无砟轨道混凝土桥面聚脲防水层的病害及维修
杜存山，祝和权，张恒
（中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081）
摘要：介绍了我国铁路混凝土梁桥面用防水材料及防水体系，针对无砟轨道混凝土桥面聚脲防水层出现的病害，分析了原因。结合无砟轨道混凝土桥面防水特点，提出采用薄涂型聚氨酯防水体系进行维修。本文详细说明了薄涂型聚氨酯防水体系的组成、原材料技术要求，介绍了施工工艺，通过现场试验证明该体系附着力、耐老化性能良好，能满足桥面的防水要求。
关键词：无砟轨道；桥面防水；聚氨酯防水涂料；聚脲防水涂料
0 引言
铁路混凝土桥梁桥面防水层是提高桥梁结构耐久性的重要技术手段。目前我国铁路混凝土桥梁桥面防水执行三个标准文件，分别是：TB/T2965-2011《铁路混凝土桥面防水层技术条件》、科技基[2009]117号《客运专线铁路桥梁混凝土桥面喷涂聚脲防水层暂行技术条件》和科技基[2008]191号《广珠城际轨道交通工程桥面防水层技术条件》。
我国铁路混凝土桥面使用的防水材料、防水体系见表1。
表1 铁路混凝土桥面防水材料使用状况
标准文件 |
防水材料 |
防水体系 |
轨道型式 |
应用实例 |
TB/T2965 |
氯化聚乙烯防水卷材、高聚物改性沥青防水卷材、聚氨酯涂料 |
① 防水卷材+混凝土保护层 ② 防水涂料+混凝土保护层 |
有砟、无砟 |
普通铁路混凝土桥 哈大客专 |
科技基[2009]117号 |
聚脲弹性体防水涂料 |
防水涂料+脂肪族聚氨酯面漆 |
无砟 |
京津城际、京沪高铁等 |
科技基[2008]191号 |
甲基丙烯酸甲酯（MMA）防水涂料 |
MMA防水涂料 |
有砟、无砟 |
沪宁城际 |
1 无砟轨道混凝土桥面防水层存在的问题
聚脲防水涂料在2005左右被引入我国作为桥梁防水层使用，京津城际是我国铁路首次使用，之后是京沪、沪杭、宁杭等。
虽然聚脲防水涂料具有许多优点和特点，但是这些性能往往受到施工条件和基面状况的影响受到削弱。例如：①需要严格按照体积比1：1来混合喷涂，这对计量与混合要求较高，如果混合比例不一样，就会导致抗拉强度与断裂伸长率的下降，因此需要专门设备进行施工；②受基面平整度与干湿度影响较大，由于其凝胶时间非常短，流平性差，就要求基面要有非常好的平整度；③基面的湿度影响成膜的密实度，湿度稍大时就会起泡，影响防水性能；④受环境温度影响大，冬季不宜施工，较低温度的基面影响聚脲的附着力；⑤使用时需配套底漆提高附着力，需配套面漆提高耐候性等。另外，因为聚脲弹性体固化极快，一般在10几秒就完成固化，10几分钟即可达到步行强度，这严重影响涂层与底层材料相互渗透、扩散等效果，由于其高固体份（98%以上）、温度高（喷涂时要求原料加温到60℃~70℃）、成膜厚（一次喷涂0.5mm~1.0mm）等，使涂层易内部产生很大的内聚力，这些都有可能导致出现上下结合力不好、形成“两张皮”现象。
1.1 聚脲防水层的龟裂
聚脲防水层在混凝土桥面短时间就出现龟裂，这种情况的发生与材料本身的质量有很大关系，主要原因是用半聚脲弹性体替代了聚脲弹性体，形成的防水层不是聚脲防水层而是半聚脲防水层。笔者曾将半聚脲弹性体薄膜在室内自然存放，2-3个月时间就出现薄膜脆化现象。
1.2 聚脲防水层的剥落
无论是聚脲弹性体还是半聚脲弹性体，固化时间只有几秒到十几秒的时间，喷枪枪口距离桥面的距离、施工环境（如温度、湿度、风速等）等直接影响防水层的力学性能，如果喷出的弹性体单体分子在到达桥面之前就已反应完全，则在桥面表面只是通过温度实现简单的物理堆积，那么形成的防水层其附着力、拉伸强度和断裂伸长率会大幅下降，严重影响耐久性，在短时间内出现不同的程度的剥落现象。图2是高铁混凝土桥面聚脲防水层剥落后的状态。
1.3 聚脲防水层的大面积掀起
桥面的表面状况、封闭材料的性能、环境因素等直接影响聚脲防水层的附着力。聚脲弹性体本身的拉伸强度很高（10MPa以上），弹性体的高温固化与基面低温产生的温差而造成的内聚力释放，使得防水层一旦出现剥离现象就会出现大面积掀起，不但完全失去防水功能，还对铁路运营构成了安全隐患。
2 薄涂型聚氨酯防水体系的特点
高铁桥面防水体系中最重要的性能是不透水性能，桥面防水体系的病害主要表现在防水性能的丧失。防水膜的不透水性能由两个因素所决定，即粘结力和耐老化性能。防水膜与桥面之间粘结力不足或耐老化性能不良会最终导致防水膜的失效。粘结力下降的原因很多，如桥面处理不合格、基面含水量大、不良气候、防水层产生气泡或针眼等，但更与材料本身的固化速度、材料之间的润湿性及相容性相关。耐老化性能则与材料本身的分子结构相关，受原材料的种类及材料配方决定。
