高鐵橋梁橋面防水材料的研究與應用

崔德水 中國鐵路上海局集團有限公司上海鐵路經(jīng)濟開發(fā)有限公司

1 前言

京滬、滬杭、寧杭、滬寧等高鐵橋梁存在橋面防水層嚴重破損和脫落現(xiàn)象，脫落的防水層一方面會對高速運行的動車產(chǎn)生安全隱患，另一方面裸露的高鐵橋梁由于失去了防水層，雨水容易滲透到高鐵橋梁腐蝕鋼筋，降低高鐵橋梁的使用壽命。因此，及時對高鐵線路進行防水層損壞排查、修復，阻斷外界水滲入橋梁混凝土內部，可以有效地保障行車安全和提升橋梁使用壽命。本文通過研制3種新型高鐵橋梁橋面防水材料及橋面防水層維修配套工藝，解決高鐵橋梁的滲漏水問題。

2 防水材料

2.1 高強度環(huán)氧防水膠泥

本文研究的高強度環(huán)氧防水膠泥主要以改性環(huán)氧樹脂、增強骨料、活性稀釋劑組成的甲組分和固化劑組成的乙組分，為雙組份涂料。該材料與混凝土基層具有良好的相容性，施工性能好、效率高，材料可在基面潮濕固化，固化后具有優(yōu)良的力學性能，粘結強度大。該材料主要用于橋面混凝土基層的修補。本節(jié)通過對環(huán)氧樹脂、活性稀釋劑、固化劑的優(yōu)選確定主要原料，并測試了材料的主要性能。

2.1.1 改性環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂是環(huán)氧類材料中的基料，對材料的性能起決定性作用。環(huán)氧樹脂通常分為：縮水甘油酯型、縮水甘油醚型、縮水甘油胺型、脂肪族環(huán)氧化合物以及芳香族環(huán)氧化合物等五大類。其中，雙酚A 型環(huán)氧樹脂成本低廉、原料易得、用途廣、產(chǎn)量大，被稱為通用型環(huán)氧樹脂，其中以E51 環(huán)氧樹脂應用最為廣泛。典型的雙酚 A型環(huán)氧樹脂結構如圖1 所示。

圖1 雙酚 A 型環(huán)氧樹脂典型的分子結構

從分子結構中看，由于分子中有較多的苯環(huán)，限制了分子之間的運動，導致E51 環(huán)氧樹脂的剛性大，固化后，此類環(huán)氧化合物顯現(xiàn)出脆性大、耐沖擊強度低、易開裂等缺點。因此，將E51 環(huán)氧樹脂進行增韌改性是本節(jié)研究的主要內容。本文通過在合成過程中，將柔性鏈段引入分子結構的方法增韌E51 環(huán)氧樹脂，通過引入柔性聚醚鏈段制備了改性環(huán)氧樹脂HY-01，克服E51 環(huán)氧樹脂脆性大、耐沖擊強度低、易開裂的問題，環(huán)氧樹脂HY-01 與環(huán)氧樹脂E51 的主要性能如表1所示。

表1 環(huán)氧樹脂的主要性能

2.1.2 固化劑

作為熱塑性材料，環(huán)氧樹脂在一般條件下不會固化，因而材料在固化前也不具備良好的電氣絕緣、耐化學腐蝕、機械強度等性能，無法直接應用。因此，在該類材料使用中加入固化劑引發(fā)固化反應，生成高聚物，才能展現(xiàn)出材料的各種優(yōu)良性能。目前，環(huán)氧固化劑最常用的有酸酐類、胺類及合成類樹脂化合物等。在實際應用中，一般采用活性較高的胺類固化劑。本文研究的環(huán)氧防水膠泥選用593（分子結構見圖2）作為固化劑。其原因主要有：①該固化劑粘度低，施工效率高、操作方便；②固化劑活性大，固化速度快；③沸點高，揮發(fā)性低，毒性??；④分子中有柔性鏈段，固化后在聚合物中起增韌作用。

圖2 593固化劑分子結構

2.1.3 活性稀釋劑

為了靈活調節(jié)使用粘度，環(huán)氧樹脂在使用過程中一般都需要加入稀釋劑。但為了降低影響材料的基本性能，本文選用活性稀釋劑?；钚韵♂寗┮话闶侵阜肿又袔в协h(huán)氧基的低分子化合物，它可以直接參與環(huán)氧樹脂的固化反應，但對固化物的性能基本不產(chǎn)生影響。本文優(yōu)選660 活性稀釋劑，660 活性稀釋劑為環(huán)氧丙烷丁基醚（正丁基縮水），是由正丁醇和環(huán)氧丙烷在四氯化錫存在下，先加熱反應成醚狀開環(huán)物，再由氫氧化鈉閉環(huán)而成。主要具有以下優(yōu)勢：①活性稀釋劑含有兩個活性環(huán)氧基團，基本不會影響固化物的性能；②沸點較高，刺激性較小，安全性高；③分子鏈為柔性鏈，對固化物有一定的增韌作用。660 稀釋劑的主要性能如表2 所示。

表2 活性稀釋劑660的性能指標

2.1.4 高強度環(huán)氧膠泥試涂效果及附著力對比測試

本文通過主要材料的優(yōu)選，制備了高強度環(huán)氧防水膠泥并進行試涂實驗。高強度環(huán)氧防水膠泥試涂效果如圖3 所示。

圖3 環(huán)氧膠泥試涂效果圖

本文通過選取水泥砂漿和乳液砂漿作為修補材料，與本文環(huán)氧膠泥進行附著力對比測試，試驗基材均為C50 混凝土，附著力測試結果見表3。從表3 中可以看出，水泥砂漿的附著力最差，平均附著力僅為1.4 MPa;其次為乳液砂漿，平均附著力為2.3 MPa,也很難達到目前2.5 MPa的維修標準；本文研究的環(huán)氧膠泥附著力好，平均為6.8 MPa，且均為混凝土基材破壞，說明環(huán)氧膠泥的粘接強度已超過C50 混凝土的抗拉強度。

