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摘要：為了達(dá)到橋面防水材料的預(yù)期效果，提高瀝青混凝土橋面的耐久性，從橋面防水材料的組成、防水材料的微觀結(jié)構(gòu)與成膜機(jī)理以及橋面鋪裝層的工作機(jī)理等角度進(jìn)行深入分析，可為合理解決橋面防水材料生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工和質(zhì)量控制中出現(xiàn)的諸多問題提供一定的理論依據(jù)。


1、引言

我國最早在80年代初開始逐漸認(rèn)識到鋼筋腐蝕的嚴(yán)重性和橋面防水的重要性，并陸續(xù)在北京、天津、廣東、山西、山東、江蘇和浙江等地鋪設(shè)柔性防水層，截至目前，橋面防水已成為國內(nèi)外學(xué)者的普遍共識，且得以廣泛推廣。通常混凝土橋面防水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次組成如圖1所示。由于對其防水機(jī)理認(rèn)識的欠缺，一些工程的防水質(zhì)量沒有達(dá)到預(yù)期的效果，因此本文擬通過分析橋面防水材料成膜機(jī)理、防水機(jī)理和與瀝青面層、混凝土橋面的粘結(jié)工作機(jī)理，為合理解決實(shí)踐中出現(xiàn)的問題提供一些理論依據(jù)。



2、橋面防水材料的組成

2.1 瀝青

瀝青防水材料是由優(yōu)質(zhì)瀝青、高分子聚合物和其他外加劑等共同作用而合成的材料，其性質(zhì)是這幾種材料復(fù)雜作用的綜合體現(xiàn)，不同于其中任何一種單獨(dú)材料。同時(shí)由于不同型號防水材料的摻配比例不同，所形成的材料性質(zhì)也不盡相同。

瀝青是由多種碳?xì)浠�合物及其非金�?氧、硫、氮)的衍生物組成的混合物。由于其組成元素較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，迄今為止尚不能將其像其他混合物一樣分解成純粹的單體，只能將其按組分分析的方法與實(shí)際的路用性能建立關(guān)系。最被普遍認(rèn)可的是將瀝青分為“四組分”：瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香分和飽和分。據(jù)研究，瀝青質(zhì)對瀝青的流變性能有較大影響；膠質(zhì)具有良好的粘附力，是瀝青質(zhì)的擴(kuò)散劑或膠溶劑；芳香分是膠溶瀝青質(zhì)的分散介質(zhì)的主要部分，對其他高分子烴類具有很強(qiáng)的溶解能力：飽和分包括有臘質(zhì)及非臘質(zhì)的飽和物，它與芳香分對基質(zhì)瀝青與高分子聚合物形成良好的均質(zhì)體很重要.是材料發(fā)生溶解和溶脹的重要成分。

2.2 高聚物

高聚物是由千萬個(gè)小分子化合物通過化學(xué)聚合反應(yīng)鏈接而成的大分子化合物。高聚物表現(xiàn)為剛性、彈性還是塑性，主要取決于其分子鏈之間的作用力，以及鏈的柔順性，此外還與溫度有關(guān)。溫度升高時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，高聚物從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)一般沒有確定的熔點(diǎn)。對鏈型非晶態(tài)高聚物來說，非但沒有確定的熔點(diǎn)，而且隨著溫度的變化，在從固態(tài)逐步軟化為液態(tài)的過程中，還會出現(xiàn)三種不同的物理形態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，如圖2所示。



當(dāng)溫度較低時(shí)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)的能量較低，尚不足以使分子鏈節(jié)或者整個(gè)分子鏈產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，此時(shí)高聚物呈現(xiàn)如玻璃體狀的固態(tài)，稱為玻璃態(tài)。常溫下的塑料一般處于玻璃態(tài)。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，鏈節(jié)可以較自由地旋轉(zhuǎn)了，但高聚物的整個(gè)分子鏈還是不能移動(dòng)。此時(shí)在不大的外力作用下，可產(chǎn)生相當(dāng)大的可逆性形變，當(dāng)外力去除后，通過鏈節(jié)的旋轉(zhuǎn)又恢復(fù)為原狀。而在外力作用下所產(chǎn)生的這種形變可能達(dá)到一個(gè)很大的數(shù)值，表現(xiàn)出很高的彈性，所以此溫度下高聚物的形態(tài)稱為高彈態(tài)，如常溫下的橡膠就處于高彈態(tài)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，高聚物得到的能量足夠使整個(gè)分子鏈都可以自由運(yùn)動(dòng)，從而成為能流動(dòng)的粘液，其粘度比液態(tài)低分子化物的粘度要大得多，所以稱為粘流態(tài)。此時(shí)，外力作用下的形變在除去外力后，不能再恢復(fù)原狀，所以又稱為塑性態(tài)。室溫或者略高于室溫時(shí)處于粘流態(tài)的聚合物，通常用作膠粘劑或者涂料。

