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论建筑防水材料的新进展
中国建筑防水材料工业协会 牛光全

摘 要:介绍叠层沥青防水材料、改性沥青防水卷材、高分子防水卷材、建筑防水卷材、建筑密封材料、金属屋面材料以及喷涂聚氨酯泡沫、种植屋面、太阳能光电屋面、再生坡屋面材料等节能环保防水材料系统的应用技术现状和新进展。
关键词:建筑防水材料;应用技术;现状;进展

从20世纪70年代开始,世界建筑防水材料发生了革命性的变化,传统的氧化沥青油毡叠层屋面和防水系统迅速减少,各种高性能的建筑防水材料大量涌现,占据主导地位。本文试图综述国内外建筑防水材料及其应用技术的新进展,供有关人士参考。
1 叠层沥青系统
20世纪70年代以前的100多年间,世界各国均使用沥青基叠层屋面和地下防水系统,以热粘沥青铺设3~4层。从20世纪70年代末开始,叠层沥青系统受到功能更好的各种聚合物基先进防水材料的冲击,使用份额迅速下降。目前,欧洲的叠层屋面仅占7%左右,美国约占13%(新建)和18%(修理),日本约占16%,我国在屋面和地下防水中已很少使用叠层系统。
叠层屋面整体上虽呈下降的趋势,但由于使用寿命长(30年以上),可靠性高,加之热沥青施工的环保化,预计近期内还不会被完全淘汰,在美、日等国仍会占有一定的比例。
坡屋面与平屋面的情况不同。在美国的坡屋面中,沥青油毡瓦用量始终占压倒优势,2006年复合(2层或3层)沥青瓦占55%,玻纤胎沥青瓦占11%,金属瓦占11%,纸胎沥青瓦占3%,木瓦占2%,纤维水泥瓦占1%,其它占17%。
2 改性沥青防水卷材
改性沥青防水卷材已发展成为各国主要或重要的屋面防水材料。在欧洲改性沥青卷材中占统治地位,年产量在2亿m²以上,约占65%;在美国它是前几年增长最快的屋面材料,现约占20%;在我国已成为使用最多的新型建筑防水材料,2005年使用量为1.3亿m²,约占21%。
在改性剂方面,目前仍以SBS和APP为主,SBS使用最为广泛,SEBS和TPO改性剂也开始应用,但用量有限。
在胎体方面,主要使用聚酯胎和玻纤胎,以聚酯毡使用最多,聚酯玻纤复合胎也有少量的应用。
改性沥青防水卷材大量应用于屋面和地下防水,为稳定可靠起见,标准规定一般铺2层。改性沥青卷材还在种植屋面、桥梁防水、铁道防水、与叠层屋面复合使用和保温节能等方面得到应用。在种植屋面中,一般双层铺设,下层常有自粘或热熔SBS防水卷材,面层则用加阻根剂的矿物粒面覆面SBS防水卷材。桥梁防水主要采用SBS和APP改性沥青防水卷材,较少使用防水涂料,一般双层铺设,如丹麦的桥梁设计使用双层4.5mm厚SBS改性沥青卷材及15mm厚排水板,使用年限高达100年。法国Soprema公司的全自动卷材铺设车及其配套的200m长桥面专用SBS防水卷材,以热风加热自动化焊接,已在欧洲和北美成功地使用了数十年。我国虽已使用APP和SBS卷材做道桥防水,但质量远逊于国外。在国外,铁道防水也有使用SBS改性沥青卷材的报道,我国正在积极研究SBS改性沥青防水卷材在铁道防水中的应用。为了节能的需要,白色表面改性沥青卷材开始问世,如美国Poly-glass公司的优质白色表面SBS和APP自粘屋面防水卷材,符合“能源之星”标准对阳光反射率的要求,GAF公司的发亮白色表面SBS和APP改性沥青卷材,其反射率比标准白色涂料大(达75%),Soprema公司的白色SBS卷材上面已直接铺贴光电薄膜。美国愈来愈多地将改性沥青与叠层屋面复合使用,下面铺2~3层玻纤胎氧化沥青油毡,上面覆盖以粒料覆面改性沥青卷材,以同时发挥多层稳妥和SBS卷材弹性好的优点。
