鐵路橋梁混凝土基面聚氨酯防水涂層附著力研究

張夏 李晶晶

摘 要：鐵路橋梁混凝土基面的防護(hù)是建筑領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注問題。針對(duì)聚氨酯防水涂層的附著力展開研究，探究基面狀況、材料配方對(duì)薄涂型和厚涂型聚氨酯防水涂層附著性能的影響，經(jīng)刮涂與機(jī)械噴涂工藝模擬證實(shí)了厚涂型聚氨酯防水涂層的較高附著力，并對(duì)戶外暴曬作用下聚氨酯防水涂層的附著力進(jìn)行了測試與分析。結(jié)果表明，封閉漆的合理使用可提升薄涂型防水涂層的附著力，當(dāng)A、B組分的比例在0.6∶1～0.8∶1時(shí)，厚涂型聚氨酯防水涂層的附著力均大于2.0 MPa，在平整、干燥的混凝土基面上厚涂型聚氨酯防水涂層的附著力最大，暴曬作用下，QT524聚氨酯防水涂層的整體附著力最高。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁；混凝土基面；聚氨酯涂料；厚涂型；戶外暴曬；涂層附著力

中圖分類號(hào)：TQ635;TV431

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0069-04

Study on adhesion of polyurethane waterproof coating on concrete foundation of railway bridge

ZHANG Xia，LI Jingjing

（Shaanxi College of Communicationa Technolog Xian 710018，China

）

Abstract：Railway bridge concrete foundation protection is a key concern in the field of construction.Based on this，the adhesion of polyurethane waterproof coating was studied，the influence of substrate condition and material formula on the adhesion of thin and thick polyurethane waterproof coating was investigated.The high adhesion of thick polyurethane waterproof coating was verified by scraping and mechanical spraying process simulation，and the adhesion of polyurethane waterproof coating under outdoor exposure was tested and analyzed.The results showed that rational use of sealing paint could improve the adhesion of thin waterproof coating.When the ratio of A and B was between 0.6∶1 and 0.8∶1，the adhesion of thick polyurethane waterproof coating was greater than 2.0 MPa.The adhesion of thick polyurethane waterproof coating was the highest on flat and dry concrete base surface.The overall adhesion of QT524 polyurethane waterproof coating was the highest under exposure.

Key words：railway bridge;concrete foundation;polyurethane coating;thick type coating;outdoor exposure;coating adhesion

基于耐久性與防護(hù)性設(shè)計(jì)，鐵路橋梁建筑工程中需對(duì)防水涂層進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，以緩解降雨、暴曬、風(fēng)蝕對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損傷［1］。研發(fā)并應(yīng)用更高性能的防水涂料是鐵路橋梁防水設(shè)計(jì)的重要方向。聚氨酯防水涂料具有耐水性好、延伸率大、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在我國鐵路橋面中應(yīng)用廣泛，被普遍作為混凝土基面聚氨酯防水涂層。防水涂層與混凝土基面的粘接強(qiáng)度是影響鐵路橋面防水體系性能的關(guān)鍵因素。影響混凝土基面聚氨酯防水涂層附著力的因素較多，如涂料組分比例、涂層厚度、基面含水量等。為此，對(duì)薄涂型與厚涂型聚氨酯防水涂層與混凝土基層的粘接強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)測試，并對(duì)戶外暴曬作用下聚氨酯防水涂層的附著力變化進(jìn)行分析，以探究混凝土基面聚氨酯防水涂層附著力改善方法。

1 試驗(yàn)方法

聚氨酯涂料是一種常見的成膜型涂料，將其刮涂或者噴涂到混凝土表面，能夠封閉表面的缺陷或空隙，并形成一層憎水層，從而對(duì)混凝土表面起到防護(hù)作用。聚氨酯防水涂層不僅能夠與混凝土界面處牢牢粘結(jié)，防止涂層脫落，還可有效阻擋水分子、腐蝕性介質(zhì)的侵入，抑制混凝土的老化、保護(hù)基材。涂層附著力代表涂層與基材之間由于物理吸附、化學(xué)鍵形成、機(jī)械結(jié)合等作用相互粘接的性能，二者粘接越牢固，涂層的附著力越大?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，聚氨酯防水涂層常用于鐵路橋梁工程、公路橋梁工程，涂層受環(huán)境中多種因素的影響和作用，附著性、屏蔽作用和緩蝕作用會(huì)下降。

