路桥专用防水涂料的研制.doc

一、课题的由来随着我国改革开放的不断深入，全国各地交通设施迅猛发展，近二十多年来，北京、上海、天津、广州等大中城市相继修建了一大批城市大跨径桥梁、高架桥、立架桥等城市桥梁，高速公路、一级公路等高等级公路更是每年以上万公里的速度增加。由于城市道路和桥梁的大量兴建，人们对城市道路、桥梁、结构防水技术研究的课题提到了议事日程上来。国外发达国家，例如美国、日本、西欧诸国对桥梁均设置专门的防水层。从桥梁结构类型、面层材料、防水技术、防水方法、使用性能、维修费用等方面都作了详细的规定。我国最初的桥梁结构防水一般采用路桥柔性材料铺装系统，所采用的防水材料和施工做法，主要参照建筑防水工程做法，主要品种是SBS或APP（APAO）改性沥青防水卷材或建筑防水涂料，如聚氨酯防水涂料、JS复合防水涂料等，尚未有专用的路桥防水材料，也未形成一套适合于路桥防水材料的试验方法和性能指标。由于不少桥梁不做防水或采用的防水材料不当造成桥梁出现渗水，使钢筋锈蚀，铺装层剥落，碱骨料反应，由钢筋锈蚀面引起的混凝土膨胀等严重损坏问题，严重影响了桥梁的坚固性和使用寿命，行车的舒适性和安全性。桥梁防水主要存在着三个问题，一是结构设计问题，主要是铺装设计不合理和受力薄弱环节未做防水，二是缺少路桥专用防水材料，三是防水施工质量尚未过关没有专门的路桥防水施工规范与验收标准。随着我国高速公路和城市桥梁建设的飞速发展，解决好道路桥梁的防水问题已到了刻不容缓的地步，苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司与苏州市泛力德路桥防水材料有限公司决定研究开发性能优良的路桥防水涂料。二、聚合物改性乳化沥青由于路桥防水涂料有其特殊的性能要求，防水层涂膜平均厚度在1.2mm2mm时能适应路桥反复动荷载抗压的要求，当混凝土路桥板开裂2mm时防水涂膜变形量满足不拉裂的需要以保证防水要求。同时防水层应有良好的耐久性，使用年限应在10年以上，使用环境温度-1590，在经受沥青混凝土摊铺温度150的冲击不影响防水层的使用性能。过去我国路桥防水层的施工较多使用APP改性沥青防水卷材，主要是APP防水卷材抗拉强度较大，也能耐150高温，但由于防水卷材施工繁锁，施工不当会造成铺装层分层脱壳，目前已很少采用。虽然国内已有大桥涂料生产，但由于其是溶剂型涂料，易燃、有毒，施工速度慢，因而具有很大的局限性。乳化沥青是一种水性涂料，无毒环保，可用喷涂施工，施工速度快。在普通公路的施工与修复中已广泛采用，但其耐温、耐候性能差，难以达到高等级公路与桥梁对防水层的要求。因而用高聚物对乳化沥青进行改性，使其成为一种路桥专用的防水涂料。三、乳化沥青与改性剂的确定乳化沥青以沥青为分散相，水为速续相，依靠乳化剂的电荷而形成稳定的乳化液。根据乳化剂的类型，可分为阴离子、阳离子、非离子、粘土稳定等四种乳化沥青。阳离子乳化沥青，其带有阳离子电荷，骨料带有阴离子电荷当与骨料表面接触时，由于异性相吸的作用，使沥青微粒吸收在骨料的表面上，两者在有水膜的情况下，仍可以吸附结合，因而在阴湿或低温季节（5以上）阳离子沥青乳液仍可以施工，而不影响质量。由于阳离子乳化沥青可以增强与骨料表面粘附力，提高路面的早期强度和抗渗能力。因而我们选择了阳离子乳化沥青。