（材料科学与工程专业论文）高速铁路桥梁用聚氨酯防水体系的研究.pdf

摘要 高速铁路桥梁用聚氨酯防水体系的研究 摘要 高速铁路是现代化科学技术成就的总体表现，是铁路进入现代化的重 要标志，且已经成为了许多国家客运发展的共同趋势。高速铁路桥梁大多 采用的是钢筋混凝土结构，在使用过程中，受到以下外界因素的影响，例 如车辆高频冲击震动、温度和气候变化引起膨胀收缩等，使得钢筋混凝土 桥梁表面产生许多裂纹，随着外界水分和二氧化碳的侵入，将引起混凝土 强度下降、钢筋锈蚀、混凝土断裂等严重问题，影响桥梁的使用寿命，威 胁运行安全，增加运营维护成本。虽然在设计和施工上采用了多种混凝土 防护措施，但不能从根本解决问题。从工程实践看，桥面上喷上一层防水 涂料，是解决上述问题的可行办法。 按照中国综合交通网中长期发展规划的要求，已经规划了“四横 四纵等客运专线以及人口稠密和经济发达地区的城际客运系统，预计到 2 0 2 0 年会有1 6 万公里的高速客运专线建成投产。并且防水层的面积可 达到1 亿多平方米，这就会给防水行业带来了巨大市场。 按设计要求，中国高速铁路桥梁具有以下要求：列车运行速度2 5 0 k m h 一- - 3 0 0k m h ，使用寿命1 0 0 年。在高速铁路桥梁中，防水层处于特殊 的位置，对新的防水层材料提出了更高的要求，表现为材料强度高、伸长 大、耐老化、耐酸碱、耐日晒和耐撕裂等性能指标。现有国家标准的防水 材料不能满足设计要求，研究高性能的专用防水涂料已成为铁路建设迫切 解决的问题。 i 北京化工大学硕士学位论文 铁路桥梁防水是一个系统防水工程，不仅关系到不同部位和不同产 品，而且与桥面施工的相关工序和相关部件有关。涉及到的防水产品有桥 面防水涂料层、梁端伸缩缝、排水坡落水口等构件；相关工序有桥面六面 坡层、滑动层、轨道板、扣件总成等。桥梁防水存在的主要问题是： 1 防水层与混凝土基层浸润性差，与混凝土脱层严重； 2 防水层强度低，在后续工序碾压下破坏损害； 3 运营中，梁端伸缩缝脱落达严重。 为了解决以上问题，本课题研制出了高铁桥梁用的防水体系系列产 品，包括高性能聚氨酯防水材料、低模量高伸长聚氨酯伸缩缝和混凝土界 面处理剂，分别用于桥面、梁端和混凝土表面。应用粘弹性理论，论文设 计了全新的聚氨酯弹性分子结构，研究了原材料、合成工艺对材料性能的 影响，制备了二中种聚氨酯新材料，形成了三种新防水产品，达到了铁道 部相关产品技术规范的要求，通过了中试和现场使用评价，取得了良好的 效果。 关键词：高铁桥梁，防水涂料，伸缩缝，聚氨酯 n 摘要 s t u d y o fp o l y u r e t h a n e ，a t e r _ p r o o f i n gs y s t e mu s e di n h i g h s p e e dr a 渐厂a yb i u d g e a b s t r a c t h i g h - s p e e dr a i l w a yw h i c hh a sd e v e l o p e di nm a n yc o u n t r i e si st h er e s u l t o fa c h i e v e m e n t so w n i n gt om o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a n da l s oi sa l l i m p o r t a n ts y m b o lo fr a i l w a ym o d e r n i z a t i o n m o r ea n dm o r ec o u n t r i e sh a v e c h o s e ni ta st h em o s ti m p o r t a n tw a yo f p a s s e n g e rt r a n s p o r t i no r d e rt op r o t e c t b r i d g e sm a d eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t eu s e di nt h er a i l w a yf r o mc o r r o s i o n ，a v a r i e t yo fm e a s u r e sh a v eb e e nt a k e n d u i n gt ot h eh i g hf r e q u e n c yi m p a c t v i b r a t i o no fv e h i c l e s ，e x p a n s i o n - s h r i n k a g ec a u s e db ya l lk i n d so fc l i m a t e f a t o r s ，d e f e c t sa r ei n e v i t a b l e w i t he x t e r n a lw a t e re n t e r i n gt h ec r a c 虹 a p p e a r i n go nt h es u r f a c e so