改性沥青卷材的粘接方法主要有热粘法、冷粘法、喷灯法、热空气接缝法和自粘卷材等。目前,使用最多的仍然是热沥青粘结法和喷灯热熔法,但由于节能、环保和安全的要求愈来愈苛刻,这2种方法受到限制,而冷粘法、热空气接缝法、自粘接缝带、自粘卷材法则方兴未艾,前景看好。
热粘法散发烟尘,污染环境,需要改善。对此,美国研制出叫Petroplasma的屋面沥青,其抗下垂性提高,可在120ºC(一般为260 ºC)下施工,无烧伤、烟和异味。美国还推出一种在分子等级上起作用的气味抑制剂,可包裹沥青,阻止较轻石油分子蒸发,清除烟气。在沥青中加入专用聚合物,加热时聚合物浮到表面,形成蒙皮层,制成低烟沥青。日本开发的系列无烟沥青可大幅度减少黑烟(仅为传统沥青的1/5),熔化温度低(低20~50ºC),刺激性气味仅为传统沥青的1/5。
喷灯法既简便又有效,是当前欧美主要或重要的粘接方法。但近年来喷灯施工引发火灾的事故频繁发生,限制喷灯使用的呼声不断高涨,喷灯的使用将呈现下降的趋势。
冷粘法在美国、日本及欧洲已开始普遍使用。与热沥青相比,冷胶粘剂具有优越的粘接性,在双层SBS屋面膜暴露20年和30年以后的热老化试验中,冷胶粘剂和喷灯施工膜均无破坏。
自粘改性沥青卷材的兴起是改性沥青卷材发展中的一大亮点。它施工安全、快速,对环境友好,在国内外均获得了快速的发展。自粘卷材有均质型、玻纤毡增强型和聚酯毡增强型等众多品种,改性剂绝大多数使用SBS,但也有APP和TPO的。自粘卷材用途十分广阔:(1)在屋面和地下防水中单独或与普通改性沥青复合使用;(2)作泛水使用;(3)用作坡屋面的垫层;(4)用作墙的隔气层或防水层等。
3 高分子防水卷材
近年来,聚合物基的高分子防水卷材(不计改性沥青防水卷材)有了较快的发展。在美国单层屋面增长最快,1979年占10%以下,1984年占25%,1987年占48%,2006年达到54%,从而成为屋面的主导材料。日本的单层片材防水占37%,多于沥青防水。欧洲的单层聚合物片材约占24%,但增长速度高于改性沥青。单层防水厚度一般在1.0~2.0mm,资源消耗大大低于沥青基材料,由于石油短缺日渐严重,随着单层防水在材料和施工方面的技术进步,势必获得更快的增长。
与沥青基防水卷材一般多层铺设不同,高分子防水卷材多是单层铺设,根据使用部位和使用年限的不同,选用不同的厚度,选择厚度在1.0~3.0mm。
单层防水用途广泛,屋面、地下、隧道、铁路、水池、垃圾填埋厂等均可使用。
单层防水的种类多种多样,包括EPDM(三元乙丙橡胶)、PVC(聚氯乙烯),CPE(氯化聚乙烯)、氯丁橡胶、橡胶共混、CSPE(氯磺化聚乙烯)、EVA(乙烯乙酸乙烯酯),PE(聚乙烯)、ECB(乙烯共聚物沥青)、丁基橡胶、OCB(烯烃共聚物沥青)、PIB(聚异丁烯)等。各种片材的类型很多,主要有均质型、增强型、背衬层、自粘型。在屋面防水中,使用最多的是EPDM和PVC以及近来兴起的TPO卷材,美国以EPDM为主,欧洲以PVC为主。在地下防水中,较多地使用PVC、丁基橡胶、EPDM卷材等。
3.1 EPDM防水卷材