沥青改性剂通常规有SBS、APP（APAO）和橡胶类通过大量的实验室试验我们发现SBS、APP（APAO）虽然具有优越的改性性能如SBS能使沥青低温柔性达到-25以上，APP能使沥青耐高温性能达到150以上。但SBS、APP（APAO）难以制备胶乳，乳化效果较差，故不适合作为乳化沥青的改性剂。橡胶材料是一种有机高分子弹性化合物，它在很广的温度范围（-50150）内具有极为优越的弹性，同时橡胶材料不具有良好的抗裂性，耐久性和不透水的特点。橡胶胶乳材料是高聚物粒子分散在水介质中所形成的具有一定稳定性的胶体分散体系，它在干燥未硫化的状态下具有较大的伸长率，并在除去外力后能迅速恢复原状。橡胶胶乳改性乳化沥青在高温时有良好的稳定性，在低温下仍有一定的柔性，其针入度降低，软化点上升，脆点下降，韧性和粘附性提高。橡胶胶乳按其来源可分为天然胶乳、合成胶乳、人造胶乳以及再生胶乳四大类，但可用于改性乳化沥青的胶乳并不多，通过大量的实验室试验，综合其性能价格比及资源来源，我们选择了氯丁橡胶胶乳与丁苯橡胶胶乳。现将氯丁胶乳与丁苯橡胶胶乳分别介绍如下：氯丁胶乳是由氯丁二烯乳液聚合而制得，它是最早生产的一种合成胶乳。氯丁胶乳按用途可分为通用型和特种型两大类，共有30多个品种。氯丁胶具有极好的综合性能，主要表现在，具有较强的粘合能力、较好的成膜性、较高的强度、同时还有良好的耐油、耐燃、耐溶剂、耐热及耐老化等性能。因此，氯丁胶乳已成为合成胶乳中最常用的品种之一。氯丁胶乳的最大弱点是耐寒性能低（-40）和储存稳定性差（半年），在储存期间，它不仅胶体性能发生变化，而且硫化胶膜性能也有所降低，但若在氯丁胶乳中加入增塑剂或聚合时加少量的第二单体，可以增加它的耐寒性能。氯丁胶乳具有较好的综合性能和易于成膜以及和沥青混溶性好和耐老化性能优等特点。氯丁胶乳与乳化沥青掺配并用能明显改善乳化沥青的粘附性和热稳定性及耐老化性、耐化学腐蚀等性能。一般可将阳离子氯丁胶乳和适量稳定剂直接掺入阳离子乳化沥青中，经过充分的搅拌或二次乳化制成阳离子氯丁橡胶乳改性乳化沥青产品，该产品具有优良的耐老化性能和抗渗性以及较好的热稳定性和粘附性。同时抗低温抗裂性能也有所改善。该产品可用于高等级公路和重交通路面及路桥的防水材料以及桥隧和地下工程的防水材料，也可用于特殊结构变形缝的填充材料。这种材料尤其适用于高等级公路和重交通道路路面的日常维修养护，故我们首先采用氯丁胶乳改性方案。丁苯胶乳是以丁二烯和苯乙烯二种单体，分散在含有皂类乳化剂的水溶液中，并加入引发剂，在4060下乳液聚合而成。丁苯胶乳是综合性能较好的通用型合成胶乳，它的薄膜物理机械性能虽比天然胶乳要低得多，但由于它具有良好的耐老化性、耐热性和耐腐蚀性以及较高的稀释稳定性，而且它的品种多（约400多种）、价格低，因此，它广泛用于道路及土木建筑工程中的材料改性。丁苯胶乳与乳化沥青掺配并用所制备的丁苯橡胶胶乳改性沥青具有良好的热稳定性和耐久性。在乳化沥青材料中掺入2%4%的丁苯橡胶胶乳，能使乳化沥青的软化点提高，低温延度增加，脆性降低，由于丁苯胶乳与乳化沥青与其他胶乳相比有良好的稀释稳定性，加之品种多、价格低，因而人们多选用丁苯胶乳作为乳化沥青的改性掺加料，以便提高乳化沥青的热稳定性和耐久性。