• 主题：建筑涂料，混凝土涂料

作者：赢创公司的 C. Jim Reader 和 Intertek Allentown 的 Gary Johnson

通常认为溶剂型密封剂在混凝土上的性能优于水基配方，因为溶剂型密封剂被认为能更好地渗透到混凝土基体中。实际上，很难测量密封剂对混凝土的实际渗透，因为用于突出密封剂的染料和着色剂可能表现出与聚合物粘合剂不同的迁移特性。共焦拉曼光谱映射已被用于绘制使用丙烯酸和环氧树脂粘合剂的溶剂型、100% 固体和水基密封剂的渗透深度。该映射表明，溶剂基和水基配方在开放表面的最初几微米之外均未显示出对混凝土基材的任何显着渗透。还使用模型水性丙烯酸封闭剂配方进行了一项研究，以确定添加剂是否会影响封闭剂对混凝土的渗透或其他可能影响水性涂料性能的因素。这项工作表明，添加消泡、聚结表面活性剂可以通过改善空气释放和增加混凝土表面的膜网络形成来提高涂层的保护性能。

介绍

密封剂是保护混凝土免受表面损坏、腐蚀和染色的重要组成部分。它们的作用是堵塞混凝土中的孔隙以防止水和水溶性盐类进入，或者形成聚合物屏障以防止此类材料穿过基材。渗透性密封剂含有反应性物质，例如硅烷、硅酸盐和硅酸盐，它们可以进入混凝土基体并与存在的矿物质发生反应以堵塞孔隙并形成疏水和疏油屏障。渗透性密封剂具有出色的耐久性，但不会改变或增强混凝土表面的外观。它们还会使混凝土的进一步处理变得困难。^1,2

局部密封剂是在混凝土表面形成聚合物膜和屏障的涂层。它们使用许多不同的化学物质制备，但最常见的是丙烯酸、环氧树脂和聚氨酯粘合剂。局部密封剂的使用寿命可能不如渗透性密封剂长，但它们可以增强和装饰混凝土表面，并为进一步处理做好准备。密封剂通常是低粘度涂料，含有溶剂或水作为稀释剂。溶剂型密封剂具有更光泽、更湿润的外观，而水性密封剂通常具有更自然的外观。许多州现在出于环境、健康和安全原因限制溶剂型密封剂的使用和销售。

混凝土是一种高度复杂的基材，由矿物骨料和填料（如砂）结合在基于水合钙盐和铝盐的结晶无机基质中。^3-4混凝土也是多孔的，包含许多天然空隙以及在凝固和固化过程中释放水时产生的毛细孔（图 1）。混凝土和混凝土表面的确切性质会有所不同，具体取决于供应商和当地原材料，尽管它本质上是密封剂的多孔矿物基材。

据称溶剂型密封剂比水性密封剂具有更好的性能^5，尽管人们承认水性密封剂的性能正在提高。^6-7性能改进经常被引用的一种解释是，溶剂型密封剂可以更好地渗透混凝土表面，通过机械互锁提供一定的孔隙阻塞和增强粘合力。^{2, 8-9}改进的附着力也被引用为改进渗透到混凝土中的证据，但在实践中，关于密封剂实际渗透到混凝土中的研究很少。简单的染料或颜色渗透测试可能会产生误导，因为颜色分布可能无法显示性能所需的聚合物粘合剂的真实分布（图 2 ¹⁰ )。

木材是一种多孔基材，已对其涂层渗透性进行了多项研究。De Meijer 等人观察到，水分或溶剂损失到木材细胞之间的毛细管中会导致粘合剂粘度迅速增加，从而限制了涂料渗透到木材毛细管中。¹¹他们注意到粘合剂颗粒太大而无法穿透木材本身的细胞壁。Alberdingk Boley Inc. 还观察到，无论稀释剂、聚合物化学成分、分子量或颗粒大小如何，木材本身的细胞壁都能有效防止涂料渗透到木材中。¹²

涂料渗透到混凝土中

通过两种不同的方法研究了两种不同的密封剂对混凝土基材的渗透。第一种方法使用简单的紫外线荧光来可视化两个环氧树脂密封剂穿透基材的深度。液态环氧树脂 (EEW 190) 与液态酰氨基胺硬化剂或水基硬化剂（赢创的 Anquawhite ^®）的简单化学计量混合物100) 准备好，并通过滚筒涂抹在从当地 DIY 商店购买的清洁、喷砂混凝土摊铺机上。摊铺机的尺寸约为 6 x 12 英寸（15 x 30 厘米），厚度为 2 英寸（5 厘米），涂层被施加到摊铺机的喷砂面。涂覆的面板在环境条件下固化 7 天，然后小心地切成两半以暴露混凝土基材。切割表面用短波、紫外线辐射（“黑光”）照射，从面板的切割边缘对芳香族环氧树脂粘合剂产生的荧光进行拍照（图 3））。在这两种情况下，荧光仅在涂层表面和表面以下 1-2 毫米处可见，在混凝土摊铺机主体内几乎看不到荧光，表明两种涂层都没有穿透混凝土基材。