根据高速铁路桥面结构的特点，理想的高铁桥面防水体系必须满足以下要求：1）良好的不透水性能；2）与混凝土桥面有足够的粘结力（包括潮湿条件下）；3）高铁正常运营条件不易破损；4）良好的耐高、低温性能；5）对桥面状况有广泛的适应性；6）能抵御桥面裂缝的影响；7）良好的耐紫外老化性能和耐化学腐蚀性能；8）施工简单、快捷，不受桥面几何因素的制约等。
2.1 薄涂型聚氨酯防水体系的构成
在保证防水功能前提下，防水层不应对行车构成安全隐患，因此采用薄涂型防水体系；通过对聚氨酯材料进行改性，可以满足现场不同施工条件的要求。所以在对无砟轨道混凝土桥面聚脲防水层进行维修研究中采用薄涂型聚氨酯防水体系。
防水体系由环氧类封闭底漆、聚氨酯防水底面漆（PPU-M1）和脂肪族聚氨酯防水表面漆（PPU-M2）组成。
2.2 薄涂型聚氨酯防水材料技术要求
为保证防水层的质量，对薄涂型聚氨酯防水体系所涉及的材料规定了技术要求，见表2。
表2 薄涂型聚氨酯防水材料技术要求
序号 |
项目 |
封闭漆 |
PPU-M1 |
PPU-M2 |
|
1 |
不挥发物含量 |
≥20%，≤30% |
≥65% |
≥65% |
|
2 |
细度，μm |
≤20 |
≤50 |
≤30 |
|
3 |
适用期， min |
/ |
≥15 |
≥15 |
|
4 |
干燥时间，h |
表干 |
≤2 |
≤3 |
≤3 |
实干 |
≤24 |
≤24 |
≤24 |
||
5 |
外观 |
/ |
均匀一致 |
均匀一致 |
|
6 |
拉伸强度，MPa |
/ |
≥10 |
≥7 |
|
7 |
断裂延伸率 |
/ |
≥200% |
≥70% |
|
8 |
低温柔性(-30℃)， mm |
/ |
≤2 |
≤2 |
|
9 |
附着力，MPa（体系） |
≥2.5或混凝土基面破坏 |
|||
3 现场施工
3.1 表面处理
（1）病害聚脲层的处理
对出现病害的聚脲层必须清除干净，因为聚脲弹性体的耐磨性、耐溶剂性、力学性能等都比较优异，所以用传统的打磨、切割等方法很难将其完全清除，为此研发了一种“振动铲”小型电动工具，通过现场试用证明，铲除效果及施工效率都比较高
（2）桥面打磨
病害聚脲防水层清除后需对桥面进行打磨处理，以便将异物（尤其是油污类）清除干净。
3.2 防水材料施工
基面处理完成后，即可进行防水材料的施工，先进行环氧类封闭底漆的涂装，待表面干燥后，依次进行底面漆和表面漆的涂装，施工过程中应注意检测和保证每道涂层及总涂层的厚度。
4 现场测试
4.1 外观检查
经过2年多的实际运行，防水层表面颜色没有出现变化，没有粉化，没有出现龟裂、剥离、脱落等病害，整体效果良好。
4.2 附着力测试
施工完成后对防水层的附着力进行了测试，结果见表3。
表3 各测试点的附着力及破坏位置
编号 |
附着力（MPa） |
破坏位置 |
1 |
5.09 |
各层均有断裂 |
2 |
1.77 |
基材表面断裂 |
3 |
1.46 |
基材表面断裂 |
4 |
1.82 |
胶黏剂与面涂脱离 |
5 |
1.15 |
胶黏剂与面涂脱离 |
6 |
2.83 |
胶黏剂与面涂脱离 |
7 |
4.04 |
基材表面与环氧水泥砂浆层断裂 |
8 |
2.97 |
基材表面与环氧水泥砂浆层断裂 |
9 |
2.65 |
基材表面断裂 |
10 |
3.86 |
各层均有断裂 |
11 |
3.52 |
基材表面与环氧水泥砂浆层断裂 |
12 |
1.82 |
基材表面断裂 |
13 |
5.50 |
环氧水泥砂浆层断裂 |
14 |
3.24 |
一面涂与环氧水泥砂浆层分离 |
15 |
4.24 |
基材表面与环氧水泥砂浆层断裂 |
16 |
4.51 |
基材表面断裂 |
17 |
4.70 |
环氧水泥砂浆层断裂 |
18 |
1.44 |
环氧水泥砂浆层断裂 |
19 |
2.19 |
基材表面断裂 |
测试结果显示附着力满足大于3MPa或基材破坏的要求。
5 结语
聚脲弹性体尽管力学性能等优异，但由于受其本身固化速度快、对基面处理要求高等特性限制，不适合在桥面这种高空、室外环境等作业条件下，作为大面积防水层使用。
薄涂型聚氨酯防水体系附着力好，施工方便，可满足无砟轨道混凝土桥面防水的需要。
（详见《现代涂料与涂装》2015-2期）
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