高铁桥梁桥面防水材料的研究与应用

崔德水 中国铁路上海局集团有限公司上海铁路经济开发有限公司

1 前言

京沪、沪杭、宁杭、沪宁等高铁桥梁存在桥面防水层严重破损和脱落现象，脱落的防水层一方面会对高速运行的动车产生安全隐患，另一方面裸露的高铁桥梁由于失去了防水层，雨水容易渗透到高铁桥梁腐蚀钢筋，降低高铁桥梁的使用寿命。因此，及时对高铁线路进行防水层损坏排查、修复，阻断外界水渗入桥梁混凝土内部，可以有效地保障行车安全和提升桥梁使用寿命。本文通过研制3种新型高铁桥梁桥面防水材料及桥面防水层维修配套工艺，解决高铁桥梁的渗漏水问题。

2 防水材料

2.1 高强度环氧防水胶泥

本文研究的高强度环氧防水胶泥主要以改性环氧树脂、增强骨料、活性稀释剂组成的甲组分和固化剂组成的乙组分，为双组份涂料。该材料与混凝土基层具有良好的相容性，施工性能好、效率高，材料可在基面潮湿固化，固化后具有优良的力学性能，粘结强度大。该材料主要用于桥面混凝土基层的修补。本节通过对环氧树脂、活性稀释剂、固化剂的优选确定主要原料，并测试了材料的主要性能。

2.1.1 改性环氧树脂

环氧树脂是环氧类材料中的基料，对材料的性能起决定性作用。环氧树脂通常分为：缩水甘油酯型、缩水甘油醚型、缩水甘油胺型、脂肪族环氧化合物以及芳香族环氧化合物等五大类。其中，双酚A 型环氧树脂成本低廉、原料易得、用途广、产量大，被称为通用型环氧树脂，其中以E51 环氧树脂应用最为广泛。典型的双酚 A型环氧树脂结构如图1 所示。

图1 双酚 A 型环氧树脂典型的分子结构

从分子结构中看，由于分子中有较多的苯环，限制了分子之间的运动，导致E51 环氧树脂的刚性大，固化后，此类环氧化合物显现出脆性大、耐冲击强度低、易开裂等缺点。因此，将E51 环氧树脂进行增韧改性是本节研究的主要内容。本文通过在合成过程中，将柔性链段引入分子结构的方法增韧E51 环氧树脂，通过引入柔性聚醚链段制备了改性环氧树脂HY-01，克服E51 环氧树脂脆性大、耐冲击强度低、易开裂的问题，环氧树脂HY-01 与环氧树脂E51 的主要性能如表1所示。

表1 环氧树脂的主要性能

2.1.2 固化剂

作为热塑性材料，环氧树脂在一般条件下不会固化，因而材料在固化前也不具备良好的电气绝缘、耐化学腐蚀、机械强度等性能，无法直接应用。因此，在该类材料使用中加入固化剂引发固化反应，生成高聚物，才能展现出材料的各种优良性能。目前，环氧固化剂最常用的有酸酐类、胺类及合成类树脂化合物等。在实际应用中，一般采用活性较高的胺类固化剂。本文研究的环氧防水胶泥选用593（分子结构见图2）作为固化剂。其原因主要有：①该固化剂粘度低，施工效率高、操作方便；②固化剂活性大，固化速度快；③沸点高，挥发性低，毒性小；④分子中有柔性链段，固化后在聚合物中起增韧作用。

图2 593固化剂分子结构

2.1.3 活性稀释剂

为了灵活调节使用粘度，环氧树脂在使用过程中一般都需要加入稀释剂。但为了降低影响材料的基本性能，本文选用活性稀释剂。活性稀释剂一般是指分子中带有环氧基的低分子化合物，它可以直接参与环氧树脂的固化反应，但对固化物的性能基本不产生影响。本文优选660 活性稀释剂，660 活性稀释剂为环氧丙烷丁基醚（正丁基缩水），是由正丁醇和环氧丙烷在四氯化锡存在下，先加热反应成醚状开环物，再由氢氧化钠闭环而成。主要具有以下优势：①活性稀释剂含有两个活性环氧基团，基本不会影响固化物的性能；②沸点较高，刺激性较小，安全性高；③分子链为柔性链，对固化物有一定的增韧作用。660 稀释剂的主要性能如表2 所示。

表2 活性稀释剂660的性能指标

2.1.4 高强度环氧胶泥试涂效果及附着力对比测试

本文通过主要材料的优选，制备了高强度环氧防水胶泥并进行试涂实验。高强度环氧防水胶泥试涂效果如图3 所示。

图3 环氧胶泥试涂效果图

本文通过选取水泥砂浆和乳液砂浆作为修补材料，与本文环氧胶泥进行附着力对比测试，试验基材均为C50 混凝土，附着力测试结果见表3。从表3 中可以看出，水泥砂浆的附着力最差，平均附着力仅为1.4 MPa;其次为乳液砂浆，平均附着力为2.3 MPa,也很难达到目前2.5 MPa的维修标准；本文研究的环氧胶泥附着力好，平均为6.8 MPa，且均为混凝土基材破坏，说明环氧胶泥的粘接强度已超过C50 混凝土的抗拉强度。