从改性乳化沥青的性能检测和贯入式洒布以及稀浆封层应用结果证明，改性乳化沥青的低温抗裂性、高温稳定性、粘结性、抗老化性均优于未改性乳化沥青，但综合性能低于氯丁胶改性乳化沥青，因此在客户要求价格较低时可采用。四、聚合物改性乳化沥青的生产改性乳化沥青的制备方法有3种。第一种方法称为二次热混合法，即橡胶胶乳经过两次热混合分散过程。橡胶胶乳（常温）与热乳化剂溶液（6070）经乳化机混合，得橡胶胶乳乳化剂混合液，立即把该混合液与热熔沥青（120130）再送入乳化机进行乳化。在乳化过程中，橡胶胶乳与沥青再混合并分散，得到改性乳化沥青；第二种方法称为一次热混合法，即橡胶胶乳与沥青乳液经过一次热混合分散过程。热乳化剂水溶液（6070）与热熔沥青（120130）经乳化机乳化得乳化沥青（90100），把乳化沥青立即与橡胶胶乳（常温）再送入乳化机进行混合，得到改性乳化沥青；第三种方法称为一次冷混合法，即橡胶胶乳与沥青乳液经过一次冷混合分散过程。橡胶胶乳（常温）与沥青乳液（常温）于常温下送入乳化机进行混合，得到改性乳化沥青。二次热混合法分散性好，有较好改性效果。一次热混合法分散性也好，改性效果也好，一次冷混合法分散性不如前两种，改性效果较前二者差，但三种方法均可达到改性目的，我们选择了第一种方法即二次热混合法。改性乳化沥青的工艺流程见下图：沥青贮槽沥青搅拌罐乳化机乳化液搅拌罐乳化沥青搅拌罐成品贮罐沥青泵比例泵比例泵沥青泵导热油加热炉路桥专用防水涂料设备详见下列设备表：1、QSY-15燃油导热油加热炉一套2、100#沥青贮油槽40m3362.5m（混凝土结构）3、沥青加热搅拌罐1.5m33.0KW1只4、乳化液搅拌罐（不锈钢）1.5m31.1KW1只5、乳化沥青搅拌罐2.5m31.1KW1只6、乳化机15KW1只7、QGB5446-2螺杆泵4KW2台8、LCB-3A沥青泵（调速）3KW1台9、LCB-3A乳液泵（调速）3KW1台10、电气操作台1台11、乳化沥青贮存罐（卧式）20m31只12、工艺管线阀门操作平台1套 五、影响改性乳化沥青稳定的因素在改性乳化沥青体系中，若某个粒子（A/R微粒、R粒子、A微珠）界面膜破裂，那么这个粒子将吸附于它周围的其他粒子，从而导致这些粒子界面膜的破裂，这些粒子又将吸附各自周围的许多粒子，这样就形成了以起始的那个粒子为中心的凝聚团，产生聚沉现象，从而导致整个体系失去平衡的因素很多，例如橡胶胶乳和乳化沥青所用乳化剂一个是阳离子型，一个是阴离子型，这样A微珠和R粒子上的界面电荷不同，两者相遇后，由于异性电荷相吸引，立即会引起界面膜破裂从而发生聚沉现象。又如沥青乳液和橡胶胶乳的密度不一致，两者相遇后，密度大的粒子将会下沉从而导致整个体系聚沉。又如两乳液酸碱性不同，相遇后将发生酸碱中和作用从而使乳液中的扩散双电层破坏，导致体系聚沉。因此两乳液必须同时满足下列条件时才能稳定共存。（1）乳化剂类型一致。两种乳液所用乳化剂同是阳离子型，或同是阴离子型，或是阳离子型与非离子型，或是阴离子型与非阳离子型。而阳离子型与阴离子型只有采取特殊方式才可共存。（2）乳化剂亲水亲油平衡（HLB）值一致。同类乳化剂HLB值应相同或接近。即沥青乳化剂满足对橡胶的乳化要求，橡胶乳化剂也能满足对沥青的乳化要求。（3）密度一致。橡胶胶乳与沥青胶乳密度应相同或尽量接近。（4）酸碱性（PH值）一致。两乳液PH值同在酸性或同在碱性范围内，PH值相同或尽量接近。（5）表面张力一致。