水乳型聚合物桥面防水涂料的研制及防水机理研究
杨喜英1，2( 1． 山西省交通科学研究院太原市030006; 2． 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室太原市030006)
随着我国交通事业的快速发展，桥梁的建设对公路事业发挥着越来越重要的作用。研究发现钢筋锈蚀是影响桥梁耐久性的主要原因之一，钢筋发生锈蚀后，会对桥梁造成不良影响，而造成钢筋锈蚀的原因就是桥面水损坏，外界水分渗入混凝土内部发生了锈蚀反应，终导致了桥梁结构的损坏。因此，对桥梁进行防水是延长桥梁使用寿命的有效方法之一。
目前桥梁防水主要存在三个问题:
( 1) 结构设计问题，主要是铺装设计不合理和受力薄弱环节未做防水;
( 2) 目前市场路桥专用防水材料产品质量较差，大部分不满足技术指标要求;
( 3) 防水施工质量尚未过关，没有专门的路桥防水施工规范与验收标准。
因此就使用材料而言在水泥混凝土桥面板上喷涂一层防水涂料，形成防水粘结体系，以达到桥面防水的目的就显得十分必要。
水乳型聚合物桥面防水涂料的主要成膜物质是沥青乳液和合成胶乳，以水代替了汽油等有机溶剂，具有与基层黏结牢固、无毒无污染、施工工艺简便、可潮湿施工等优点，其用量近年来越来越大，已成为路桥防水涂料的主流产品，目前市场上的水性沥青基防水涂料稳定性差，各项技术指标难以达到相关要求，所以研发性能优异的水乳型聚合物改性沥青防水涂料很有必要。
1 材料组成与特性
1． 1 基质沥青
沥青的性能直接决定着防水涂料的好坏，一般而言，选择何种沥青主要根据防水涂料的要求来决定，比如: 对耐热度要求较高、而低温抗裂性能要求不高的桥梁，应选择软化点较高的沥青。研究表明随着沥青牌号的升高，其针入度升高、延度升高、软化点降低、粘性降低、塑性升高、温稳性降低。根据山西省气候及重载交通特点，选用壳牌70#沥青。
1． 2 乳化剂
1． 2 乳化剂
乳化剂的选择应根据沥青的品种、标号及乳化沥青的用途来选择，除要有较强的降低界面张力的作用外，还应具有吸附性、配向性、造膜性，形成胶体离子性等特殊性能。乳化剂的选择可综合考虑如下因素:
( 1) 优先选用乳化能力强、分散性好的离子型乳化剂，其HLB 值在8 ～ 18 范围之内;
( 2) 选择乳液ε 电位值大的乳化剂，因为ε 电位越大，乳化沥青微粒间的相互排斥力也越大，乳液的稳定性越好，沥青微粒所带离子电荷也越强，与骨料的粘附性也越大;
( 3) 采用阳离子型乳化剂与非离子型乳化剂混用可取得更好的乳化和乳液稳定效果;
( 4) 乳化剂不能与配方组分反应，不阻滞成膜硬化;
( 4) 乳化剂不能与配方组分反应，不阻滞成膜硬化;
( 5) 乳化剂来源广泛、价格低廉。
2． 3 稳定剂用量的确定
经过大量的试验，终选择了JL － C01 型烷基双季铵盐阳离子乳化剂与OP － 10 烷基酚聚氧乙烯醚类非离子乳化剂复合乳化剂。
1． 3 改性剂
改性剂决定了防水材料的主体性能，是形成防水涂膜的主要成分。通过对目前沥青改性剂SBS、APP( APAO) 和橡胶类等性价比及资源情况进行比较，筛选出适合的改性剂，并进行不同改性剂的复合掺配，研究确定复合改性剂的种类，使防水涂料综合性能( 黏合能力、成膜性、强度、阻燃性、耐溶剂、耐热及耐老化、耐寒性) 得以提高。所筛选的改性剂结构性能如表1:
通过对比丁苯橡胶及氯丁橡胶的优缺点，综合考虑防水涂料的性能要求，将二者的乳液进行复合掺配，可使防水涂料的综合性能提高。
1． 4 稳定剂