fb r i d g e s ，al o to fp r o b l e m sn e e ds o l v i n gs u c ha s s t r e n g t hd e g r a d a t i o na n df r a t u r eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t ea n dr e i n f o r c e m e n t c o r r o s i o n i ti sh i g ht i m et h a tm e a u r s e sb et a k e nt op r o l o n g es e r v i c el i f e ，k e e p r u n n i n gs a f ea n dr e d u c eo p e r a t i o nm a i n t e n a n c ec o s t s p r a y i n gw a t e r p r o o f m a t e r i a lo nt h es e r f a c eo ft h eb r i d g ed e c ki sab e t t e rw a ya c c o r d i n gt o i i i 北京化工大学硕士学位论文 e n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h a n t h i c k e n i n g c o n c r e t e d u r i n g t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h el a y o u to fc h i n e s eg o v e r n m e n t ，p a s s e n g e rd e d i c a t e d l i n e sn a m e d f o u rv e r t i c a la n df o u rh o r i z o n t a l s a n di n t e r c i t yp a s s e n g e rt r a v e l s y s t e mi nt h ed e n s e l yp o p u l a t e da r e ah a v eb e e np l a n e d 16 ，0 0 0k mh i g h - s p e e d p a s s e n g e rl i n ew i l lb ep u ti n t oo p e r a t i o ni n2 0 2 0a sp l a n e d t h ea r e ao f w a t e r p r o o fl a y e rc a l lr e a c ho v e r10 0m i l l i o ns q u a r em e t e r sa n dah u g em a r k e t w i l la p p e m ： t h ed e s i g n e dl i f eo ft h eh i g h - s p e e dr a i l w a yi sa sl o n ga s10 0y u e a r s o n t h ep u r p o s eo fe n s u r i n gs a f e t ya n dd u r a b i l i t yo ft h eh i g h s p e e dr a i l w a yt h e s p e e do fw h i c hi sa sh i g ha s2 5 0k m h - - 3 0 0k m h ，w a t e r p r o o fl a y e ri sv e r y i m p o r t a n t t h e r e f o r e ，ak i n do fd e d i c a t e dh i g h - p e r f o r m a n c ec o a t i n gu s e di n w a t e r p r o o fi sn e e d e du r g e n t l y i ts h o u l ds a t i s f ya l lk i n d so fs t a n d a r d ss u c ha s h i g hs t r e n g t h ，h i g he l o n g a t i o n ，a g i n gr e s i s t a n c e ，a c i da n da l k a l ir e s i s t a n c e , l i g h t f a s t n e s sa n d h i g ht e a rs t r e n g t h b r i d g ew a t e r p r o o fi sas y s t e me n g i n e e r i n gw h i c hi sn o to n l yr e l a t e dt o d i f f e r e n tp o s i t i o n sa n dp r o d u c