對(duì)聚氨酯涂層的附著力測試試驗(yàn)按照GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉開法附著力試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將試驗(yàn)樣品聚氨酯均勻地施涂于表面結(jié)構(gòu)一致的平板上，形成具有一定厚度的聚氨酯防水涂層，待涂層干燥后，用膠粘劑施涂于混凝土試柱表面，與聚氨酯防水涂層粘接［2］。待膠粘劑固化后，將粘接的試驗(yàn)組合置于PosiTest AT-M 附著力拉拔儀上，經(jīng)可控的拉力試驗(yàn)，測量破壞聚氨酯防水涂層與混凝土基面之間附著所需拉力。

實(shí)際環(huán)境中，聚氨酯防水涂層受戶外太陽光暴曬后防護(hù)性能會(huì)降低。對(duì)暴曬情況下聚氨酯防水涂層附著力進(jìn)行測試，首先將基材試塊的表面打磨光滑平整，在試塊表面刮涂或噴涂聚氨酯防水涂層，養(yǎng)護(hù)7 d后，將試樣置于平坦、空曠的暴曬場，試驗(yàn)架之間留有一定行距，使試樣接受充分的太陽輻射量，對(duì)不同暴曬時(shí)長下的試樣進(jìn)行涂層附著力測試。

2 聚氨酯防水涂層附著力實(shí)驗(yàn)

2.1 薄涂型聚氨酯防水涂層附著力

封閉漆可作為涂層和基材之間的過渡層，通過將其直接涂到混凝土基面上，可添補(bǔ)裂縫，改善混凝土基面，同時(shí)避免混凝土堿性加速涂層老化，從而強(qiáng)化涂層附著力。需要根據(jù)混凝土基面的干燥情況選擇合適的封閉漆，對(duì)于干燥混凝土基面，首選水性和溶劑型環(huán)氧封閉漆，因其有著較好的附著力；對(duì)于潮濕混凝土基面，雖然水性環(huán)氧封閉漆的附著力較干燥基面顯著降低，但仍大于溶劑型環(huán)氧封閉漆。因此在鐵路橋梁潮濕混凝土基面刮涂或噴涂聚氨酯防水涂層時(shí)，可先涂刷一層水性環(huán)氧水泥漿，改善基面狀況，并可大幅提升聚氨酯防水涂層的附著力［3-5］。

首先進(jìn)行混凝土基面清理，采用打磨砂輪、鋼絲刷等工具清理基面浮漿、雜物，并將表面打磨平整。然后進(jìn)行基面修補(bǔ)，可采用環(huán)氧膩?zhàn)訉?duì)基面裂紋、孔洞進(jìn)行修補(bǔ)。基面合格之后及時(shí)進(jìn)行封閉漆的涂刷，再對(duì)基面進(jìn)行薄涂型聚氨酯防水涂層的施工［6］。某橋面以此步驟進(jìn)行聚氨酯防水涂層施工，并對(duì)涂層的附著力進(jìn)行了測試。為保障實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性，委托專業(yè)的建筑材料測試中心進(jìn)行薄涂型防水涂層附著力測試，在橋面現(xiàn)場共檢測18個(gè)點(diǎn)，上行和下行各9個(gè)。檢測結(jié)果為：橋面防水涂層表面平整，無明顯裂紋、黃變、脫落等問題，所有檢測點(diǎn)中只有4個(gè)檢測點(diǎn)的附著力低于2.5 MPa，其余檢測點(diǎn)均高于2.5 MPa。低于2.5 MPa的檢測點(diǎn)中，2個(gè)是因?yàn)榛炷粱臄嗔眩?個(gè)是因?yàn)榈灼崽幤茐?。?jīng)驗(yàn)證，橋梁混凝土基面薄涂型聚氨酯防水涂層的附著力整體滿足建筑要求，防護(hù)性能良好。

2.2 厚涂型聚氨酯防水涂層附著力

將TB/T 2965—2018《鐵路橋梁混凝土橋面防水層》標(biāo)準(zhǔn)中直接作為防水涂層的聚氨酯涂層稱為厚涂型涂層。該涂層與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度要高于2.5 MPa，與潮濕基面粘接強(qiáng)度要高于0.6 MPa。為增強(qiáng)涂層的防水作用，在混凝土基面先涂刷配套水性環(huán)氧封閉漆，并通過對(duì)涂料配方的優(yōu)化，增加厚涂型聚氨酯防水涂層的附著力［7-8］。