不幸的是，并非所有粘合剂都会发出荧光，因此需要另一种方法来测量丙烯酸基密封剂的渗透性。共聚焦拉曼显微镜将拉曼分光光度计与光学显微镜以及空间滤光片结合在一起，以化学方式分析样品的三个维度的体积。空间分辨率的限制取决于激光和显微镜物镜，但可以识别小于 1 µm 的单个颗粒。¹³拉曼光谱类似于红外光谱，因为它通过不同的机制测量内部分子振动。红外和拉曼光谱通常提供互补信息，但拉曼光谱适用于水性样品和含水量高的样品，这些样品会干扰红外光谱。

使用了两种商用丙烯酸密封剂（Behr Premium ^® Low-Lustre Sealer Water-based 砌体密封剂和 Increte Systems 的 Clear Seal 400 溶剂基砌体密封剂），并通过滚筒和刷子将它们涂在清洁的喷砂混凝土板上. 涂层板在环境条件下固化 7 天，然后将涂层混凝土板破碎成可处理的碎片，并使用 600 粒度的研磨膜抛光每个部分的一个面。

使用 Horiba LabRAM HR 拉曼共聚焦显微镜系统和表 1 中所示的操作条件获得拉曼光谱。涂层/混凝土界面横截面的光谱在 ax = 19 µm 和 y = 24 µm 网格中获得，1 µm 步长使用 1 x 1 µm 像素在步骤之间完全重叠。将每个液体涂层样品的一小部分在载玻片上风干，并获得所得薄膜的拉曼光谱。

两种封闭剂都具有丙烯酸聚合物的拉曼光谱特征（图 4）。标记在 2931 Rcm ^-1的 C-H 伸缩带是水性密封剂光谱中最强的特征，并被选择用于监测混凝土横截面上的涂层，以及标记在 2881 Rcm ^-1的第二个尖肩，指定为线性烃链中的 C-H 拉伸，可能是烃蜡。标记为 2936 Rcm ¹的 C-H 伸缩带是溶剂型密封剂光谱中最强的特征，并被选择用于监测混凝土横截面上的溶剂型涂料。

辊涂的水基密封剂横截面的示例图像如图 5a所示。图像中的绿色矩形表示拉曼光谱映射的区域。2931 Rcm ^-1处的 C-H 伸缩带的强度（从 2818-3054 Rcm ^-1与基线校正整合）由叠加在图 5b 中放大比例显微照片上的绿色饱和度表示。图像上的绿色区域在涂层和混凝土之间的可见边界处结束，表明涂层集中在混凝土表面。图 6a和b中显示了与溶剂型密封剂几乎相同的结果。

这项有限的研究表明，密封剂对混凝土基材的渗透有限，超出了初始表面粗糙度和表面开放的毛细结构。因此，要解决水性密封剂和溶剂型密封剂之间实际或感知的性能差距，需要进行更多研究。大多数密封剂未着色或仅含有少量颜料和填料，因此改进的树脂技术将是弥合性能差距的关键，^14-16但其他配方成分也会影响密封剂性能。

添加剂对水性密封剂的影响

由于水的表面张力更高，水性涂料通常比溶剂型涂料具有更高的表面张力。当液体对孔材料的粘附力大于液体对其自身的内聚力时，就会发生流入毛细孔，因此毛细管流动和渗透需要低表面张力。^2，11润湿剂（表面活性剂）是用于降低水性涂料的表面张力的添加剂; 因此，在水基密封剂配方中测试了许多不同的表面活性剂（表 2），以确定它们是否可以提高性能和对混凝土基材的渗透。

使用 Krüss Bubble Pressure Tensiometer-BP2 测量含有不同表面活性剂的配方的表面张力，结果如图 7所示。不含添加剂的封闭剂具有相对较低的表面张力，但许多测试的表面活性剂大大降低了这一点。降低表面张力最有效的产品是高级炔二醇。

还通过滚筒和刷子将不同的密封剂配方施加到清洁的喷砂混凝土面板上，并使用上述共焦拉曼映射方法测试面板的基材渗透性。然而，拉曼映射的结果与之前的结果几乎相同，无论使用何种表面活性剂，几乎都没有渗透到混凝土基材中（图 8）。