t s ，b u ta l s or e l a t e dt oc o n s t r u c t i o np r o c e d u r e s a n dd i f f e r e n tc o m p o n e n t s w a t e r p r o o f p r o d u c t si n v o l v ed e c kw a t e r p r o o f c o a t i n g ，b e a m e n de x p a n s i o nj o i n t ，d r a i n a g es l o p ei n l e ta n ds oo n r e l a t e d o p e r a t i o n si n c l u d ei n s t a l l i n gb r i d g ed e c kw i t hs i x - f a c es l o p el a y e r , s l i d i n g l a y e r , r a i lp l a t ea n df a s t e n e r t h ed i f f i c u l t i e so f b r i d g ew a t e r p r o o fm o s t l yi n v o l v e ： 摘要 b e c a u s ew e t t a b i l i t yb e t w e e nw a t e r p r o o fl a y e ra n dc o n c r e t eb a s ei s l o w , a b s c i s s i o ni sc o m m o n 2 t h es t r e n g t ho fw a t e r p r o o fl a y e ri sn o th i g he n o u g ht oa f f o r dt h e r o l l i n go ff o l l o w u pp r o c e s s 3 t h e w a t e r p r o o f m a t e r i a li ne x p a n s i o nj o i n tc o m e so f fe a s i l y t h es u b j e c ta i m st od e v e l o pas e r i e so fp r o d u c t sa b o u tw a t e r p r o o fs y s t e m u s e di nh i 曲- s p e e dr a i l w a yb r i d g e s ，i n c l u d i n gp o l y u r e t h a n ew a t e r p r o o f m a t e r i a lu s e do nb r i d g ed e c k s ，p o l y u r e t h a n ee x p a n s i o nj o i n tf i l l e rw i t hl o w m o d u l u sa n dh i 啦e l o n g a t i o nu s e do nb e a m - e n da n ds u r f a c et r e a t m e n ta g e n to f c o n c r e t e w i t ht h eu s eo fv i s c o e l a s t i ct h e o r y , an o v e le l a s t i cm o l e c u l a r s t r u c t u r eo fp o l y u r e t h a n ei sd e s i g n e d ，a n dt h ea f f e c t so fr a wm a t e r i a la n d s y n t h e s i st e c h n o l o g i sa r e a l s os t u d i e d t w on e wk i n d so fp o l y u r e t h a n e m a t e r i a la n dt h r e en e ws o r t so fp r o d u c t sa r eg o tw h i c hh a v es a t i s f i e dr e l a t e d s t a n d a r d so fm i n i s t r yo fr a i l w a ya n da l s oe x p e r i e n c e dp i l o tt e s ta n df i e l d a p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：h i g h - s p e e d r a i lb r i d g e ，w a t e r p r o o f i n gc o a t i n g ，e x p a n s i o nj o i n t ， p o l y u r e t h a n e v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 日期：垄鳢! 