两乳液的表面张力应相同或尽量接近。以上5个条件中若有一个不能满足，都会引起共存体系产生聚沉而遭到破坏。这五个条件是制备和保持乳液稳定的必要条件。除此之外，还应同时满足下列两个基本要求。若不能满足这两个基本要求，所制备的改性乳化沥青将没有实用价值，因此也就失去了实际意义。这两个基本要求是：相容性良好。指破乳后橡胶与沥青能充分混溶而不分层。相容性良好才能发挥各自的优越性，起到优势互补的作用，得到良好的改性效果。符合使用要求。改性后的乳化沥青破乳速度、粘附性等符合使用要求，破乳成型后的各项使用性能应达到相应技术指标要求。六、路桥专用防水材料的性能指标由于路桥专用防水材料尚未有国家标准与行业标准故我们参考了国内外同类产品标准资料考虑到工程应用实际要求在验证试验的基础制定了Q/320581BHK002-2003路桥防水涂料企业标准，其物理性能指标如下：物理力学性能序号项目技术指标型型1固体含量（%）43452干燥时间表干时间（h）4实干时间（h）243耐热性，加热（5h）1502无起泡无流淌1602无起泡无流淌4断裂伸长率无处理（%）400600加热处理（%）320480碱处理（%）240360紫外线处理（%）3204805低温柔性，10mm棒-10无裂纹-15无裂纹6不透水性，（MPa），30min0.2不渗水0.3不渗水7粘结强度（MPa）0.20.3七、路桥防水涂料防水层设计及施工要求1、应选用易在潮湿基面作业的湿气挥发固化型涂料，如乳化沥青、丁苯胶乳改性沥青和阳离子氯丁胶乳改性沥青防水涂料等亲水性涂料；2、选用断裂延伸率大的防水涂料，以适应桥梁的振动和变形；3、选用的防水层与路桥板和顶层粘结性能可靠；4、为增强防水效果，涂料应与玻纤布、无纺布等复合使用，以提高防水层的强度；5、施工基层应干净、平整、无浮浆。达到70%以上混凝土强度。用路桥防水涂料防水应注意的细节问题1、钢筋混凝土路桥板与铺装层之间应设置有效的防水和防溶解盐的不透水层，以避免发生水侵害锈蚀钢筋；2、路桥板防水层顶，可采用水泥混凝土或沥青混凝土路桥铺装层；3、选用的路桥防水涂料应坚固、耐久、弹韧性强，能适应高温90，低温-15-30和沥青混凝土摊铺温度150的热碾压施工要求；4、桥梁防水层设计厚度：采用水泥混凝土铺装层时，防水层厚度为1.5mm，采用沥青混凝土铺装层时，厚度为2mm，当桥梁纵向坡度大于1.8%时，防水层厚度可适当减薄；5、防水涂料施工后，为防止绑扎混凝土铺装层钢筋扎破或碾压沥青混凝土铺装时破损，应在防水层顶设置保护层，保护层应在防水层施工后24h内完成；6、路桥防水涂料在施工中，应在现场对防水涂料进行抽样检测，以保证产品质量符合标准要求。八、研制总结由我所设计研究开发和苏州泛力德路桥防水材料有限公司生产的路桥防水涂料，经国家建筑材料工业产品质量监督检验测试中心的检测，产品质量符合企业标准路桥防水涂料Q/320581BHK002-2003的要求，另外根据路面施工要求和使用要求，增加了16030min的耐高温试验，试验结果为不起泡，将延伸率指标提高到400600%。产品经河南省新乡高速公路连接线桥梁使用，防水抗渗效果良好，满足路面和桥梁防水要求，该涂料是目前较理想的防水材料之一。路桥防水技术展望：我国路桥建设事业在过去的20年来有了快速的发展和进步。进入21世纪以来，我国路桥