劑0.27云母128滑石粉89重鈣510SILRES BS1306 憎水劑111

12、SILRES BS43N 硅樹脂乳液2012純丙乳液B1813成膜助劑0.514消泡劑0.215防腐劑0.216增稠劑0.417SILRES BS16 (1:3)0.2合計(jì)100Tab.3 Typical formula of silicone resin translucent top coatingraw materialweight%1water33.32thickener0.43SILRES BS16 (1:3)0.14polyphosphate NC0.15dispersant0.46defoamer0.27mica128talc89carbonate510SILRES BS1306

13、 water repellent agent111SILRES BS43N silicone resin2012pure acrylic emulsion B1813film forming agent0.514defoamer0.215preservative0.216thickener0.417SILRES BS16 (1:3)0.2tatal100表4硅樹脂透明涂料檢測結(jié)果項(xiàng)目檢測結(jié)果吸水率 (w24-值)0.01 kg/m²h0.5水蒸汽透過率(sd-值):0.37 m附著力 (灰砂磚)3.4 N/mm耐擦洗性（次）>100001.000 小時(shí)QUV :人工老化不粉化,

14、不黃變,不褪色疏水性很好耐水性96H無異常涂層耐溫變性(5次循環(huán))無異常Tab4 testing resultitemstesting resultwater uptake (w24-value)0.01 kg/m²h0.5water vapour permeability(sd-value):0.37 madhesion ( 3.4 N/mmscrub resistance（time）>10000artificial ageing 1.000h,QUVno chalking,no yellowingwater repellencygoodwater resistance96H

15、 passFilm temperature change resistance,5 cyclesOK1.2 透明底漆清水混凝土的壽命希望達(dá)到20年以上, 在此期間不需要維護(hù)保養(yǎng), 所以對(duì)底漆也提出了很高的要求。要求底漆具有防水性、透氣性、耐久性、加固底材，能增強(qiáng)與面漆的附著力，同時(shí)希望該產(chǎn)品是環(huán)保的、使用方便的和高效的。這里選用了一種水性的膏體狀的小分子硅烷，完全符合了上述要求2。這種水性膏體底漆的主要成份是烷基三乙氧基硅烷。它被噴涂到混凝土表面后，會(huì)滲透到混凝土的內(nèi)部，并與濕氣反應(yīng)，脫去乙醇，形成三維交聯(lián)的有機(jī)硅樹脂網(wǎng)絡(luò)，化學(xué)錨固在混凝土上，形成一層防水層。防水層的厚度與涂布量底材的密實(shí)度有

16、關(guān)，防水層的厚度從2毫米到6毫米不等。因?yàn)槠湫螒B(tài)是膏體，所以其厚涂不流掛，固化后完全吸附到混凝土內(nèi)部，不改變混凝土的外觀，不影響混凝土的透氣性，因?yàn)樗欢氯?xì)孔，同時(shí)其與硅樹脂面漆發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使之有機(jī)地成為一體。表5 底漆涂布量與滲透深度試樣類別硅烷用量滲透深度mm染色法每次用量g/m2涂覆次數(shù)共計(jì)用量g/m2膏體硅烷100共兩次2002.6膏體硅烷150共兩次3003.5膏體硅烷200共兩次4004.5Tab.5 primer coverage rate and Penetration depthPenetration depth,mmcoverage rateg/m2painting,

17、timeg/m2cream silane10022002.6cream silane15023003.5cream silane20024004.5表5顯示，膏體硅烷的用量越大，滲透的深度越深，防護(hù)時(shí)間越久。表6底漆涂布量與氯離子吸收量試樣類別硅烷用量氯離子吸收量降低效果每次用量涂覆次數(shù)共計(jì)用量氯離子平均值降低效果g/m2g/m2%空白/0.1806/ 膏體硅烷100共兩次2000.017490 膏體硅烷150共兩次3000.014892 膏體硅烷200共兩次4000.013393Tab.6 coverage rate and absorption of chlorine ion chlori

18、ne ion decrease ratecoverage ratepainting timedosagechlorine ion contentdecrease rateg/m2g/m2%none/0.1806/ cream silane100two2000.017490 cream silane150two3000.014892 cream silane200two4000.013393將底漆固化好的混凝土試塊浸入5mol/L的氯化鈉溶液中48小時(shí)，取出，吸干水份，將混凝土研磨粉碎后，測定其中的氯離子含量。用硅烷處理后的混凝土氯離子吸收量比未處理的混凝土氯離子吸收量降低了90%，所以用此底漆