旦塑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 塑鳖日期2 0 l 。牟6 啪 日期：型哆z 岬 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 高速铁路以其方便、快捷、成本低的优势得到了极大发展。目前在世界范围内已 经建成的高速铁路达到了7 0 0 0 余千米。在我国为了满足快速增长的旅客运输需求， 需要建立省会城市和大中城市之间的快速客运通道，按照中国综合交通网中长期发 展规划，规划了“四横四纵一客运专线的以及人口稠密地区和经济发达的城际客运 系统，预计到达2 0 2 0 年时中国的铁路网总里程将会达到1 2 万余千米，其中客运专线 在1 6 万余千米，并且规划了3 l 条客运专线，目前在建的就有1 9 条，总里程达到了 7 3 0 0 千米，预计到2 0 1 0 年底客运专线将会有4 5 0 0 千米开通，如果按照现在的建设速 度和开通速度，到2 0 1 2 年就有1 3 万千米的高速客运专线建成并使用【l - 2 1 。可见高速 铁路已经成为了世界铁路的发展方向。 高速铁路涉及百年大计，而桥梁是高速铁路的重要组成部分，因此在规定中要求 高速桥梁都要设置防水层，预计防水层的面积就会达到l 亿多平方米，这将给防水行 业带来了巨大前景，但高速铁路防水层不同于一般的道路和桥梁防水，为确保高速铁 路的运行安全和高的使用寿命，规定中要求的设计年限要达到1 0 0 年，而防水层耐久 性也做了更高的要求，设计规划为2 0 年，但要求至少是1 0 年以上，在保修期上高铁 防水工程也要求至少1 0 以上是免费维修，因此桥梁防水工程的设计、选材及其施工 越来越受到人们的重视，材料的性能指标也逐次在提高，因此高性能的专用的防水涂 料已成为铁路建设迫切需要解决的问题【3 j 。 铁道部在1 9 8 7 年分别颁布了行业标准t b l 9 3 3 1 一1 9 8 7 铁路混凝土桥梁桥面“二 布三涂一冷作防水层技术条件和t b1 9 3 3 2 一1 9 8 7 铁路混凝土桥梁桥面“薄膜加 筋冷作防水层技术条件，并在1 9 8 8 年版的铁路桥涵施工规范中明确规定了冷 作式防水的规范。 在1 9 9 9 年又颁布了铁路混凝土桥梁桥面t q f - i 型防水层技术条件。其中t q f - i 型防水层是由聚氨酯防水涂料和氯化聚乙烯防水卷材组成，其中聚氨酯防水涂料起到 的是粘贴氯化聚乙烯卷材和桥梁防水的两重作用。 后来又于2 0 0 5 年8 月，铁道部科技司又颁布了客运专线桥梁混凝土桥面防水 层暂行技术条件( 2 0 0 7 年4 月修订版) ，在技术条件中对铁路系统桥梁混凝土桥面的 防水材料做了技术要求和做法规定。 北京化工大学硕士学位论文 针对颁布的技术条件和铁路工程建设通用参考图集中所涉及的桥面防水材料和 施工做法，来进行室内外的试验研究，来验证防水材料和施工做法在铁路桥梁混凝土 桥面中的可靠性、应用性及其耐久性，对铁路建设是有帮助的 4 1 。 1 2 课题来源 随着高速铁路事业的迅速发展和对高速铁路高标准要求，高速铁路用桥梁和高架 桥日益增多。高铁桥梁中采用的是城市桥梁使用的简支梁的结构形式，桥梁采用的是 钢筋混凝材质，因此高铁桥梁中的钢筋混凝土的负弯矩和混凝土桥面在受到列车的 重复荷载引起的高速震动、拉伸剪切和巨大冲击作用，并且受到外部所处环境的气候 变化带来温度和湿度引起的收缩膨胀后，混凝土桥梁会产生一些细微的裂缝，而这些裂 缝虽然不能在短期内降低结构的承载能力，但经过一定时期的使用以后势必在下雨或 者桥面有大量积水时引起桥面出现渗水或者严重时出现漏水，导致钢筋的锈蚀，而水也 能和混凝土中活性骨质和钙物质生成胶体硅钙【5 一】，这种物质会使混凝土膨胀产生新的 裂纹从而影响了高速铁路的长久使用性和安全性。 要特变关注现浇缝的混凝土结合部位，虽然人们在设计和施工中对这些部分采用 了很多的防裂处理手法，但是不可避免的总会有薄弱的环节，这些薄弱的环节就容易在 使用的过程中出现裂缝，假如不采取防水措施，肯定将会影响桥梁的耐久性和安全性。 混凝土桥梁防水的设计不合理，防水材料在施工中质量低劣以及使用中的荷载过 大都会致使钢筋混凝土产生裂缝1 9 ，而混凝土桥梁本身各种反应都有可能使混凝土桥 梁产生各种各样的裂缝，如碱集料反应、冻融作用、干缩、硫酸盐作用等。在使用中 由于存在这些裂缝，雨水或者桥面积水容易的就进入到了混凝土中，从而加重混凝土 的冻融损坏，尤其是在北方地区，冬季经常使用的撤盐化雪方法会使冰盐水进入钢筋中 导致钢筋腐蚀，减小了钢筋的承载面积，也就相当于降低了桥梁的钢筋使用率，最终损坏 桥梁。 另外现代城市的空气质量变差，二氧化硫、二氧化碳等气体的含量增大，这些气体 又极其容易在空中形成“酸雨 ，一旦这些酸雨进入桥梁就会加速混凝土的酸化和碳化。 这些破坏现象，水均是主要的原因之一，因此桥梁防水对桥梁耐久性的影响至关重 要。为了延长桥梁的使用寿命，减少维修带来的费用，如若能在水泥混凝土桥面上喷一 层防水涂料，那就可以使桥面防水【3 l 。 