美国在发展EPDM防水卷材方面取得了骄人的成绩。据测试,EPDM的耐热性和耐紫外线性能名列第一,大大高于沥青基卷材。10~26年间的EPDM屋面防水卷材仍然表现出优越的现场耐老化性。防水保证期有3个档次,10年(1mm厚)、20年和30年(2.3mm厚)。产品品种包括均质型、增强型、背衬型、阻燃型、白/黑面等。增强型以机械固定方式铺设。白/黑面产品的典型反射率高达80%。新推出的合成纤维背衬EPDM系统以喷涂低发泡聚酯粘结底面,产品宽度1.33~15.24m。为了保证片材的稳定性,美国标准规定,黑色产品的热老化条件为116 ºC下670h,比其他国家苛刻得多。
美国各大公司都有齐全的配套材料,足以保证这一不易粘接的卷材的施工质量,配套材料包括基层胶粘剂、拼接胶粘剂、拼接处理剂、缝中密封胶、接缝密封胶、压敏泛水、固化泛化、非固化EPDM泛水、可浇注双组分聚氨酯密封胶、单组分聚氨酯密封胶、各种接缝自粘胶粘带和覆盖带、EPDM模制管密封件、压敏管密封件、内外角、各种保温板材、各种机械固定件等,不一而足。
正是由于上述材料和施工技术的进步,EPDM的10年维修费不断降低,1993年仅占1%,到现在可以忽略不计。市场份额位居第1,在2006年的新建屋面中占22%,在修理屋面中占21%。
3.2 PVC防水卷材
PVC防水卷材的欧洲使用最为成功的,近期虽受TPO的竞争,使用比例下降,但在单层屋面中的用量仍占53%左右。2006年在美国新建屋面中约占9%,在修理屋面中约占10%。日本的PVC防水卷材以前用量有限,但近年来由于地下使用量增加,产量超过橡胶片材,在2005年的片材防水中约占48%。
PVC防水卷材的最大优势是接缝可焊接,使用寿命较长。PVC防水卷材在屋面和地下防水中均有着广泛的应用。据分析,PVC的生态效应优于EPDM、TPO、改性沥青和4层叠层沥青膜。欧洲的PVC防水卷材已有40年的成功使用记录。美国的PVC防水屋面的平均寿命大于30年,最长的23年后仍能焊接。
PVC防水片材质量不断得到提高。瑞士从使用性能更好的增塑剂、使用更厚的片材(3mm厚用于地下防水)及加涂丙烯酸保护涂料等方面提高片材的质量。美国通过以下措施提高了PVC防水卷材的性能:(1)改进PVC树脂;(2)采用高分子量增塑剂解决增塑剂迁移问题,据称,DuPont公司的El-valoy可提供永久的柔性;(3)以纤维和织物增强,提高热塑性材料的稳定性;在美国ASTM的PVC标准中已取消了均质片材;(4)采用PVC合金;(5)采用新的光稳定剂Ciba TINUVIN XT833可以成倍地提高片材的伸长保持率。
3.3 TPO防水片材
TPO 防水片材兼有橡胶的物理性能和聚丙烯的可焊接性,不含增塑剂、耐臭氧、化学物品及某些烃油,有防火产品,耐微生物侵蚀,有无氯和无臭的产品,可用于垃圾填埋场,白色膜节能,可再生利用,是最为理想的环保材料,因而一经投产便受到欧、美、日等发达国家的青眯。欧洲的15个PVC防水片材生产厂家均已生产TPO防水材料。TPE(即欧美的TPO)成为日本防水片材的亮点,年产量已在百万平方米左右,日本国家标准中已经载入。美国的TPO发展最为迅速,近年来呈2位数增长,在2006年的新建屋面市场中已占19%,在修理屋面中则占16%,均超过PVC防水片材。71%的承包商对TPO的功能满意,据近期报道,有2家大型屋面材料厂又建新线,以满足日益增长的需要,估计用量还会有新的增长。