2.2.1 涂料配比

選擇強(qiáng)度等級(jí)為C55的混凝土棱柱體試件模擬鐵路橋梁混凝土基面，將環(huán)氧封閉漆和聚氨酯涂料依次涂刷于試件的側(cè)面。封閉層養(yǎng)護(hù)3 d后涂刷約1.5 mm厚度的聚氨酯涂料，養(yǎng)護(hù)3 d后可采用附著力拉拔儀進(jìn)行測試。采用雙組分聚氨酯涂料，將A、B組分按0.6∶1、0.8∶1和1：1的比例混合攪拌，并對(duì)比了1∶1比例下干燥基面和潮濕基面附著力，進(jìn)行涂層附著力試驗(yàn)；涂層附著力測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，聚氨酯防水涂料與干燥基面的粘接強(qiáng)度較高，涂層附著力顯著大于潮濕基面；在潮濕的混凝土基面上，B組分所占比例越大，雙組分聚氨酯防水涂層的附著力越大，A、B組分比例為0.6∶1時(shí)，涂層與基面之間的附著力最高，為4.6 MPa。當(dāng)A、B組分的比例在0.6∶1～0.8∶1時(shí)，混凝土潮濕基面厚涂型聚氨酯防水涂層的附著力可較好滿足施工標(biāo)準(zhǔn)［9］。

2.2.2 混凝土基面

鐵路橋梁混凝土基面狀態(tài)也是影響厚涂型聚氨酯防水涂層附著力的因素之一，為此，設(shè)定不同的C55混凝土試件基面狀態(tài)進(jìn)行測試。在平整基面上，做干燥密實(shí)和浮漿處理、潮濕擦干和烘干處理。用干燥的毛巾對(duì)充分潮濕的混凝土基面做擦干處理，直到試件表面沒有積水；用電熱吹風(fēng)機(jī)對(duì)充分潮濕的混凝土基面做烘干處理，直到試件表面沒有明顯的水跡;不同混凝土基面涂層的附著力測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，不同的混凝土基面狀態(tài)下，厚涂型聚氨酯防水涂層的附著力有著顯著的差異。聚氨酯防水涂層與平整、干燥基面之間的附著力最大，有浮漿情況下，附著力稍微降低，但均大于3.0 MPa；平整、潮濕基面上涂層的附著力大于對(duì)應(yīng)的粗糙、潮濕基面，且經(jīng)烘干后的潮濕基面涂層附著力大于潮濕擦干基面；只有粗糙、潮濕擦干基面防水涂層的附著力小于2.5 MPa，其他基面狀態(tài)下涂層附著力均滿足施工要求［10］。

2.2.3 工藝模擬

1）刮涂試驗(yàn)

經(jīng)工藝模擬驗(yàn)證厚涂型聚氨酯防水涂層的高附著力，同時(shí)分析不同施工工藝對(duì)涂層附著力的影響。在橋面混凝土基面進(jìn)行施工，依次進(jìn)行基面處理、封閉層滾涂施工以及厚涂型防水層刮涂施工。聚氨酯防水涂層厚度在1.5～2.0 mm。模擬施工環(huán)境溫度在35 ℃左右，混凝土基面溫度在40～45 ℃之間。首先用打磨機(jī)打磨混凝土基面，再對(duì)基面進(jìn)行清潔，然后稱量并攪拌封閉層涂料，將封閉層涂料滾涂到指定的施工區(qū)域，對(duì)于有裂紋、漏涂、空洞的地方進(jìn)行補(bǔ)涂?；鏍顩r合格后，將一定量的A、B組分混合并充分?jǐn)嚢瑁玫骄郯滨ネ苛?，以刮涂的方式將其涂抹到混凝土基面，等待約15 min的凝膠時(shí)間，施工過程完成。厚涂型聚氨酯防水涂層整體外觀上厚度均勻、表面平整。聚氨酯防水涂層養(yǎng)護(hù)3 d后，可進(jìn)行涂層與基面之間的附著力測試，涂層附著力測試結(jié)果為3.9 MPa，證明滾涂和刮涂工藝下混凝土基面防水層施工質(zhì)量良好［11］。

2）機(jī)械噴涂試驗(yàn)