桥梁防水的另一个重要地方就是桥梁的伸缩缝，如果伸缩缝漏水就会造成帽梁和 梁端的破坏，导致钢筋的锈蚀影响桥梁的耐久性和安全性。因此尽管支付伸缩缝装置 的费用在桥梁的总造价中占很小的比重，一旦伸缩缝处出现损坏必将造成严重的后果。 可见高铁的桥梁混凝土桥面和伸缩缝的防水，对于桥梁的耐久性和高铁列车的安 2 第一章绪论 全运营性的作用是具有极其重要的。按设计要求虽然桥面防水层所占的费用只有桥梁 造价的1 屹，但是如果不重视它势必在以后造成重大的损失，那时的损失将会超 1 0 0 铲 2 0 或者还多。所以，对桥梁混凝土桥面防水和伸缩缝防水的材料选择和施工工 艺必须认真对待。通过目前的市场行业的研究分析表明，高铁桥梁防水的一个主要问题 是缺少高铁桥梁专用的系列防水材料。 1 3 研究现状 1 3 1 混凝土桥面防水 高铁桥梁混凝土桥面防水层是指铺筑在铁路轨道板与桥梁混凝土之间的薄层，这 层防水层的主要作用是用来以阻挡雨水荷积水分进入主梁的混凝土内，防止水分锈蚀 钢筋。因此可见防水材料具有双重的作用：一方面起到了隔离水分的用作，另一方面 由于具有本身粘性还能通过自身粘结性能与底层形成一个整体，增强抵抗外界荷载和 变形的能力。 从改性沥青类防水材料从上个世纪6 0 年代初开始在法国、意大利、荷兰等国应 用后，随后日本、美国和西欧一些国家对桥梁混凝土防水问题开始逐渐认识并重视，在 要求中明确规定城市的桥梁必须加置防水层。世界经济合作组织的1 4 个国家于1 9 7 2 年7 月就“混凝土桥面防水一联合发表了一份研究报告，在报告中总结了当时各个国家 的桥面防水状况和他们所采取的防水方式，并对合作组织中的成员国家所采用的桥面 防水材料进行了系统的研究，提出些许用于检测防水材料的具体指标，到此为止，发达 国家已经完成了在防水材料产品结构上的调整，也完成了防水材料的生产工艺开发、自 动化的生产装备、配套的应用技术和有制度的市场管理等等。西欧的十一个国家不仅 对聚合物改性沥青类防水卷材制订了各自的指标，而且还修订了联合标准，在对防水材 料、防水技术、防水材料的施工、防水设计年限、防水维修费用上都做了详细的规定。 总体来说，桥梁混凝土用防水材料的发展经历了三个阶段：刚性防水材料、防水 卷材( 沥青类防水卷材，高聚物改性沥青类防水卷材，合成高分子类防水卷材) 和防 水涂料，其中防水卷材和防水涂料都属于柔性防水材料。 1 。3 1 1 混凝土桥面防水材料 国内目前常用的混凝土桥面用刚性防水材料有两种：一、水泥基渗透结晶型防水 3 北京化工大学硕士学位论文 材料【n 】，二、聚合物改性水泥基渗透结晶型防水材料。混凝土桥面用结晶型刚性防 水材料在防水不仅要依赖于自己的表面涂层，而且更重要的是这种结晶型防水材料能 渗透到桥面混凝土的内部并形成结晶体，这样就能有效的封闭水进入混凝土内部的通 道起到防水的作用。这只能是对铺装防水材料之前的桥面混凝土有效，一旦桥梁的混 凝土产生新的裂缝，则这种防水涂料就没有作用了。而事实上无论采用哪种混凝土施 工方式都不能完全保证混凝土不开裂、在使用过程中不产生新的裂纹。因此现在这种 刚性防水材料很少在混凝土桥梁上大量推广和使用。 1 3 1 2 混凝土桥面用柔性防水材料 针对于刚性防水材料存在的缺陷，目前认为防水材料应该为柔性材料，使用时为 弹性状态，这样才能满足桥梁运营中出现的应力变形和结构变形，柔性防水材料得到很 快和大量的使用研究。根据工程中的使用情况，柔性防水材料根据桥梁混凝土桥面中常 采用的防水形式分为了两种：防水卷材类和防水涂料类。 1 、防水卷材类 防水卷材【1 2 】具有良好的柔韧性，可以承受一定强度的压力、负载变形和桥梁振动， 且具有良好的抗渗透能力和耐腐蚀能力。如大家所知，柔性防水材料的一般原料都离 不开石油和沥青，石油沥青卷材也是最早用作防水卷材的，但由于普通沥青存在的问 题如高温时会流淌、低温时出现发脆开裂、材料本身的强度低、伸长率低等进而制约 了普通沥青的使用场所。 为了改善普通沥青的不足必须对普通沥青进行改性，大量前人的研究结果表明， 用树脂类聚合物改性过的沥青，虽然在抗高温变形能力上具有明显的改进，但抗撕裂的 能力仍然很差。用橡胶类聚合物改性过的沥青，虽然抗低温变形能力得到了明显的改 善，但在抵抗高温稳定性上的提高并不十分明显。对用树脂和橡胶混合类聚合物上也曾 有人研究过，实验结果也未能预期效果。随后许多研究者转为研究一种热塑性嵌段共聚 物改性沥青，这种改性的材料既具有树脂的特性也具有橡胶的特性。而热塑性弹性体 s b s 是于2 0 世纪6 0 年代初才发展出来的新型的高分子嵌段型合成材料，这种材料兼具 了橡胶和塑料的特性，在常温下它变现出橡胶的弹性，但在高温下它又能变现出热塑性 塑料的熔融流动性，是一种良好的改性沥青的材料。通过这种材料改性后沥青，在强度、 伸长率和耐候性上都有大幅提高，普通沥青的温度敏感性和耐高低温性能也得到了很 大提高，使得在较大的温度范围内改性过的沥青材料都能处于弹塑状态下，而且这种改 性过的沥青防水涂料和防水卷材的使用寿命可以达到l5 到2 0 年，并且方便施工，因此 成为了世界各个国家竞相研究发展和使用的一种防水材料。 屋面用热熔性防水卷材是最早应用于桥面防水的，到了7 0 年代初，自粘性防水卷材 开始使用在混凝土桥面防水工程中。