美国的TPO防水片材生产技术居世界领先地位:(1)幅宽有1.9m、2.4m、3.05m和3.66m;(2)多数为增强型的,织物面层的厚度达到0.38mm+-10%,而其它国家的为0.24~0.31mm;(3)有阻燃产品;(4)产品质量优于欧洲产品,如美国的热老化条件为116ºC、28d,而欧洲的为100ºC、28d或80ºC、60d;(5)白色产品反射率高达87%;(6)专利自粘TPO片材及自粘配套材料安装快而安全,符合“能源之星”要求,具有长期耐久性。
4 建筑防水材料
传统的沥青防水涂料性能欠佳,在地上防水中逐渐被聚氨酯、喷涂聚氨酯泡沫、丙烯酸和硅酮防水和保护涂料所取代;在地下防水中则主要被渗透性防水涂料、聚氨酯防水涂料和聚合物水泥防水涂料所取代。
聚氨酯防水涂料是功能最好、用量最大的建筑防水涂料,日本用量已超过4万t,在各种防水材料施工面积中约占28%。各国都有各具特色的产品,法国Soprema公司的单组分聚氨酯防水涂料处于领先地位,固含量大于90%,粘结性、气密性和防水性良好。日本产品有单组分和双组分之分,多数为双组分,分为外露型和非外露型,在屋面上使用提供10年的保证期。日本重视聚氨酯防水涂料复合防水工法的开发,已有改性沥青卷材加聚氨酯防水涂料的防水工法,正在开发聚氨酯与聚脲复合、聚氨酯加FRP(玻纤增强聚酯)等复合防水工法。发展方向是开发高性能产品,光泽保持率80%以上,防水层寿命延长到20年、30年甚至50年;开发环境适应型和无溶剂型产品;开发机械施工和超硬聚氨酯及拓宽用途。聚氨酯防水涂料应用广泛,屋面外墙、地下、内墙、敞廊、房檐、浴室、蓄热槽和接水槽均可使用。在日本新建外墙防水中占18.5%(第2位),在新建的阳台、屋檐中占68%(第1位),在修理的有保护屋面防水中占22.0%(与沥青热粘工法并列第1),在修理的外墙防水中占11.8%(第2位),在修理的阳台、屋檐中占74.2%(第1位)。
丙烯酸防水涂料兼有防水和装饰的功能,在各国外墙防水涂料中位居首位,但水蒸气透过性差,为了对立面实行更好的保护,可添加硅酮树脂乳液和功能性聚硅氧烷,水蒸气透过性大大改善。100%丙烯酸弹性体保护涂料,白色的反射率高达90%,在新建和既有屋面上,用来保护沥青、金属、EPBM、PVC、混凝土、现场喷涂聚氨酯泡沫和保温板等。
硅酮保护涂料用于屋面,而外墙用硅酮防水涂料提供完美的耐候防水性,也是理想的外墙保护修复涂料,其性能远远优于丙烯酸和氟碳涂料。
聚合物水泥防水涂料在地下防水中有着广泛的应用。在日本2006年新建地下内外墙防水中占22.6%(第2位),在修理地下防水中占16.7%(第2位)。美国开发的溶剂型聚合物水泥涂料,气味小,表面光滑、既防水又防霉,抗水压性是油基和水基的2倍。
渗透型防水涂料与水反应结晶,堵塞孔隙,是优异的地下内墙防水涂料,在美、日及我国被大量采用。在日本2006年新建地下内外墙防水中占29.0%,在修理地下防水中占27.8%,均居首位。
5 建筑密封材料
世界建筑密封材料发展的总趋势是持续发展,产品向硅酮、改性硅酮、聚氨酯等高档密封胶发展,中档密封胶将有适度的增长,而低档的油性密封膏则面临淘汰的境地。
日本2005年建筑用密封材料总产量为114 336t,高档弹性密封胶已占94%,而油性密封胶只有469t。目前欧美硅酮和聚氨酯使用最多,而日本垄断了改性硅酮密封胶的技术,用量很大,2005年占37%。在高档密封胶中,硅酮、改性硅酮和聚氨酯使用增多,技术上也各有新的进展,而聚硫密封胶则呈下降趋势,在日本2005年的总产量中仅占4%。中档密封胶以丙烯酸胶乳为主,它对环境友好,适用于小型构件和自己动手的嵌缝。