表3 不同修補材料附著力對比測試結果

2.2 無溶劑環(huán)氧界面膠

該材料是以改性環(huán)氧樹脂、活性稀釋劑為主料，配以改性固化劑等配置而成的一種低粘度高滲透力、粘結力強的雙組份涂料。材料封閉性能優(yōu)異，可潮濕固化，滲透混凝土深度可達2 mm-3 mm，與C50混凝土粘接力大于5.0 MPa。

2.2.1 改性環(huán)氧樹脂

本文以通用型環(huán)氧樹脂E51 為基料，通過引入功能基團制備了改性環(huán)氧樹脂EY-01，通過環(huán)氧樹脂分子基團的改性，使環(huán)氧樹脂具有更強的滲透力和粘接強度，使材料滲透基層與混凝土形成一體式結構。

2.2.2 活性稀釋劑

在環(huán)氧界面膠中，選用690（分子結構見圖4）作為活性稀釋劑使用。690 活性稀釋劑學名為環(huán)氧丙烷苯基醚，系苯酚與環(huán)氧丙烷經(jīng)開環(huán)醚化，在再經(jīng)環(huán)氧化制得的縮水甘油醚型活性環(huán)氧稀釋劑。690 活性稀釋劑具有：①稀釋劑含有兩個活性環(huán)氧基團，對固化物性能影響小；②沸點較高，刺激性較??；③粘度低，易于操作。

圖4 690活性稀釋劑的分子結構

2.2.3 改性固化劑

聚氨酯改性胺類固化劑，可以使環(huán)氧界面膠具有較高的剝離強度和斷裂伸長率，但拉伸強度和拉伸模量均較低，難以滿足某些實際應用的需要。為了改善其性能，本文選用300#聚酰胺固化劑與聚氨酯改性胺類復配作為固化劑，復配固化劑的使用在一定程度上降低了界面膠的柔性，但提高了其韌性，使環(huán)氧界面膠的綜合性能達到最優(yōu)。

2.2.4 試涂效果及附著力對比測試（表4）

表4 不同界面材料附著力對比測試結果

無溶劑環(huán)氧界面膠的試涂效果如圖5 所示，選取薄涂型聚氨酯防水漆體系中的封閉漆和市面上普通環(huán)氧底漆作為對比材料，與本課題無溶劑環(huán)氧界面膠進行與C50 混凝土的粘結測試，從測試結果可以看出，無溶劑環(huán)氧界面膠的附著力遠遠大于5 MPa，且為混凝土基材破壞，而封閉漆和普通環(huán)氧底漆的附著力均在2 MPa-4 MPa 之間，差距較大。選用無溶劑環(huán)氧界面膠作為防水層界面劑使用可以確保防水層不會發(fā)生脫落。

圖5 無溶劑環(huán)氧界面膠試涂效果圖

2.3 快修聚氨酯防水漆

該材料由特種脂肪族聚氨酯樹脂、彈性聚合物、顏料、助劑等組成，施工簡便，一次成膜厚度可達200 μm-300 μm，耐紫外線老化性能優(yōu)異（4 000 h），耐水性、耐腐蝕性、耐寒變性、不透水性強（表5）。

表5 快修聚氨酯防水漆與市面雙組份聚氨酯防水涂料性能對比

2.3.1 紫外線照射對快修聚氨酯防水漆的影響

脂肪族聚氨酯防水涂料在紫外線長時間照射下基本不黃變、不粉化，耐候性較好。本文快修聚氨酯防水涂料的抗紫外性比普通聚氨酯防水涂料要強得多。根據(jù)相關實驗結果，把兩塊樣塊放在相同環(huán)境下6個月，快修聚氨酯防水涂料顏色的變化只有肉眼可辨的1/2 變色單位，而普通聚氨酯防水涂料的變色單位達到14 格，見圖6。說明本課題快修聚氨酯防水涂料具有優(yōu)良的耐紫外性能。

圖6 紫外線照射對產(chǎn)品性能的影響

2.3.2 試涂效果及附著力對比測試（表6）

表6 不同涂層體系附著力測試結果

快修聚氨酯防水漆的試涂效果如圖7所示。考慮部分混凝土基面需要修復，采用無溶劑環(huán)氧界面膠+快修聚氨酯防水漆和環(huán)氧防水膠泥+無溶劑環(huán)氧界面膠+快修聚氨酯防水漆兩套復合涂層體系進行了層間附著力測試，見表5，從測試結果可以看出，兩套涂層體系的與混凝土基層的附著力均大于5 MPa，且為混凝土基材破壞，說明兩套涂層體系均能夠很好地復配，同時可確保聚氨酯面漆層不會脫落、起皮。

圖7 快修聚氨酯防水漆試涂效果圖

3 結語

采用高鐵橋梁無溶劑環(huán)氧聚氨酯復合防水材料與工藝技術作為高鐵橋面防水層維修整治方案可大大提高施工質量和施工工效，非常適合高鐵天窗維修工況，能顯著降低維修成本。具備良好的技術效益、經(jīng)濟效益賀社會效益，具備一定的創(chuàng)新性，具有良好的應用前景。