为了保证整个体系的稳定性及分散性，必须降低分散相与分散介质之间的界面张力，减小表面积，从而降低沥青微粒表面自由能，这就是稳定剂的作用。另外加入高分子稳定剂，能在分散的微粒上形成界面膜，使其微粒相互碰撞时不易聚结。界面膜由密排的定向分子组成，膜的强度越大，沥青微粒聚结需要克服的阻力也就越大，因而乳液越稳定。所以选择适宜的稳定剂是保证乳液稳定的重要措施。通过实验研究，选择了聚乙烯醇1830 稳定剂。
1． 5 其他助剂
为了改善材料的耐久性、稳定性、可操作性等方面的性能及增强聚合物与沥青的匹配性能，在实验过程中还需加其他助剂，如消泡剂、防结皮剂、流平剂、增稠剂、增塑剂、防冻剂等。
2 防水涂料制备及性能研究
2． 1 乳化剂用量的确定
试验对乳化剂的佳用量进行了考察: 采用丹麦DEP － 03Ｒ 乳化沥青试验机生产固含量为45%的防水涂料样品，结果如表2。
通过分析不同乳化剂量的乳化效果及其他性能，综合考虑其性价比，选择0． 8% ～ 1． 0%为宜。
2． 2 改性剂用量的确定
根据分析所选改性剂－ 氯丁胶乳( CＲ) 、丁苯胶乳( SBＲ) 分子结构的特点及其材料的优缺点，并考虑重载交通地区对材料的要求，将两种改性剂进行不同比例的复配，制备固含量为45% 的防水涂料样品，结果如表3。
从表3 可以看出，防水涂料的稳定性随着复合改性剂中SBＲ 比例的增大，标准黏度升高、稳定性增强，通过综合研究防水涂料的技术指标及经济性，通常CＲ ∶ SBＲ 为1 ∶ 2 ～ 2 ∶ 3 之间。
稳定剂可增加水相的黏度，在沥青粒子上形成保护层，在贮存时阻止已分散的粒子聚集，提高了防水涂料的贮存稳定性。本文通过考察稳定剂的加入量与防水涂料体系黏度及贮存稳定性的关系，确定了稳定剂的佳用量，试验结果如表4。
从表4 可看出，随着稳定剂用量的增加，体系的稳定性增强，标准黏度也增大，综合考虑防水涂料的稳定性及喷涂施工对材料的黏性要求，终确定稳定剂的加入量为1． 0% ～ 1． 5%。
2． 4 防水涂料制备及性能测试
桥面防水涂料的制备方式有三种: 一次冷混合法、一次热混合法、二次热混合法。经过不断比较三种工艺生产的产品性能，终选择了二次热混法工艺，即将一定配比的乳化剂水溶液、稳定剂、其他助剂在60 ～ 70℃和改性剂经乳化机混合，将得到的橡胶胶乳乳化剂混合液立即与130 ～ 140℃的热熔基质沥青同时送入乳化机中进行乳化，从而得到聚合物改性乳化沥青，将聚合物改性乳化沥青与填料一起送入搅拌釜中进行搅拌得到水乳型聚合物改性沥青桥面防水涂料。其性能测试结果如表5。
从表5 可看出，研发的水乳型聚合物桥面防水涂料各项性能指标均达到并超过JT /T 535 － 2004《路桥用水性沥青基防水涂料》Ⅱ型技术要求。
3 桥面防水涂料防水机理研究
为了进一步从微观结构分析水乳型聚合物防水涂料的防水性能，将上述制备得到的防水涂料样品进行扫描电镜分析，研究发现:
( 1) 水乳型聚合物桥面防水涂料在制备过程中原材料各组分之间并没有发生化学反应，得到的体系为一非连续多相结构，聚合物乳液颗粒和乳化沥青颗粒均匀地分散在水溶液中;
( 1) 水乳型聚合物桥面防水涂料在制备过程中原材料各组分之间并没有发生化学反应，得到的体系为一非连续多相结构，聚合物乳液颗粒和乳化沥青颗粒均匀地分散在水溶液中;
( 2) 在室温贮存过程中，随着时间的推移，聚合物颗粒在沥青轻质组分的作用下不断进行溶胀，体积增大，聚合物颗粒之间形成网状结构，整个体系的性能得到很大的改善;
( 3) 在成膜过程中，随着水分的蒸发，聚合物和乳化沥青颗粒间的距离逐渐减小，二者不断靠拢，互相接触，它们的高分子聚合物链互相缠绕组成互穿网络的防水涂膜结构，橡胶与沥青界面逐渐消失，界面区结构致密性增强，直至干燥后形成完整连续的防水膜从而达到防水的作用。
