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摘要：為了達到橋面防水材料的預期效果，提高瀝青混凝土橋面的耐久性，從橋面防水材料的組成、防水材料的微觀結構與成膜機理以及橋面鋪裝層的工作機理等角度進行深入分析，可為合理解決橋面防水材料生產、設計、施工和質量控制中出現的諸多問題提供一定的理論依據。


1、引言

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



2、橋面防水材料的組成

2.1 瀝青

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

瀝青是由多種碳氫化合物及其非金屬(氧、硫、氮)的衍生物組成的混合物。由于其組成元素較多，結構復雜，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際的路用性能建立關系。最被普遍認可的是將瀝青分為“四組分”：瀝青質、膠質、芳香分和飽和分。據研究，瀝青質對瀝青的流變性能有較大影響；膠質具有良好的粘附力，是瀝青質的擴散劑或膠溶劑；芳香分是膠溶瀝青質的分散介質的主要部分，對其他高分子烴類具有很強的溶解能力：飽和分包括有臘質及非臘質的飽和物，它與芳香分對基質瀝青與高分子聚合物形成良好的均質體很重要.是材料發生溶解和溶脹的重要成分。

2.2 高聚物

高聚物是由千萬個小分子化合物通過化學聚合反應鏈接而成的大分子化合物。高聚物表現為剛性、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。溫度升高時，分子的熱運動增強，高聚物從固態轉變為液態時一般沒有確定的熔點。對鏈型非晶態高聚物來說，非但沒有確定的熔點，而且隨著溫度的變化，在從固態逐步軟化為液態的過程中，還會出現三種不同的物理形態，即玻璃態、高彈態和粘流態，如圖2所示。



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

因此，一個高聚物是彈性還是塑性，并不是絕對的。由高彈態向玻璃態轉變的溫度稱為玻璃化溫度，用Tg表示；由高彈態向粘流態轉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

胎體增強材料是指在防水層中增強用的化纖無紡布、玻璃纖維網布等材料。防水卷材中的胎體在出廠時已層壓進材料中，與涂覆材料粘為一體。防水涂膜中的胎體可根據橋梁實際情況設計成不同的厚度和層次結構。

防水層中設置胎體的主要目的是：a)提高防水層的整體性和尺寸穩定性；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，尤其是當橋面由于負彎矩或其他因素出現裂縫時。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過程中的抗刺破性能。


目前在工程中常用的胎體增強材料有：以玻璃纖維為原材料制成的各種有紡、無紡制品，高分子化學纖維以針刺、熱粘、編織、化學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、防水材料的微觀結構與成膜機理

3.1 防水材料的微觀結構

聚合物加入瀝青后，并沒有發生化學反應，但是在瀝青輕質組分的作用下，將發生體積上的脹大，即溶脹，使瀝青的拉伸性能得以改善。聚合物經溶脹后，由于聚合物與瀝青之間的界面作用，二者不會發生分離，而是以粒子態均勻地分布于瀝青中。研究認為，為了保證儲存穩定，聚合物應吸收瀝青中的油分.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，但能形成網狀結構，使瀝青的力學性質得到很大改善。

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多相結構。在這個體系中，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膜，而是呈現非連續相。試驗表明，無溶劑氯丁橡膠和無溶液瀝青在受熱狀態下并不互溶，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。

由顯微鏡觀察結果可知，當氯丁膠乳瀝青在室溫下成膜時，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生局部溶脹和橡膠大分子鏈節運動的結果。橡膠與瀝青界面變得越來越模糊，最后形成“浸潤”的氯丁膠連續相，分隔、包覆瀝青非連續相或局部連續相的網絡結構狀態。試驗證明：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相為主、瀝青以非連續相為主的微觀狀態決定了其在宏觀上是防水的。

3.2防水材料成膜機理


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連續的涂膜兩個過程。液態涂料施工到被涂物件表面后形成可流動的液態薄層，統稱為“濕膜”。它要按照不同的機理，通過不同的方式，變成固態的連續的“干膜”，才能得到需要的涂膜。這個由“濕膜”變為“干膜”的過程通常稱為“干燥”或“固化”。干燥或固化過程是涂料成膜過程的核心階段。液態涂料的“濕膜”變成“干膜”時，首先發生了形態的變化，即從能流動的液態逐步變為不易流動的固態，所發生的變化也就是流動性或粘度的變化。液態涂料在施工時需要的粘度是和涂料本身的粘度不完全相同的，根據施工方法的不同，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，要成為具有一定機械性能的“干膜”，即通常所說的達到涂膜“全干”階段，則粘度至少要達到107Pa·s以上，由此可以看出“濕膜”變為“干膜”粘度發生的變化。任何一種液態涂料的干燥或固化過程都經歷粘度變化的過程。另外，“干燥”或“固化”過程的速度和達到的程度，都是由涂料本身組成結構、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組成所決定的。

在涂料科學中，有很多種理論和假設來闡釋涂料的成膜機理，但這些解釋都只是反映形成過程的一個方面。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，球狀微粒必須相互融合才能形成連續的涂膜。因而其成膜過程比較復雜，大致可分為三個階段(參見圖3、圖4)；



a)充填過程 防水層施工后.水分揮發，微粒相互靠近而達到密集的充填狀態，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 水分繼續揮發，高聚物微粒表面吸附的保護層破壞.裸露的微粒相互接觸，其間隙愈來愈小，至毛細管徑大小時，由于毛細管的作用。其毛細管壓力高于聚合物微粒的抗變形力，微粒變形，最后凝集、融合成連續的涂膜；

c)擴散過程 殘留在水中的助劑逐漸向涂膜擴散。并使高聚物分子長鏈相互擴散，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至關重要，溶劑的揮發速度不僅影響涂膜的干燥時間，而且還影響涂膜的表觀和物理性質。溶劑的揮發速度主要受溫度、蒸汽壓、表面積／體積比以及表面空氣的流動速度等因素的影響。如果是水溶性防水材料，水的揮發速度還取決于空氣中的相對濕度。

4、防水材料工作機理

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。同時防水材料良好的滲透能力使其從混凝土表面孔隙中進入混凝土內部，堵塞混凝土內的空隙，強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調接觸是至關重要的，關系到橋面鋪裝的穩定性和耐久性，有必要進行深入探討。

4.1 材料對固體表面的浸潤

當一滴液體與固體表面接觸后，接觸面自動增大的過程，即所謂的浸潤，它是液體與固體表面接觸時發生的分子間相互作用的現象。

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性，那么必然會影響粘結強度。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粘結理論

液體材料對被粘結物的浸潤只是粘結的前提.它們之間必須形成粘結力，二者才能牢固地結合在一起。那么粘結力是怎么形成的呢?人們對粘結機理已經進行了相當的研究，提出了不少理論來解釋粘結本質，目前有如下幾種比較公認的理論：a)機械結合理論；b)吸附理論；c)擴散理論；d)化學鍵理論；e)靜電理論。

橋面防水材料施工后才進行瀝青混凝土面層的施工，因此熱拌瀝青混合料在施工時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行碾壓，于是面層骨料會進人防水層，形成契合。面層與防水層的粘結力也就來源于這種契合和瀝青與防水材料自身的粘結力。

5、結語

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、防水材料的微觀結構與成膜機理以及橋面防水鋪裝的工作機理，闡釋了橋面防水材料的作用本質，可為從根本上解決防水材料生產、設計、施工和質量控制中出現的問題提供一定的理論依據。