桥面高聚物防水材料特性及其工作机理分析

第３３卷第３６期　２　０　０　７年１　２月　山　西　建　筑　

ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵｔ￣　Ｖｏ１．３３　Ｎｏ．３６　

Ｄｅｃ．２００７　・２１・　

文章编号：１００９—６８２５（２００７）３６—００２１—０２　桥面高聚物防水材料特性及其工作机理分析　

卢佩霞　摘要：针对桥面防水工作对防水材料的性能要求，就高聚物桥面防水材料的基本组成、成膜过程、防水机理和工作原理　等方面，对高聚物防水材料进行系统分析，为新型高聚物桥面防水材料在工程中的实际应用提供理论基础。　关键词：桥面防水，高聚物，基本特性，机理分析　中图分类号：ＴＵ５０２　文献标识码：Ａ　

桥面专用防水材料在我国的研究与应用起步较晚，最早是在　２０世纪８０年代初开始逐渐认识到钢筋腐蚀的严重性和桥面防水　的重要性，以后逐渐有新研究成果出现，特别是近些年这一研究　领域有了较快的发展。高聚物防水材料这类涂料原材料来自石　油，价格低廉而充足，其产量及应用领域目前仍在高速发展中。　经过一百多年的发展，这种高聚物防水材料在单体的制备、单体　的聚合反应及方法、溶剂理论等方面均有成熟的理论和工业基　础，这些都为其应用于桥面防水提供了可靠的保证，对该高聚物防　水材料性能进行针对性的改进，使之能够更好地用于桥面防水。　１　桥面防水材料的基本要求及高聚物防水材料基本特性　与建筑领域中防水材料和工业涂料的应用条件相比，桥面防　水材料的工作环境要苛刻得多，因而其性能要求也更为严格。它　除了具备不透水、耐久性好、温度适应性好等基本性能以外，还有　更加全面的要求。　桥面防水对防水材料的基本要求有５点：１）优良的不透水性　能；２）优良的力学物理性能；３）优良的耐久性；４）优良的温度适应　性；５）易于运输、贮存和大规模施工的特性。　高聚物防水材料近几十年来之所以发展迅速，与其单体的结　构特点密切相关。高聚物防水材料单体中有碳一碳双键，经聚合　后，其主链为碳一碳链，有很强的化学稳定性。这种特性决定了　高聚物材料的断裂拉伸强度高、伸长率大、抗撕裂，材料抵抗基层　的变形能力较强。由于高聚物材料与光相互作用的主吸收峰处　于太阳光谱范围之外，因此，高聚物防水材料具有很好的耐光老　化性和耐候性，使用寿命长。从材料本身性质来说，涂料所形成　的涂膜属于热塑性高聚物，涂膜间具有很强的弥合能力，使得局　部破损具有一定的自愈性。高聚物单体多种多样，通过改变高聚　物单体，可以合成不同链长和官能团的高聚物，并根据桥面防水　特点，有针对性地取舍、调节高聚物单体的比例，可以制备性能特　点有所不同，满足不同要求的桥面防水高聚物材料。　高聚物防水材料本身有优异的施工性能适合桥面防水，主要　体现在：１）对水泥混凝土和沥青混凝土以及其中骨料的粘结性　好；２）可进行刷涂、喷涂施工，工作难度小，劳动强度低，施工速度　浃；３）以水为溶剂，对环境及人体无害，属于环保型产品；４）施工　后可在各种复杂形状的基面上形成连续不断的橡胶状的整体防　水层，对桥梁细部的处理更显方便可靠的优势。　