密封面板的水敏感性也使用简单的水斑法进行测试，该方法测量水渗透密封剂并通过涂层下方混凝土变暗而变得可见的时间。每个面板至少使用五次测试，并用不同的面板重复测试，平均结果总结在图 9 中。这是一个简单的视觉测试；开始渗透的时间结果更具可重复性，并且被认为更重要，因为它与涂层对液态水的阻隔性能有关。穿透区域的可重复性较差，因为罐可能会在整个表面（这将是可见的）和垂直进入混凝土的深度（这是无法看到的）水平扩散。

使用含有非离子聚结表面活性剂的配方获得了最好的结果，尽管这些没有给出最低的表面张力。干燥的密封剂在混凝土表面形成相对低光泽的薄膜，这使得视觉和摄影比较困难，除非表面活性剂泡沫非常多且表面气泡可见。含有非离子聚结表面活性剂的配方在目视和显微镜下都具有最佳外观，尤其是在混凝土上寻找干燥、未涂覆的区域时，尤其是在混凝土表面的一些较深的孔中。

消泡剂的选择也影响了密封剂的水敏感性。在减少泡沫方面非常有效的强不相容消泡剂和高度相容的消泡剂（在控制泡沫方面效果较差）都产生了防水性差的密封剂。当将密封剂应用于 Leneta 图表时，强烈不相容的消泡剂会产生非常差的表面外观（凹坑或去湿），并且据认为这些也可能破坏混凝土表面上的薄膜，从而使水渗透。但是，无法目视确认。同样，当将密封剂应用于 Leneta 图表时，太相容的消泡剂会在干膜中留下残留的泡沫和气泡，而这些气泡在应用于混凝土时很可能会保留下来；然而，这些也无法在肉眼或显微镜下看到。图 10 )。

结论

有许多不同类型的混凝土密封剂可用，但最常用的两种是成膜丙烯酸密封剂和渗透密封剂。虽然它们都密封混凝土，但它们以不同的方式密封。成膜密封剂通过在混凝土顶部形成保护膜起作用，无论是水基还是溶剂基，似乎都不会渗透混凝土基材。

由于对挥发性有机化合物的管制限制了溶剂型密封剂的可用性和使用，水基密封剂的使用有所增加；然而，人们对水性密封剂的性能仍有一些担忧。这种性能主要受树脂选择的影响，但添加剂的选择也会影响密封剂的性能。De Meijer 指出，当涂料涂在多孔基材上时，基材会流失大量水分，这会影响流变性和粘度，但也可能影响成膜。¹¹聚结表面活性剂有助于降低水基密封剂的表面张力，并有助于在混凝土表面形成膜以改善膜性能。

致谢

作者要感谢 Paul Marcella 帮助创建数据以及 Ingrid Meier 和 Maria Nargiello 的编辑协助。

参考

1.   https://en.wikipedia.org/wiki/Concrete_sealer。
2. 了解混凝土密封剂和化学品，研讨会 TH140，WoC2011。
3. https://www.understanding-cement.com/hydration.html。
4. http://www3.imperial.ac.uk/concretedurability/researchprojects/predictingmasstransport。
5. 用于混凝土密封剂的水性和溶剂型树脂的比较，Wexler，ACA
   混凝土涂料(2014)。
6. https://waterbasedsealers.com.au/water-based-concrete-sealers-vs-solvent-based-concrete-sealers/。
7. https://www.concretecamouflage.com/water_based_concrete_sealer.cfm。
8. 了解用于装饰混凝土的高性能涂料，研讨会 WE27，WoC2011。
9. http://indecorativeconcrete.com/?page_id=644。
10. http://www.amshieldcorp.com/capillaryWaterproofing.htm。
11. de Meijer, M.、de Velde, B. 和 Militz, H.“了解涂层毛细管渗透到木材中的流变学方法”，第五届纽伦堡大会（1999 年）。
12. Alberdingk 和 Boley，Lignocure VP2010 产品信息。
13. http://www.horiba.com/us/en/scientific/products/raman-spectroscopy/raman-academy/raman-faqs/what-is-confocal-raman-microscopy/。
14. Flecksteiner、Matranga 和 Lawhorn，“50 g/L VOC 水性湿密封剂的开发和性能”，ACA 混凝土涂料（2014 年）。
15. Goldschlager, B.，“一种独特的丙烯酸乳胶，可在低 VOC 车库地板和砖石应用中提高耐化学性和耐热轮胎性”，涂料趋势和技术（2016 年）。
16. https://www.epscca.com/opencms/export/sites/epscca/galleries/pdfs/articles/ECS-Garage-Floor-Paint-Andrew-Hearley.pdf。

*于 2 月 24 日至 3 月 1 日在洛杉矶新奥尔良举行的 2019 年水性研讨会上发表。