美国新近推出的水固化聚酯密封胶,固化快,几乎不沾灰尘,延伸率高达1 000%,可在潮湿接缝上施工,耐候性与其它高档密封胶相同,不含溶剂和致癌物,是环保型密封胶,目前用量已有1 800t,预计将会有大幅度的增长。
6 金属屋面
金属屋面包括钢、铜、铅、不锈钢等,使用最多的是钢板屋面。
金属屋面正快速发展。在美国的平屋面中,金属屋面已经历了最快增长期,在2006年的新建屋面中已占12%,在重铺屋面中则占9%。坡屋面的最大趋势是金属瓦和金属板的应用急剧增加,2004年金属屋面仅占6%,2006年猛增到11%,2年几乎翻了一番。
金属屋面的快速增长与其特点和技术进步密不可分。许多屋面都属于“冷”屋面,具有节能效果,防水、美观、可重复再生利用,有效的联锁和固定可保证屋面经久不漏,使用寿命长,可提供20~50年的保证期。
钢板屋面的最大技术进步是涂层经久耐用,先进的电镀技术、铝锌合金或聚合物涂层,可提供20年以上的保证期。石粒覆面钢板系统可提供50年的保证期,太阳光反射率可达到70%。坡屋面用的深色金属屋面瓦(板)加入反射红外线颜料的涂层,可将太阳光反射率由6%~8%提高到25%~30%,甚至更高。
7 节能和环保材料
在环境严重恶化和能源价格居高不下的今天,节约能源和保护环境自然成为人们关注的焦点,在建筑屋面领域主要是发展冷屋面、喷涂聚氨酯泡沫、种植屋面、光电屋面板、废橡胶塑料的再生利用等。
7.1 冷屋面
冷屋面简单易行,一个好的冷屋面可节约空调费用10%~40%,美国能源署要求平屋面的初始反射率不低于65%,使用3年后不低于50%。冷屋面的方案主要有(1)白色(或浅色)单层屋面,包括PVC、EPDM和TPO。白色PVC屋面系统在欧洲早已广泛应用。美国的白色/黑色EPDM的典型反射率达到80%。美国白色TPO的典型反射率高达87%。(2)白色的丙烯酸和硅酮保护涂料,美国的100%丙烯酸弹性体保护涂料具有90%的太阳光反射率。据研究,白色丙烯酸反射涂层夏季通常可节能22%,而冬季也可节能4%。(3)白色SBS改性沥青卷材,美国一些大公司最近纷纷推出这种节能卷材。
用于坡屋面的冷屋面也在研发之中。美国研制出深色但太阳光反射率不低于25%的沥青油毡瓦和太阳光反射率不低于45%的黏土瓦、混凝土瓦和金属屋面瓦,主要途径是设置白色底色或加反射光的颜料。
冷屋面得到政府的提倡,如在美国加利福尼亚州,由于退税政策的激励,2年使用了大约500万m²的冷屋面材料。
7.2 喷涂聚氨酯泡沫
现场喷涂聚氨酯泡沫屋面兼有保温和防水的功能,利于环境保护和节约能源,是一种可持续发展的屋面材料。美国通过研究和调查得出可以使用30年以上的结论,在美、日、欧及我国均有一定的应用,在美国的屋面市场中占2%~4%。
喷涂聚氨酯泡沫耐老化性较差,需要保护,涂丙烯酸涂料保护层一般可持续5年,涂硅酮保护涂料使用年限延长,但价格较高。
国外一些大公司致力于研究环保型喷涂聚氨酯泡沫,如BASF公司的ZONE 3技术已可生产出零臭氧消耗的泡沫,美国已推出不消耗臭氧层的发泡剂:Enovate(HFC-245 fa)、碳氢化合物(或正戊烷)和水。
7.3 种植屋面
种植屋面迅速兴起。德国的种植屋面规模很大,2003年的建筑面积为1350万m²,已有30%~40%的平屋面是种植屋面。其中轻量粗放型占80%,精耕细作型占20%。日本的种植屋面发展很快,2005年增加2410万m²,6年增加10倍。北美的种植屋面也呈增长之势,增长的主要推动因素已从新颖和环境优美转变到积蓄雨水、限制热岛效应和节约能耗。