19、處理后的混凝土可有效地防止泛堿的發(fā)生。防止了有害鹽份對(duì)鋼筋的腐蝕。表7底漆涂布量與吸水率試樣類別硅烷用量吸水率/降低比例每次用量涂覆次數(shù)共計(jì)用量吸水率降低比例g/m2 g/m2mm/min0.5%(對(duì)比空白)空白/0.08500 膏體硅烷100共兩次2000.004595 膏體硅烷150共兩次3000.003096 膏體硅烷200共兩次4000.003196Tab.7 coverage rate and water absorption dosagewater absorption/decrease ratecoverage ratepainting timedosagewater

20、absorptiondecrease rateg/m2 g/m2mm/min0.5%(none)none/0.08500 cream silane100two2000.004595 cream silane150two3000.003096 cream silane200two4000.003196從表7的數(shù)據(jù)可以看出：使用膏體硅烷涂布后混凝土具有很低的吸水率，其吸水率比未使用膏體硅烷處理的混凝土（空白）的吸水率降低95%以上。表7顯示膏體硅烷涂布量在200至400g/m2時(shí)，各試樣吸水率值都達(dá)到國標(biāo)JTJ 275-2000海港工程混凝土規(guī)定的不大于0.01mm/min0.5的要求。

21、3 結(jié)果與討論 3.1防水性因?yàn)榛炷翆儆诙嗫仔缘臒o機(jī)材料，在未經(jīng)保護(hù)處理前，這些材料很容易吸收水份，吸水之后就會(huì)導(dǎo)致混凝土的碳化，鋼筋銹蝕，體積膨脹而開裂，以及泛堿風(fēng)化等，最終混凝土破壞失去使用功能。所以防水性是清水混凝土涂料極重要的指標(biāo)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1062-1：2002 色漆和清漆 抹灰層和混凝土基面上的外用涂料和涂料系統(tǒng)分類-1，根據(jù)涂料的吸水率分為四類，其中低吸水性涂料要求吸水率W0.1 kg/m2h0.53。硅樹脂透明涂料的吸水率是0.01 kg/m2h0.5，達(dá)到EN1062-1中最低吸水率要求。3.2透氣性透氣性也是混凝土用涂料的一個(gè)重要的指標(biāo)。在ISO 7783-2：1999

22、 色漆和清漆 抹灰層和混凝土基面上的外用涂料和涂料系統(tǒng)分類2 透氣的測定和分類中有明確的規(guī)定。它是用相對(duì)靜止空氣層厚度Sd值來表征涂料的透氣性，Sd值越小，表示涂料的透氣性越好。Sd值小于0.14米，屬于高透氣性涂料；Sd值在0.14至1.4之間，屬于中等透氣性涂料；Sd值大于1.4屬于低透氣性涂料4。如果外墻涂料的透氣性不好，混凝土內(nèi)水汽散發(fā)不出，容易導(dǎo)致涂料的鼓泡、開裂和脫落而失去保護(hù)功能。國外研究顯示混凝土內(nèi)水汽散發(fā)不出，Sd值過大，會(huì)導(dǎo)致鋼筋的銹蝕加劇，鋼筋銹蝕導(dǎo)致導(dǎo)致體積增大，結(jié)果混凝土就會(huì)開裂5。硅樹脂清水混凝土涂料的實(shí)測值Sd是0.37米，屬于中高透氣性涂料。但在日本的清水混凝土

23、涂料的說明書中沒有透氣性這項(xiàng)指標(biāo)，而且其一般都是有光涂料，其透氣性相對(duì)要差。4 施工與應(yīng)用該涂料不僅適用于新的混凝土建筑，如房屋、橋梁，而且適用于粘土磚和石材類建筑，以及古建筑的維修。目前在歐洲的一些古建筑的維修主要采用該涂料。對(duì)于新的混凝土建筑，其施工工序主要包括：底材清理清洗，修補(bǔ)平整，涂底漆，涂面漆。對(duì)于舊建筑的涂裝，則根據(jù)具體情況進(jìn)行分析，確定施工方案。包括：鏟除粉化層，防霉殺菌處理，清凈，防潮處理，修補(bǔ)平整，再涂底漆，涂面漆。對(duì)于重要的文物古跡，要盡量保持原有風(fēng)貌，對(duì)于粉化疏松層可進(jìn)行加固處理，不是簡單的鏟除清理。然后再進(jìn)行涂裝，使用硅樹脂透明涂料可做到修舊如舊，歷史的痕跡得到了保留，延長了文物古跡的壽命。5 結(jié)論硅樹脂透明涂料經(jīng)檢測證明具有突出的耐久性，優(yōu)異的防水性和透氣性。不僅適用于新的混凝土建筑，保持混凝土的本色，而且適用于粘土磚和石材類建筑，還可用于古建筑的維修，做到修舊如舊。參考文