建筑表面用有机硅防水剂的作用机理及应用

在标准《JC 474-2008砂浆、混凝土防水剂》中，混凝土防水剂能降低砂浆和混凝土在静水压力下的透水性，这种改善混凝土抗渗性作用是通过防水剂提高混凝土内部的密实度实现的。
本文讨论的表面防水剂在标准《JCT902-2002 建筑表面用有机硅防水剂》中是指用于多孔性无机基层不承受水压的防水及防护，通过表面防水剂的憎水效应实现防水。

01
什么是憎水性
憎水性是材料表面疏水作用的体现。下图为液体在固体表面的受力情况，其中：
1—固体介质；
2—空气介质；
3—液体介质；
σ12—固-气界面张力；
σ23—气-液界面张力；
σ31—固-液界面张力。

只有平行固体壁的接触线才能自由运动，由此得到该方向的平衡方程：

σ12=σ31+σ23cosθ
cosθ=(σ12-σ31)/σ23
式中θ为接触角：
1)θ<π/2时，则固体介质是亲液体介质的，固体介质可被液体介质浸润；
2)θ>π/2时，则固体介质是憎液体介质的，固体介质不能被液体介质浸润。
液体介质为水时，可根据接触角的大小将材料分为亲水性材料（θ<π/2）和憎水性材料（θ>π/2）。大多数土木工程材料如砖、木以及混凝土等均属于亲水性材料；沥青、石蜡等则属于憎水性材料。

02
有机硅防水剂的作用机理
有机硅，即有机硅化合物，是指含有Si-C键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，习惯上也常把那些通过氧、硫、氮等使有机基与硅原子相连接的化合物也当作有机硅化合物。

有机硅树脂交联大分子立体结构和二氧化硅晶体(如石英等)的结构之间有着十分相似的硅氧键，这种结构特征使有机硅对含硅氧键的无机矿物材料具有的亲合性。如果将有机硅涂敷于砖、石材等无机材料的表面上，则涂膜将形成有序的定向排列状态，有机硅分子中的Si-O-Si吸附在矿物表面，甲基或其他烷基整齐地排在外面(见下图)。甲基或其他烷基具有很低的表面张力，是憎水性基团，因此这种定向排列的有机硅分子膜就表现出的憎水性。当空气中的水蒸气或者雨滴接触到材料表面时，材料憎水表面发挥疏水作用，使液态水在坡面和立面上难以停留，呈水珠状滚落从而防止外部水分向水泥基材料内部渗透。有机硅涂膜除有显著的憎水性外，还具有“呼吸性”(见下图)，保持了被覆体自身的湿气平衡，因而更进一步推进了涂膜的耐久性。

这种有机硅防水剂的憎水效应与荷叶效应有着本质区别。


荷叶叶面上的微观结构如上图所示。
荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。在分辨率显微镜下可以清晰看到荷叶表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突由许多直径为200纳米左右的蜡质突起组成的。在荷叶叶面上布满了一个挨一个隆起的“小山包”，它上面长满绒毛，在“山包”顶又长出一个馒头状的“碉堡”凸顶，而在“山包”间的凹陷部分充满着空气，这样就在紧贴叶面部位形成了一层只有纳米级厚的空气层。当尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等降落在叶面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上“山包”的凸顶形成点接触。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水球在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，实现自清洁，这就是“荷叶效应”。