种植屋面一般包括植被、生长介质、阻根层、排水过滤层、防水层、保温层和隔气层。用作防水层的主要材料有:双层改性沥青卷材;单层PVC;单层EPDM;单层TPO;外露聚氨酯防水涂膜;热铺橡胶沥青玛王帝脂。为保险以双层SBS防水卷材居多,上层要加抗根剂。
各国对种植屋面普遍实施资助和鼓励政策,如德国北莱菌-威斯特法州对每平米种植屋面给予5欧元的高额补助,日本各地常给予不超过铺设费用1/2的补助。
7.4 太阳能光电屋面
太阳能是取之不尽、用之不竭的清洁能源,在石油能源日渐短缺的大势下,太阳能光电技术获得比预期快得多的发展。
约一半的光电池来自日本,日本是利用太阳能最多的国家。日本提出了宏伟的发展规划,2010年太阳能发电系统要达到482万kW,为1993年的23倍,太阳能利用设施在日本家庭普及率几乎达到100%。
德国是光电池的第二生产大国,于1991年开始实施利用太阳能百万屋顶计划,现已超额完成,今后奋斗目标是2015年的发电量能满足100万人的用电需求。
美国加里福亚州2006年1月通过了太阳能百万屋顶的宏伟计划,今后10年将提供210亿美元的巨额补贴。其它各州也纷纷采取鼓励政策,有的州安装自有发电系统的用户可得到50%以上的安装费用补偿。美国还尝试在屋顶上同时安装太阳能发电系统和风力发电系统,发电收益更高。
光电技术分为2类:晶体技术和薄膜技术。晶体技术产生的电能较高,在空间有限的屋顶上使用比较普遍。而质轻、柔软、易成卷的无定型光电板可直接粘到屋面上,厂家还生产出极其耐久的适用于油毡瓦的薄膜产品。
7.5 再生坡屋面材料
美国一些厂家在坡屋面市场中以橡胶和塑料等工业下脚料生产出模仿石板瓦、黏土瓦、混凝土瓦、金属瓦等高端屋面材料的再生产品,已占有一定的份额,据悉在加拿大也有生产。
根据测试,再生瓦材的使用寿命约为14年,但近期一些厂家称,他们的再生产品可以提供高达50年的保证期。
再生材料对地球友好,有助于减少回填费用和缓解能源危机,将成为坡屋面的下一代材料。
8 结语
我国的建筑防水材料门类比较齐全,但与国外相比尚有不小的差距。
我国改性沥青卷材已成为主导防水材料,但产品质量逊于国外,特别是假冒伪劣产品盛行,导致整体质量下降,保证改性沥青卷材质量已成为当务之急。此外,要在开发种植屋面、道桥、铁道和节能(白色)用的新品种上作出努力。
我国的高分子卷材发展相对滞后,总体技术水平较低,需要增加新品种(如增强型、宽幅产品、白色产品等),扩大用途,特别是要实行配套齐全的防水材料系统供应,解决好单层屋面接缝这一关键技术。EPDM和PVC防水卷材要大力增加用量,同时要敢于开发和使用TPO这一功能最为齐全的新产品。
我国的施工技术未能与防水材料同步配套发展,铺设方法单一,环保型热粘沥青加热设备、喷灯设置、热空气焊接机、喷涂设备等施工机具全面短缺,希望骨干企业和有识之士担当起解决长期困扰防水行业的这一老大难问题的责任。
我国的节能环保防水材料发展步伐缓慢,冷屋面、金属屋面、种植屋面、太阳能光电屋面、再生坡屋面材料都有待我们去认识和开发,政府也要适时地给予倡导和政策激励。
我国对防水工程的使用寿命要求低,一般只要求使用10年,尚无保证期制度,不利于防水材料的发展,有必要尽快推行屋面保证期制度,平屋面实行10年保证期制度,坡屋面则实行更长期限的保证期。

[发布日期:2008/12/1] [关闭窗口]