表3 不同修补材料附着力对比测试结果

2.2 无溶剂环氧界面胶

该材料是以改性环氧树脂、活性稀释剂为主料，配以改性固化剂等配置而成的一种低粘度高渗透力、粘结力强的双组份涂料。材料封闭性能优异，可潮湿固化，渗透混凝土深度可达2 mm-3 mm，与C50混凝土粘接力大于5.0 MPa。

2.2.1 改性环氧树脂

本文以通用型环氧树脂E51 为基料，通过引入功能基团制备了改性环氧树脂EY-01，通过环氧树脂分子基团的改性，使环氧树脂具有更强的渗透力和粘接强度，使材料渗透基层与混凝土形成一体式结构。

2.2.2 活性稀释剂

在环氧界面胶中，选用690（分子结构见图4）作为活性稀释剂使用。690 活性稀释剂学名为环氧丙烷苯基醚，系苯酚与环氧丙烷经开环醚化，在再经环氧化制得的缩水甘油醚型活性环氧稀释剂。690 活性稀释剂具有：①稀释剂含有两个活性环氧基团，对固化物性能影响小；②沸点较高，刺激性较小；③粘度低，易于操作。

图4 690活性稀释剂的分子结构

2.2.3 改性固化剂

聚氨酯改性胺类固化剂，可以使环氧界面胶具有较高的剥离强度和断裂伸长率，但拉伸强度和拉伸模量均较低，难以满足某些实际应用的需要。为了改善其性能，本文选用300#聚酰胺固化剂与聚氨酯改性胺类复配作为固化剂，复配固化剂的使用在一定程度上降低了界面胶的柔性，但提高了其韧性，使环氧界面胶的综合性能达到最优。

2.2.4 试涂效果及附着力对比测试（表4）

表4 不同界面材料附着力对比测试结果

无溶剂环氧界面胶的试涂效果如图5 所示，选取薄涂型聚氨酯防水漆体系中的封闭漆和市面上普通环氧底漆作为对比材料，与本课题无溶剂环氧界面胶进行与C50 混凝土的粘结测试，从测试结果可以看出，无溶剂环氧界面胶的附着力远远大于5 MPa，且为混凝土基材破坏，而封闭漆和普通环氧底漆的附着力均在2 MPa-4 MPa 之间，差距较大。选用无溶剂环氧界面胶作为防水层界面剂使用可以确保防水层不会发生脱落。

图5 无溶剂环氧界面胶试涂效果图

2.3 快修聚氨酯防水漆

该材料由特种脂肪族聚氨酯树脂、弹性聚合物、颜料、助剂等组成，施工简便，一次成膜厚度可达200 μm-300 μm，耐紫外线老化性能优异（4 000 h），耐水性、耐腐蚀性、耐寒变性、不透水性强（表5）。

表5 快修聚氨酯防水漆与市面双组份聚氨酯防水涂料性能对比

2.3.1 紫外线照射对快修聚氨酯防水漆的影响

脂肪族聚氨酯防水涂料在紫外线长时间照射下基本不黄变、不粉化，耐候性较好。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强得多。根据相关实验结果，把两块样块放在相同环境下6个月，快修聚氨酯防水涂料颜色的变化只有肉眼可辨的1/2 变色单位，而普通聚氨酯防水涂料的变色单位达到14 格，见图6。说明本课题快修聚氨酯防水涂料具有优良的耐紫外性能。

图6 紫外线照射对产品性能的影响

2.3.2 试涂效果及附着力对比测试（表6）

表6 不同涂层体系附着力测试结果

快修聚氨酯防水漆的试涂效果如图7所示。考虑部分混凝土基面需要修复，采用无溶剂环氧界面胶+快修聚氨酯防水漆和环氧防水胶泥+无溶剂环氧界面胶+快修聚氨酯防水漆两套复合涂层体系进行了层间附着力测试，见表5，从测试结果可以看出，两套涂层体系的与混凝土基层的附着力均大于5 MPa，且为混凝土基材破坏，说明两套涂层体系均能够很好地复配，同时可确保聚氨酯面漆层不会脱落、起皮。

图7 快修聚氨酯防水漆试涂效果图

3 结语

采用高铁桥梁无溶剂环氧聚氨酯复合防水材料与工艺技术作为高铁桥面防水层维修整治方案可大大提高施工质量和施工工效，非常适合高铁天窗维修工况，能显著降低维修成本。具备良好的技术效益、经济效益贺社会效益，具备一定的创新性，具有良好的应用前景。