目前．高聚物防水材料在建筑及工业中有大量应用，已颁布　较完整的行业规范，这为桥面防水材料性能试验提供了可借鉴的　依据。　２高聚物防水材料成分分析　商聚物涂料是由基料、填料和分散介质（指溶剂或水）三个主　要部分组成的，但在绝大多数情况下仅这三种组分制成的涂料是　达不到使用要求的。如由乳液、颜料和水可以配成一种乳胶漆，　但这种产品的使用却受到极大的限制。温度稍低不能干燥成膜；　贮藏时间过长会发霉变质，其中的颜料也会沉淀结块；气泡太多　不能得到平整的涂膜。因此在涂料的配方设计和生产制造过程　中必须使用一些使涂料具有预期性能的添加剂，这种材料组分称　为助剂。涂料从生产到干燥成膜投入使用，要经过生产、储存运　输、现场施工和干燥成膜等过程，向涂料中添加助剂的目的也是　使助剂分别在这几个阶段或过程中发挥期望的作用，以克服性能　上的不足。同时助剂还可以提高涂料质量，降低成本，提高劳动　生产率。例如，消泡剂有助于涂料生产过程的顺利进行，并使涂　膜保持平整且不出现“泡孔”等弊病；润湿分散剂能使填料凝颗粒　更容易解聚分散并使分散后的颗粒保持分散稳定；增塑剂能增加　聚合物体系的塑性等。　涂料中助剂的类别目前尚无统一的分类方法。可根据在涂　料生产及施工过程中所起的作用来分类；可根据助剂是否有界面　活性来分类等。但是，最常用、方便的方法还是根据助剂的功能　来分类，这样能直观地揭示其作用本质。按照这种分类方法，助　剂可以分成消泡剂（抑泡剂）、增塑剂、润湿剂、分散剂等。　３高聚物防水材料成膜机理分析　水性高聚物涂料的成膜包括将涂料施工在被涂物件表面和　使其形成固态并成为连续涂膜的两个过程。液态涂料施工到被　涂物件表面后形成了可流动的液态薄层，可称之为“湿膜”，它要　通过一定的机理、方式，变成固态连续的“干膜”过程，才成为需要　的涂膜。这个由“湿膜”变为“干膜”的过程通常称为“干燥”或“固　化”，这个干燥或固化过程是涂料成膜过程的核心阶段。　为解释高聚物乳液成膜机理，人们提出了多种理论，虽然其　中有诸多分歧，但目前人们普遍认为高聚物水性乳液成膜过程主　要分三步进行：水分挥发，乳胶颗粒紧密堆积；乳胶颗粒在各种力　的作用下变形融结；高聚物链端相互扩散。　乳液涂布后，随着水分的挥发，胶粒相互靠近，靠近到一定程　度，各种力开始起作用，并且从此时起，力的作用贯穿整个成膜过　程，直到最终成膜。借助低温扫描电镜技术，可以对乳胶离子的　成膜过程进行全过程跟踪观测。　在最初阶段，粒子间是相互分离的，这时乳胶粒子问的电荷　或熵斥力及范德华力同时作用，使乳胶粒子在水中稳定分散。随　着水分的挥发，乳胶粒子间、填料、助剂开始凝并（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ），　粒子开始堆积成膜，这时出现＿ｒ一个新的力，即毛细管力（ｃａｐｉｌｌａｒｙ　ｆｏｒｃｅｓ），这个力会促使乳胶粒子、填料、助剂相互融合，主要与粒子　问的水有关。由于粒子间毛细管力的强大作用，球形粒子开始变　