在欧美等国家中，自粘防水卷材有着较广泛的应 4 第一章绪论 用，如美国的格雷期公司生产的一种为必优胜5 0 0 0 的自粘性防水卷材是美国一些州 和政府部门推荐的一类桥面防水用产品。我国也于上世纪8 0 年代后开始重视桥面防 水的，根据我国各地气候的不同，桥梁防水分为南方和北方用材料，目前流行如北京 地区采用的是厚度为4 毫米的热熔性a p p 改性沥青类桥面专用的防水卷材，而南方采 用的是厚度为1 毫米的聚合物改性沥青类防水涂料。但是从这两类防水材料的实际使 用情况来看，都存在着一些问题。a p p 改性沥青类防水卷材【l 1 4 】是沿用早起的建筑屋面 的防水卷材的做法，由于施工用的厚度偏大，过多的沥青在沥青铺装层与水泥砼面板间 起了润滑作用，导致在高温下层间的抗剪切能力不够，出现了铺装的沥青脱落和滑移等 问题。而聚合物改性沥青类防水涂料虽容易施工，但由于在混凝土上涂装的太薄，在摊 铺时容易损坏，从而降低了防水质量。 表1 - 1 沥青防水卷材的性能特点 t a b 1 - 1p e r f o r m a n c ec c t e r i s t i c so fa s p h a l tw a t e r p r o o f r a gm e m b r a n e 5 北京化工大学硕士学位论文 表l - 2 高聚物改性沥青卷材的性能特点 t a b 1 - 2p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f p o l y m e rm o d i f i e da s p h a l tc o i l e dm a t e r i a l 表1 3 合成高分子卷材的性能特点 t a b 1 - 3p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fm a c r o m o l e c u l er o l l i n gm a t e r i a l 6 第一章绪论 2 、防水涂料类 桥梁混凝土用防水涂料是能在施工现场对桥梁混凝土的桥面板表面进行现场涂 刷的一类防水涂料，这类防水涂料在涂刷后能固化反应形成一层防水层。按照设计的要 求这类防水涂料除了具有良好的防水效果外还要具有粘结性强、无毒无害和施工方便 的特点。 目前的防水涂料大致分为沥青类防水涂料、高聚物改性沥青类防水涂料、合成高 分子类防水涂料和聚合物水泥基类防水涂料 2 0 - 2 1 1 。而现在在工程中实际主要采用聚合 物改性沥青、j s 复合涂料、环氧胶乳防水涂料、阳离子乳化沥青氯丁胶乳和聚氨酯防 水涂料等。在实际的使用中为增强防水效果这些防水涂料还可以与玻璃纤维布、土工 布等纤维材料进行复合使用。 聚合物改性沥青基防水涂料是一种单组分水乳型防水涂料，其主要原料是树脂改 性剂、橡胶、复合离子型乳化沥青。这种防水涂料能与沥青混合料表面或者水泥混凝 土的表面粘结的非常牢固，还具有优良的耐高低温性能，在高温1 6 0 ( 2 不起包、不流淌、 不出现滑动，在- 2 0 c 下不出现开裂，可以进行软化粘结，且粘结强度很高，耐久性能 优良，施工操作简便安全，可进行冷施工，且成膜速度快，可以表干为lh ，1 2h 后就 可铺筑沥青混凝土，适合进行快速施工，提高施工效率，而且产品的价格也比其他类 防水涂料便宜。 环氧胶乳防水涂料是由氯丁胶乳和环氧树脂乳液混合得到的。环氧胶乳防水涂料 能与混凝土具有良好的粘结性，材料具有一定得延伸率，价格适中，但使用时发现与 沥青粘合性差，与沥青混凝土的粘结处容易出现鼓包和滑落，但是可以在桥梁的外 侧及桥梁的下端部位使用此种防水涂料。 阳离子乳化氯丁沥青防水涂料是由石油沥青、氯丁胶乳和水组成的防水涂料。这 种防水材料对基层的干燥程度要求不高，且能在气温较低的季节时施工，当在雨季施 工时应该需保证施工后的1 0 h 是无雨的，否则应进行重新补涂。据使用报告该材料的 耐高温性不好，对混凝土桥面的附着力不是很稳定，施工时需要人工操作导致施工周 期长。 聚氨酯防水涂料【凋是以聚氨脂弹性体为主体，再加有其他助剂材料组成的一种防 水涂料，这种防水涂料在施工后能固化形成一层具有弹性的橡胶状防水膜。这种材料 的耐高温性能优良，耐老化性能很好，材料本身具有良好的防水性能；但是在施工时 对基层的干燥程度要求比较高。目前应用混凝土防水的聚氨酯防水涂料分为单组份聚 氨酯防水涂料和双组份聚氨酯防水涂料，单组份的使用可靠性和包装运输成本很高， 没有得到大面积的使用。而双组份聚氨酯防水涂料凭借其优良的性能和简单的施工性 得到很快的发展。 喷涂聚脲是基于聚氨酯双组份涂料发展起来的一种新型材料，已应用于防水、防 腐、地坪、耐磨等领域，据美国聚脲发展协会的统计，在聚脲应用领域中，混凝土防 7 北京化工大学硕士学位论文 护占总重的6 0 。与常规的混凝土表面防护材料相比，聚脲具有对环境温度、湿度有 很强的容忍度，低温柔韧性好、防腐、耐磨、耐老化、抗热冲击，并具有良好的耐介 质性能，快速施士、快速使用的优点也会导致一个显著的缺点，在喷涂后与基材的浸 润时间不够，导致与基材的附着力不高，现在使用底涂来缓解现有的问题，对底涂的 要求很高。 