因此，一個(gè)高聚物是彈性還是塑性，并不是絕對的。由高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為玻璃化溫度，用Tg表示；由高彈態(tài)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為粘流化溫度，用Tf表示。通常將Tg高于室溫的高聚物稱為塑料；將Tg低于室溫的高聚物稱為橡膠。Tg與Tf間溫度的差值決定著橡膠類物質(zhì)的使用溫度范圍，Tg越低，Tf越高，則橡膠的耐低溫與耐高溫性能越好，性能越優(yōu)良。Tf低的高聚物的耐熱性能往往不夠理想。

2. 3 胎體

胎體增強(qiáng)材料是指在防水層中增強(qiáng)用的化纖無紡布、玻璃纖維網(wǎng)布等材料。防水卷材中的胎體在出廠時(shí)已層壓進(jìn)材料中，與涂覆材料粘為一體。防水涂膜中的胎體可根據(jù)橋梁實(shí)際情況設(shè)計(jì)成不同的厚度和層次結(jié)構(gòu)。

防水層中設(shè)置胎體的主要目的是：a)提高防水層的整體性和尺寸穩(wěn)定性；b)減少防水材料的流淌，提高耐熱性能；c)提高防水層材料的拉伸性能，尤其是當(dāng)橋面由于負(fù)彎矩或其他因素出現(xiàn)裂縫時(shí)。胎體顯得尤為重要；d)提高防水層材料在施工中高溫碾壓和以后長期營運(yùn)過程中的抗刺破性能。


目前在工程中常用的胎體增強(qiáng)材料有：以玻璃纖維為原材料制成的各種有紡、無紡制品，高分子化學(xué)纖維以針刺、熱粘、編織、化學(xué)等方式制成的各種合成材料，原材料中又可分為長纖維、短纖維等。

3、防水材料的微觀結(jié)構(gòu)與成膜機(jī)理

3.1 防水材料的微觀結(jié)構(gòu)

聚合物加入瀝青后，并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是在瀝青輕質(zhì)組分的作用下，將發(fā)生體積上的脹大，即溶脹，使瀝青的拉伸性能得以改善。聚合物經(jīng)溶脹后，由于聚合物與瀝青之間的界面作用，二者不會發(fā)生分離，而是以粒子態(tài)均勻地分布于瀝青中。研究認(rèn)為，為了保證儲存穩(wěn)定，聚合物應(yīng)吸收瀝青中的油分.脹大到原體積的5～10倍，在高劑量的情況下.聚合物在瀝青中的溶脹程度略有降低，但能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使瀝青的力學(xué)性質(zhì)得到很大改善。

下面以氯丁膠乳瀝青防水涂料為例作一分析。氯丁膠乳瀝青防水涂料(簡稱氯丁膠乳瀝青)是指氯丁膠乳液(SBR)與瀝青乳液共混后形成的涂膜。這種材料在微觀上是氯丁橡膠微粒與瀝青微粒在乳化劑等各種助劑的存在下均勻地分散于水中，涂料失去水后形成共混涂膜。在電鏡下，氯丁膠乳瀝青涂膜呈非連續(xù)多相結(jié)構(gòu)。在這個(gè)體系中，瀝青微粒和橡膠顆粒并不像一般均一乳液成膜那樣合并成連續(xù)膜，而是呈現(xiàn)非連續(xù)相。試驗(yàn)表明，無溶劑氯丁橡膠和無溶液瀝青在受熱狀態(tài)下并不互溶，在室溫下尤其不互溶，而且瀝青組分對氯丁膠的溶脹也極有限。這樣一來，當(dāng)涂料失去水后，氯丁膠微粒與瀝青微粒雖然互相連接但不溶為一體。