收稿日期：２００７—０８　０３　作者简介：声佩霞（１９６９一），女，高级工程师，扬州工业职业技术学院建筑工程系，江苏扬州２２５００９　

维普资讯 http://www.cqvip.com ．，），）．　３　３６智　山西建筑０　０　７　１　２　・２２・　２　年　月　形，粒子间的水逐步减少，毛细管力逐步消失，乳胶粒子、填料、助　剂变成紧密排列，中间基本没有缝隙，但粒子问没有融合。随着　毛细管力的消失，又出现了一种新的作用力，那就是粒子的弹性　力（ｅｌａｓｔｉｃ　ｆｏｒｃｅｓ）和由于熵作用而产生的扩散力（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　ｆｏｒｃｅｓ），　弹性力趋向于阻止粒子的进一步融合，而扩散力则促使高聚物链　之间相互融合、扩散，并使涂膜进一步均匀化，从而得到平整的高　聚物材料薄膜。在整个过程中，各种力相互交织在一起发挥作　用，如促使成膜的力占上风，乳胶粒子将成膜，反之将不能成膜。　４高聚物防水材料防水机理　４．１　与水泥混凝土桥面的粘结机理分析　高聚物防水材料涂刷到桥面上时，随水分在被涂物体表面上　扩散，进入桥面混凝土表面孔隙和内部空隙，这样当水分挥发出　去后，高聚物防水材料能充分堵塞混凝土内部空隙，强化防水效　果。等涂料施工完毕并经过养生期后，高聚物防水材料中的有效　成分就紧紧粘贴到桥面板上形成一层类似橡胶的防水薄膜，密不　透水，这就阻断了水与桥面板的接触，起到了物理防水的作用。　养生期间，应保证使涂料中的水分充分挥发出来，避免水分在受　热的情况下蒸发膨胀形成气泡病害。　４．１．１　液体对固体表面的浸润　当一滴液体与固体表面接触后，接触面会有一个自动增大的　过程，这个过程叫做浸润。它是液体与固体表面接触时发生的分　子间相互作用的现象。　液体的浸润主要是由表面张力引起的，液体和固体都有表面　张力，对液体称为表面张力，而对固体则称为表面能，常以），表　示，如图１所示，　，为液体的表面张力；　为固体的表面能；　，　为固体和液体之间的界面张力；０为接触角。　接触角０是通过固一液一气三相交点所作液滴曲面切线与　液滴接触固体平面的夹角。由图１可见，固体的表面能力图使液　滴铺展开，而液体的表面张力则使液滴收缩，液体对固体表面浸　润性与固体的表面能和液体的表面张力有着直接关系。　固相　图１　液相对固相浸润图　４．１．２粘结理论　高聚物防水涂料浸润桥面板之后随水分进入到混凝土表面　孔隙及内部空隙，经过这个浸润过程之后，二者之问要形成一定　的粘结力。有关这个粘结力是怎么形成的，人们进行了一定的研　究，并提出了不少理论来解释粘结本质，目前有几种比较公认的理　论：１）机械结合理论；２）吸附理论；３）扩散理论；４）化学键理论；５）　静电理论。　以上是产生粘附力的五种理论，但并没有统一的说法。在各　种产生粘结力的因素中只有分子间作用力普遍存在于所有粘结　体系中，其作用仅在特殊情况下才成为粘结力的来源。至于高聚　物材料与水泥混凝土和沥青混合料面层粘结力形成的原因，各种　因素的贡献并不相同。这两种界面上表现最为明显的可用机械　结合理论和吸附理论来解释。　４．２与沥青混凝土面层的粘结机理　摊铺沥青铺装层时的高温会使防水层在一定程度上变软，并　且面层铺筑后，还要进行碾压，这时面层骨料会稍许进入防水层，　形成契合。面层与防水层的粘结力之一就来源于这种契合．这已　被有关资料及试验现象所证实。防水层属有机物涂层，根据自然　界普遍存在的“相似相亲”规律，有机防水涂层与同样是有机物质　的沥青材料具有“天然”相互融合的趋势，这种趋势在一定程度上　进一步促使了上述契合作用的程度。　另外，在摊铺时的高温作用下，高聚物材料本身变得较软，从　而有助于与桥面板之间的粘结。通常情况下混凝土桥面板会有　

一定的粗糙程度，比如刻槽、凿毛等，此时有可能面层中较细的骨　料会一定程度上隔着防水层嵌入桥面板的沟槽中，这种情况下，　沥青面层也会和桥面通过防水层形成一定程度的契合。通车期　间，这种契合在车辆自重作用下得到加强，进一步促进沥青铺装　层与桥面之间的抗剪能力。同时，这种现象也从一个侧面客观说　明桥面板应有一定粗糙度的事实。　５结语　高聚物防水材料以石油化工产品为原料，产量大而价格低　廉。由于以水为溶剂，不属于ＶＯＣ（Ｖｏｌａｔｉｌｅ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄ，挥　发性有机化合物），与人们大力提倡的省资源、省能源、无污染观　念相符，符合“四Ｅ”原则（即经济、效率、环保和节能原则）。基于　高聚物类防水涂料技术的理论研究，为对其性能改进以适应桥面　防水方面提供了坚实的基础。　参考文献：　［１］裴建中．桥面柔性防水材料技术性能研究（硕士学位论文）　［Ｄ】．西安：长安大学，２００１．５．　［２］韩喜林．新型防水材料应用技术［Ｍ］．北京：中国建材工业出　版社．２００３．３．　［３］郑天亮．现代涂料与涂装工程［Ｍ］．北京：北京航空航天大学　出版社．２００３．６．　［４］石玉梅，徐峰，张宝利．建筑涂料与涂装技术４００问［Ｍ］．北　京：化学工业出版社，２００２．６．　［５］贾世军，朱世雄，廖琦，等．高分子水胶乳成膜过程研究现状　［Ｊ］．化学通报，１９９９（９）：９３—９４．