采用機(jī)械化噴涂，需要選擇合適的工作溫度、噴嘴壓力、雙組分比例等參數(shù)。對(duì)不同溫度下聚氨酯A、B組分的黏度變化進(jìn)行測定，溫度設(shè)為25～60 ℃，黏度隨溫度變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，在同一溫度環(huán)境下，B組分的黏度高于A組分。為便于機(jī)械噴涂，保證噴涂工藝和涂層的附著力，機(jī)械噴涂設(shè)備的工作溫度宜在50～60 ℃。首先加熱A、B組分，設(shè)定噴嘴壓力在20～30 MPa，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴涂，將雙組分霧化混合噴涂到水泥板上，模擬鐵路橋梁混凝土基面施工。試驗(yàn)結(jié)果表明：噴涂便利，聚氨酯防水涂層的表面平整、有光澤。涂層固化后，基面沒有褶皺和孔隙，且涂層厚度均勻，在1.4～1.6 mm，測得涂層附著力在3.7 MPa左右，符合預(yù)期目標(biāo)。

2.3 戶外暴曬作用下涂層附著力

2.3.1 聚氨酯涂料制備

將A組分按照異氰酸酯（NCO）指數(shù)為1.05，分別與F420、F524兩種聚天冬氨酸酯樹脂混合并充分?jǐn)嚢?，作為QT420聚氨酯和QT524聚氨酯2種涂料；然后分別涂刷于玻璃模具中，形成約1.5 mm厚度的聚氨酯涂層，在相對(duì)濕度50%和23 ℃左右溫度環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d后制成試樣，測試涂層的附著力［12］。

以水泥砂漿為基材，模擬鐵路橋梁混凝土基面。以普通硅酸鹽水泥、砂和水等為原料制備水泥砂漿試塊；同樣地，進(jìn)行上述基面清理、修補(bǔ)和涂刷步驟。設(shè)定了QT420聚氨酯涂層、QT524聚氨酯涂層和聚脲涂層3組試驗(yàn)，將水泥砂漿試塊基面不同聚氨酯涂層進(jìn)行編號(hào)，養(yǎng)護(hù)7 d，置于暴曬架上進(jìn)行暴曬，分別對(duì)暴曬30、60、90、150和210 d后的試樣進(jìn)行聚氨酯防水涂層附著力測試［13］。

2.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

戶外暴曬作用下，不同暴曬時(shí)長的3種涂層與砂漿基面之間的附著力測試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著暴曬時(shí)間的增加，3種涂層與基材之間的附著力呈下降趨勢。在暴曬之前，砂漿基面3種涂層的附著力均大于2.5 MPa，經(jīng)過210 d戶外暴曬后，相比于初始值，3種防水涂層附著力分別下降了15.99%、15.69%和12.96%。對(duì)比0到210 d暴曬時(shí)長內(nèi)涂層附著力整體變化可知，QT524聚氨酯防水涂層的附著力最高，QT420聚氨酯防水涂層附著力次之，聚脲涂層附著力最低［14］。其原因在于前2種涂層的凝膠時(shí)間較長，能夠充分浸潤砂漿基材，從而增加涂層與砂漿基材表面的粘接強(qiáng)度，涂層附著力也就相對(duì)較高。QT524聚氨酯涂料所需凝膠時(shí)間最長，因此該涂層的初始附著力最大。砂漿基面聚脲防水涂層的附著力保持率最高，前2種較低，這可能由于前2種涂料均是手工制備，涂料中氣泡較多，在暴曬作用下，水分和氧能夠進(jìn)入涂層內(nèi)部，從而降低了界面處的粘接力。整體來說，對(duì)于砂漿基面，3種防水涂層均有著較好的附著性能［15］。

3 結(jié)語

涂層附著力測試試驗(yàn)表明，鐵路橋梁混凝土基面薄涂型與厚涂型聚氨酯防水涂層均有著較好的附著力。在潮濕基面施工時(shí)，可先涂刷水性環(huán)氧水泥漿形成封閉層，以增強(qiáng)混凝土基面涂層的附著力；在干燥、平整基面上厚涂型聚氨酯防水涂層的附著力最大，無論是平整基面還是粗糙基面下，潮濕烘干基面的涂層附著力大于潮濕擦干基面。因此，可在防水涂層施工前，清除基面浮漿、烘干基面以增強(qiáng)防水涂層附著力。在戶外暴曬作用下，以砂漿基面模擬混凝土基面，3種防水涂層在戶外暴曬210 d后，仍保持較高的附著性。整體上，QT524聚氨酯防水涂層的附著力最高。

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