由顯微鏡觀察結(jié)果可知，當(dāng)氯丁膠乳瀝青在室溫下成膜時(shí)，涂料中的氯丁膠微粒和瀝青微粒互相靠攏，接觸變形，形成涂膜。但各種微粒的合并在同種顆粒之間發(fā)生，而在橡膠與瀝青聚集體之間只形成相間界面。由于橡膠受瀝青組分作用產(chǎn)生局部溶脹和橡膠大分子鏈節(jié)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。橡膠與瀝青界面變得越來越模糊，最后形成“浸潤”的氯丁膠連續(xù)相，分隔、包覆瀝青非連續(xù)相或局部連續(xù)相的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)狀態(tài)。試驗(yàn)證明：高分子的氯丁膠本身是密不透水的，因此這種在涂膜中形成氯丁橡膠以連續(xù)相為主、瀝青以非連續(xù)相為主的微觀狀態(tài)決定了其在宏觀上是防水的。

3.2防水材料成膜機(jī)理


涂料的成膜包括將涂料施工在被涂物件表面和使其形成固態(tài)連續(xù)的涂膜兩個(gè)過程。液態(tài)涂料施工到被涂物件表面后形成可流動(dòng)的液態(tài)薄層，統(tǒng)稱為“濕膜”。它要按照不同的機(jī)理，通過不同的方式，變成固態(tài)的連續(xù)的“干膜”，才能得到需要的涂膜。這個(gè)由“濕膜”變?yōu)椤案赡ぁ钡倪^程通常稱為“干燥”或“固化”。干燥或固化過程是涂料成膜過程的核心階段。液態(tài)涂料的“濕膜”變成“干膜”時(shí)，首先發(fā)生了形態(tài)的變化，即從能流動(dòng)的液態(tài)逐步變?yōu)椴灰琢鲃?dòng)的固態(tài)，所發(fā)生的變化也就是流動(dòng)性或粘度的變化。液態(tài)涂料在施工時(shí)需要的粘度是和涂料本身的粘度不完全相同的，根據(jù)施工方法的不同，通常涂料施工粘度約在0.05Pa·s～1Pa·s之間，因此涂料施工在被涂物件表面后開始得到“干膜”的粘度是很低的，要成為具有一定機(jī)械性能的“干膜”，即通常所說的達(dá)到涂膜“全干”階段，則粘度至少要達(dá)到107Pa·s以上，由此可以看出“濕膜”變?yōu)椤案赡ぁ闭扯劝l(fā)生的變化。任何一種液態(tài)涂料的干燥或固化過程都經(jīng)歷粘度變化的過程。另外，“干燥”或“固化”過程的速度和達(dá)到的程度，都是由涂料本身組成結(jié)構(gòu)、成膜的條件(溫度、濕度、涂膜厚度等)和被涂物件的表面特性和化學(xué)組成所決定的。

在涂料科學(xué)中，有很多種理論和假設(shè)來闡釋涂料的成膜機(jī)理，但這些解釋都只是反映形成過程的一個(gè)方面。水性防水材料是高聚物和瀝青在水中的分散體系，以球狀微粒分散在水相中，施工后，水分揮發(fā)，球狀微粒必須相互融合才能形成連續(xù)的涂膜。因而其成膜過程比較復(fù)雜，大致可分為三個(gè)階段(參見圖3、圖4)；



a)充填過程 防水層施工后.水分揮發(fā)，微粒相互靠近而達(dá)到密集的充填狀態(tài)，組分中的乳化劑及其他水溶性助劑留在微粒間隙的水中：

b)融合過程 水分繼續(xù)揮發(fā)，高聚物微粒表面吸附的保護(hù)層破壞.裸露的微粒相互接觸，其間隙愈來愈小，至毛細(xì)管徑大小時(shí)，由于毛細(xì)管的作用。其毛細(xì)管壓力高于聚合物微粒的抗變形力，微粒變形，最后凝集、融合成連續(xù)的涂膜；