03
有机硅防水剂的主要用途
有机硅防水剂可用于装饰砂浆、天然或人造大理石、天然或人造花岗岩、装饰混凝土、清水混凝土、砌块、砖等表面的涂装，主要起到以下几方面作用：
1)防污除尘作用
在建筑物外墙的砖石表面、混凝土和砂浆美饰表面等均存在大量的微裂纹、凹陷和毛细孔，引起吸水和挂尘，当大气降水与上述表面的积尘混合形成黑色污水下流时不断向孔隙内渗入，干后形成黑色条纹或片状污斑。严重损害饰面的装饰效果。但当涂敷有机硅防水剂后，所形成的憎水膜便会使污水以荷珠状滚落，不仅防止了污水向内渗入，而且污水水珠滚落时会使附着积尘一起落下。所以经过大雨(或人工喷水)洗刷的有机硅墙面就与未经处理的墙面完全不同，呈现出崭新的面貌，雨后污染严重的状况明显改观。
2)防止风化和析白
风化是无机盐水溶液迁移至墙体表面形成结晶及体积膨胀对墙面裂纹产生应力破坏而致，这种破坏作用年复一年地反复起作用，使墙体表面酥松、脱皮直到失去功能。防水剂在墙体表面形成憎水层，避免了外部降水向内渗入和内部盐溶液向外迁移，从而杜绝盐析造成的风化。
析白是指建筑物墙体内部游离氢氧化钙水溶液向外迁移，干后在墙体表面沉积，逐渐同二氧化碳发生碳化反应，生成不溶于水的碳酸盐，性地粘附于墙体表而，出现不均的片片白痕。氢氧化钙水溶液不均匀迁移会造成墙面的析白、泛白，这不仅影响装饰效果，也有很大的破坏作用。有机硅涂膜在墙体表而形成的憎水层是避免析白的有效措施。
3)防止微生物滋生
微生物在建筑物表而滋生的首要条件是潮湿，长期潮湿的表面容易生长苔鲜和各种霉菌，这些生物的滋生繁衍造成建筑物表面破坏。涂敷有机硅防水剂后形成的憎水面层难以存水，因此具有破坏性的生物也就难以生存。
4)防霜冻破坏
在北方墙体表面毛细孔或裂缝中的存水结冰时，体积产生约10%的膨胀，这种膨胀会产生的破坏应力，憎水层的隔水作用消除了霜冻造成的这种破坏。
5)防酸雨腐蚀
有机硅憎水膜阻隔了大气酸雨对墙体的腐蚀破坏。如前所述，有机硅涂膜具有“呼吸性”，使气体水分子可透过涂膜自由出入，从而保持了墙体自身的湿气平衡。墙体内部的水分子极容易向外散逸，使涂膜下的墙体保持自然的干湿平衡，而不会造成像全封闭涂膜那样湿气无法散出而引起鼓泡或表层脱皮。
6)保色作用和防老化作用
对有色彩的墙体，有机硅涂膜可以起到保色作用。因为Si-O键的键能很高，光能难以破坏它。而光能一旦被涂膜中的Si-O键吸收后，即不再对有机硅涂膜下的有色基团造成破坏，色彩会长期保持其初始状态。

04
有机硅防水剂喷（涂）施工方法
有机硅防水剂的施工一般分基层表面清理、修补裂缝、喷涂施工3个程序。
1)清理基层表面
喷有机硅防水剂前要将基层表面上的灰尘、苔斑等污物清理干净。一般的灰尘、浮土可用清水冲洗或抹布擦洗；油污、锈渍、苔斑需用清洗剂认真清洗，再用清水将残留清洗剂冲洗干净。
2)修补裂缝
基层渗漏分毛细孔吸水渗漏和裂缝、孔洞渗水两类。用有机硅防水剂处理毛细孔吸水渗漏十分有效。但如果基层上存在较大的裂缝或孔洞，单喷有机硅防水剂往往还不能解决问题，因为如果在下雨时伴有大风，雨水仍有可能在较大风压的推动下透过裂缝、孔洞渗入基层内。为此，选用合适的材料嵌填修补裂缝、孔洞后再喷有机硅防水剂。
3)喷涂有机硅防水剂
基层经清理、修补、干燥后(含水率小于10%)，即可喷有机硅防水剂。
a)将有机硅防水剂与水按1:(10-12)的比例(质量比)搅拌均匀，用清洁的农用喷雾器或刷子直接喷、刷在干燥的墙面上，纵横连续2遍。
b)喷涂顺序要规范化，好先下后上，或先喷下一段，再由上而下分段进行。例如喷涂墙面，可以从施工面的下端开始，沿水平方向，从左到右或从右到左喷涂(应顺风向)，形成横向施工涂层，这样逐渐喷至上端，完成遍喷涂；紧接着再进行垂直方向的第二遍喷涂，使二遍涂层呈“十”字交叉，这样使墙面充分吸收乳液，防止漏喷。喷涂时需注意二点：一是，遍与第二遍喷涂间隔时间不可太长，如在遍涂层固化后再喷第二遍，固化后的涂膜已开始憎水(特别是在气温高的夏季更是如此)，第二遍就喷不上去了，喷上去也会滚落；二是，喷涂时不得跳跃、无序或随意地乱喷，否则很容易出现少喷或漏喷现象，影响施工质量。
c)墙面腰线、阳台、窗台等部位及瓷砖、大理石等饰面的砖缝是喷涂部位，要充分喷涂。
d)施工时要求气温在4℃以上，24h内无雨、雪、冰冻，风力在6级以下，加了水的稀释液应在当天用完。
e)要严格掌握乳液和水的配比，过浓或过稀均不能得到理想的防水效果。一般混凝土、水泥砂浆、瓷砖、毛面花岗岩、水刷石、清水砖墙面以1:(10-11)较为适宜；磨光花岗岩、大理石墙面以1:12为适宜。