1 3 2 混凝土桥面防水材料 1 3 2 1 国外防水涂料研究概况 2 0 世纪5 0 年代末世界上就有国家采用防水涂料来阻止建筑物的漏水和渗水的。 美国、苏联、日本、西欧等国从上世纪五十年代就已经开始对防水涂料进行研究了， 并且取得了很快发展。这些国家在防水材料的选择上倾向于选择伸长率高、耐久性好 的合成树脂或合成橡胶类。在防水涂料的品种选择方面一般是根据防水工程的实际需 要，开发了反应型和水乳型的多种防水涂料，并制定了详细的防水涂料的质量检验标 准，使得防水涂料从一个桥梁的辅助性的材料发展为了一个重要的材料，在施工过程 中不但简化了施工工艺，更是能提高施工效率和防水质量。 美国在五十年代时就开始使用氯丁胶进行防水，于七十年代制定了检验标准。据 统计到1 9 8 2 年美国屋面防水的面积占到了新房屋面面积的5 1 ，占到了补修房屋屋 面的1 6 。六十年代时苏联开始研究合成胶改性沥青，经过试验确定了氯丁胶可以作 为改性沥青的优良改性剂。德国于1 9 7 5 到1 9 7 6 年在一处经历火花和幅射的工厂屋面 上使用氯丁胶乳改性过的沥青防水涂料，通过采取喷涂的方法进行旌工，当时的施工 面积达到了31 0 0 平方米，据称该施工的涂层再经历了6 、7 年的风吹日晒后仍完无损 瞄】 o 上世纪6 0 年代时，美国、日本、欧洲等国家研发出来一种新型的高分子防水涂 料，它就是聚氨酯防水涂料。美国是最早使用这种聚氨酯涂膜做为防水涂层的，后来 这种防水涂料被推广到了中东、加拿大以及东南亚等国。在1 9 6 4 年时日本向美国的 杜邦公司购买了聚氨酯防水涂料的专利技术，聚氨酯防水从此得到了迅速发展，且聚 氨酯防水涂料的使用量每年增长1 3 5 ，在1 9 6 9 年时日本颁发了聚氨酯防水涂料的工 业标准，现在日本每年的聚氨酯防水涂料的用量能达3 万吨 2 4 j 。 工业发达的国家如美国、法国、德国、日本等，他们的防水涂料占整个建筑防水 材料的很大的比重。并且这些国家在积极研发合成高分子防水涂料和高聚物改性沥青 基防水涂料的同时，也研发出了无机渗透结晶型防水涂料，并且随着环保要求的提高， 环保型防水涂料的研发已经进入研发的重要阶段。 3 第一章绪论 j a s p e r s o n 等 2 5 1 研制出了一种乙烯基聚合物和丙烯基聚合物的水乳型防水涂料， 该水乳型防水涂料含有4 0 以上的乙烯基和丙烯基的聚合物，颜料为二氧化钛且其体 积的浓度不会超过1 0 ，此防水涂料形成的涂膜具有很高的弹性和耐久性，该防水涂 料可以用于外墙和屋面建筑的防水，一般使用寿命为1 0 年以上。 m e d d a u g h 【2 6 】等开发出了一种水乳型的有机硅防水涂料，该水乳型防水涂料中的 有机硅乳液的主要组成部分是无定型二氧化硅( 1 份) 、阴离子表面活性剂稳定的羟基 封端的聚二有机硅氧烷( 1 0 0 份) 、有机锡盐等，制得的乳液的固含量大于3 5 ，p h 值大于9 。该水乳型的有机硅防水涂料制得的干燥涂膜，具有很好的弹性，与砌筑墙 的表面具有很好的粘合性，能够承受来自外表面水的压力，防水效果很好。 r o d g e r s e 2 7 等研制出的聚合物水泥型防水涂料，该防水涂料主要用在混凝土的防 水上。这种聚合物水泥型防水涂料中的水泥的质量分数占到5 0 1 8 o ，聚醋酸乙烯 的质量分数占到0 5 到6 ，2 0 0 目的碳酸钙的质量分数占到2 0 到5 0 ，3 0 , - 6 0 醋酸乙烯酯乙烯共聚物乳液与5 0 目的碳酸钙相混合，剩余组分为水。该防水涂料的 阻燃性、隔热性以及抗化学腐蚀性很好。 k y m i n a s t 2 观等研制出了一种坚固耐用的屋面用防水涂料，这种涂料可以用于长期 受到风雨侵蚀屋面的防水，也可用于地下室的防水。该防水涂料的基料有改性沥青、 石油沥青、泡沫塑料、水乳型的丙烯酸聚合物分散体，颜料的平均粒径小于2 0 0i lm ， 分别为碳酸钙、二氧化钛、二氧化硅、高岭土、云母，颜料在防水涂料体系中的体积 浓度小于2 0 。该防水涂料能与基层有良好的附着性，并且该材料的阻燃性好、在使 用过程中能反射太阳光和热，可以减缓屋面的热老化，降低室内的温度。 r o b e r t s 等【2 9 】开发的是一种墙面用防水涂料，这种防水涂料是由对含有帕个碳 原子的脂肪族二烯烃或脂肪族烯烃进行聚合而得到的烃类树脂与由苯乙烯、异戊二 烯、丁二烯共聚得到的弹性共聚物为基料，溶剂为含有8 0 n9 5 的脂肪烃，其中脂 肪烃中含有1 以上的正庚烷，5 到2 0 的芳香烃组成的混合溶剂。该防水涂料的具 体配方为：异戊二烯和苯乙烯的共聚橡胶2 2 份，烃类树脂2 5 份，乳酸2 0 份，绿色 颜料l 份，s h e l l f l e x 2 份，庚烷3 0 份。该防水涂料的耐化学腐蚀性、耐候性、拉伸强 度和伸长率良好。可以采用高压无空气喷涂施工。 美国亨瑞公司成功研发了一种防水涂料，这种防水涂料以改性的氧化沥青为主要 原料，并加入适量的化学助剂、石油溶剂、填充剂和乳化剂，再经过特殊的生产工艺 后制碍了能够在潮湿基层或雨中进行简单施工的高固含量的( 7 3 以上) 厚质防水涂 料。