c)擴(kuò)散過程 殘留在水中的助劑逐漸向涂膜擴(kuò)散。并使高聚物分子長鏈相互擴(kuò)散，涂膜均勻而具有良好的性能。


在涂料的施工和成膜過程中，溶劑從涂料中的揮發(fā)至關(guān)重要，溶劑的揮發(fā)速度不僅影響涂膜的干燥時(shí)間，而且還影響涂膜的表觀和物理性質(zhì)。溶劑的揮發(fā)速度主要受溫度、蒸汽壓、表面積／體積比以及表面空氣的流動(dòng)速度等因素的影響。如果是水溶性防水材料，水的揮發(fā)速度還取決于空氣中的相對濕度。

4、防水材料工作機(jī)理

從宏觀上分析，柔性防水材料是依靠防水材料粘貼到橋面板上形成具有良好彈性的防水薄膜，隔斷水與混凝土的接觸，起到防水作用。同時(shí)防水材料良好的滲透能力使其從混凝土表面孔隙中進(jìn)入混凝土內(nèi)部，堵塞混凝土內(nèi)的空隙，強(qiáng)化混凝土表面的防水性，提高混凝土的自防水能力。這種雙重屏蔽作用保證了防水材料的有效性。在形成防水膜和鋪面層的過程中，防水層與基層和面層的協(xié)調(diào)接觸是至關(guān)重要的，關(guān)系到橋面鋪裝的穩(wěn)定性和耐久性，有必要進(jìn)行深入探討。

4.1 材料對固體表面的浸潤

當(dāng)一滴液體與固體表面接觸后，接觸面自動(dòng)增大的過程，即所謂的浸潤，它是液體與固體表面接觸時(shí)發(fā)生的分子間相互作用的現(xiàn)象。

液體的浸潤主要是由表面張力所引起的.液體和固體都有表面張力，對液體稱為表面張力，而對固體則稱為表面能，常以符號γ表示。如圖5所示，圖中Lγ為液體的表面張力，Sγ為固體的表面能，SLγ為固體和液體之間的界面張力，D為接觸角。接觸角D是通過同-液-氣三相交點(diǎn)所作的液滴曲面切線與液滴接觸固體平面的夾角。由圖5可見，固體的表面能力圖使液滴鋪展開，而液體的表面張力則使液滴收縮，液體對固體表面的浸潤性與固體的表面能和液體的表面張力有著直接的關(guān)系。


液體材料的粘度隨著固化程度的增加而不斷增大，如果在完全浸潤前就失去了流動(dòng)性，那么必然會影響粘結(jié)強(qiáng)度。夏天氣溫較高，液體材料的粘度較低，有利于浸潤，而冬天則相反。

4.2粘結(jié)理論

液體材料對被粘結(jié)物的浸潤只是粘結(jié)的前提.它們之間必須形成粘結(jié)力，二者才能牢固地結(jié)合在一起。那么粘結(jié)力是怎么形成的呢?人們對粘結(jié)機(jī)理已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)?shù)难芯浚�提出了不少理論來解釋粘結(jié)本質(zhì)，目前有如下幾種比較公認(rèn)的理論：a)機(jī)械結(jié)合理論；b)吸附理論；c)擴(kuò)散理論；d)化學(xué)鍵理論；e)靜電理論。

橋面防水材料施工后才進(jìn)行瀝青混凝土面層的施工，因此熱拌瀝青混合料在施工時(shí)會給防水材料帶來熱沖擊，使防水材料融化，并且面層鋪筑后還要進(jìn)行碾壓，于是面層骨料會進(jìn)人防水層，形成契合。面層與防水層的粘結(jié)力也就來源于這種契合和瀝青與防水材料自身的粘結(jié)力。

5、結(jié)語

由于各類防水材料性能差異較大，所能起到的防水效果也不同，故本文通過分析橋面防水材料的組成、防水材料的微觀結(jié)構(gòu)與成膜機(jī)理以及橋面防水鋪裝的工作機(jī)理，闡釋了橋面防水材料的作用本質(zhì)，可為從根本上解決防水材料生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、施工和質(zhì)量控制中出現(xiàn)的問題提供一定的理論依據(jù)。