该涂料具有“两性 功能，既具有疏水性又具有亲水性，因此可以在下雨时对屋 面进行防水堵漏的施工，能用于房屋建筑的救急，受到用户的广泛欢迎。 美国创高公司【删研制出了一种不含挥发性有机溶剂的单组分聚氨酯防水涂料，该 涂料可以根据防水的设计要求，采用能够控制涂膜厚度的锯齿形特制刮板直接刮涂在 桥梁基层的表面上，经过与空气中的水分进行反应固化成型形成一定厚度的聚氨酯防 9 北京化工大学硕士学位论文 水层 美国的专利【3 l 】中提到了中阻热型防水涂料。这种防水涂料应用在金属物体上时 极具封闭性和柔性，起到了堵漏、防锈、隔热的作用；当用于沥青屋面防水时，可反 射出9 0 的太阳热，减缓沥青屋面的降解，延长防水材料的使用寿命；当用于刚性屋 面防水时，能够减缓混凝土的膨胀，防止了裂纹和缝隙的产生，防止了水分渗透，并 且粘附性和伸长性能极佳。 喷涂聚脲弹性体涂料【3 2 1 是国外近2 0 年，国内近1 0 年发展起来的一种高反应性、 无污染的喷涂防水涂料技术，它一出现就以其优异的工艺性和环保性，在桥梁和隧道 地铁中被广泛的使用，美国波士顿市区的一个地铁隧道防水工程是由三节双孔式钢筋 混凝土沉厢式隧道组成，全长2 1 0 m 都是用聚脲做防水涂料，始建于1 9 2 9 年的横跨旧 金山海湾的美国旧金山市的圣马特混凝土大桥，于1 9 9 9 年进行桥面拓宽维修，也选 用了聚脲做防护层。 1 3 2 2 国内防水涂料研究概况 中国是于上世纪6 0 年代才开始开发和应用建筑防水涂料的，当时的防水涂料多 数是以煤焦油、石油沥青、化工厂的下脚料等作主要原料的，加工成的防水涂料有乳 化沥青基防水涂料、再生胶改性沥青基防水涂料、塑料油膏、苯乙烯焦油防水涂料等， 在过去很长一段时间里这些涂料得到大面积推广和使用，但由于这些涂料的质量差、 防水层效果差和使用寿命短，对环境和施工工人身体的危害很大，因此大部分上述产 品已被列入淘汰产品，用量也逐渐减少。 随着我国化学建材工业的发展和科学技术的进步，从上世纪7 0 年代末开始，我 国的防水涂料也进入了快速发展的阶段。于7 0 年代后期开发出了聚醚型聚氨酯防水 涂料。于8 0 年代中期又开发出了焦油型聚氨酯防水涂料，且这种防水涂料大量的被 推广使用在防水工程中；在1 9 8 9 年，国家建设部对我国的防水材料市场进行了全面 调查和整顿，认为聚氨酯防水涂料是可靠的材料；在9 0 年代后期，聚氨酯防水涂料 得到了快速发展。建设部于1 9 9 0 年将聚氨酯防水涂料列为“八五 计划重点推广项 目之中，并制定了j c t5 0 0 - 9 2 的聚氨酯防水涂料建材行业标准，在1 9 9 3 年开始实施 使用；在1 9 9 8 年，建设部把非焦油型聚氨酯防水涂料放入全国住宅推荐的十三种防 水材料产品之中，进而极大程度上地促进了聚氨酯防水涂料在全国的推广使用和健康 发展。由于焦油型聚氨酯防水涂料的污染性很大，在1 9 9 8 年由北京市建筑工程研究 院等单位开发的一种以石油沥青为填料的聚氨酯防水涂料，北京金之鼎化学建材公司 等单位开发了一种单组分聚氨酯防水涂料，之后又有一些单位研发出了一些无溶剂喷 涂类聚氨酯防水涂料。 与此同时，其它类的高分子防水涂料也得到了快速的发展，如丙烯酸酯类防水涂 1 0 第一章绪论 料、水性三元乙丙橡胶类防水涂料、硅橡胶类防水涂料等。8 0 年代到9 0 年代，各种 聚合物改性沥青基防水涂料也有了快速发展，我国先后研发出了溶剂型和水乳型氯丁 橡胶改性沥青基防水涂料，水乳型丁苯橡胶改性沥青基防水涂料，溶剂型和水乳型 s b s 改性沥青基防水涂料等多个品种。 在9 0 年代初，北京金汤建筑技术开发有限责任公司研究出了一种聚合物水泥基 防水涂料，在该产品的研发初期，仅有为数不多的企业在生产，一年的产量仅有几百 吨。但随着我国对绿色环保型建材产品的保护和推广，现在在上海、福建、河北、山 东、四川、河南、北京等多个省市已有一百多家企业在生产这种涂料，年用量已经达 到了近1 2 ，0 0 0 吨。 这十几年中，我国的各种无机防水涂料也得到很到的发展和应用，同时也引进了 国外得先进产品如m i s 0 0 、确保时等，我国还相继开发出了h m l 5 0 0 、防水宝和 t m l 5 0 0 等一些无机防水涂料。在公用和民用建筑的地下结构、地下轨道和隧道、水 利工程和桥梁路面防水中已经开始大量使用各种无机渗透结晶型防水涂料【3 3 1 。 我国从十一五开始，高速铁路就进入了大规模的建设和使用时期，高速铁路桥梁 的防水在防水材料和施工上有着特殊的要求，王勇阱】等介绍了高铁用改性s b s 改性 沥青基防水卷材、e v a 防水板、氯化聚乙烯基防水卷材和聚氨酯防水涂料的研发关键 技术和研发指标，以聚氨酯涂料和s b s 卷材为例介绍了具体的研发过程。且研发的高 铁桥梁混凝土桥面用防水材料的主要技术指标均达到了相关铁路系统标准：客运专线 桥梁混凝土桥面防水层暂行技术条件和铁路隧道防水材料暂行技术条件的要求。 李海刹3 5 1 等研究了新型铁路桥梁用防水涂料，文中论述了高聚物s b s 改性沥青 基防水涂料的的开发研制、改性机理及施工应用。文中介绍这种防水涂料是一种厚质 的水性防水涂料，这种涂料的防水性能优良、施工方便、无毒环保，能够大大