铁路桥梁混凝土基面聚氨酯防水涂层附着力研究

2023-08-08张夏李晶晶

粘接 2023年7期

张夏李晶晶

摘要：铁路桥梁混凝土基面的防护是建筑领域重点关注问题。针对聚氨酯防水涂层的附着力展开研究，探究基面状况、材料配方对薄涂型和厚涂型聚氨酯防水涂层附着性能的影响，经刮涂与机械喷涂工艺模拟证实了厚涂型聚氨酯防水涂层的较高附着力，并对户外暴晒作用下聚氨酯防水涂层的附着力进行了测试与分析。结果表明，封闭漆的合理使用可提升薄涂型防水涂层的附着力，当A、B组分的比例在0.6∶1～0.8∶1时，厚涂型聚氨酯防水涂层的附着力均大于2.0 MPa，在平整、干燥的混凝土基面上厚涂型聚氨酯防水涂层的附着力最大，暴晒作用下，QT524聚氨酯防水涂层的整体附着力最高。

关键词：铁路桥梁；混凝土基面；聚氨酯涂料；厚涂型；户外暴晒；涂层附着力

中图分类号：TQ635;TV431

文献标志码：A

文章编号：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

基于耐久性與防护性设计，铁路桥梁建筑工程中需对防水涂层进行设计与施工，以缓解降雨、暴晒、风蚀对桥梁结构的损伤［1］。研发并应用更高性能的防水涂料是铁路桥梁防水设计的重要方向。聚氨酯防水涂料具有耐水性好、延伸率大、强度高等优点，在我国铁路桥面中应用广泛，被普遍作为混凝土基面聚氨酯防水涂层。防水涂层与混凝土基面的粘接强度是影响铁路桥面防水体系性能的关键因素。影响混凝土基面聚氨酯防水涂层附着力的因素较多，如涂料组分比例、涂层厚度、基面含水量等。为此，对薄涂型与厚涂型聚氨酯防水涂层与混凝土基层的粘接强度进行试验测试，并对户外暴晒作用下聚氨酯防水涂层的附着力变化进行分析，以探究混凝土基面聚氨酯防水涂层附着力改善方法。

1 试验方法

聚氨酯涂料是一种常见的成膜型涂料，将其刮涂或者喷涂到混凝土表面，能够封闭表面的缺陷或空隙，并形成一层憎水层，从而对混凝土表面起到防护作用。聚氨酯防水涂层不仅能够与混凝土界面处牢牢粘结，防止涂层脱落，还可有效阻挡水分子、腐蚀性介质的侵入，抑制混凝土的老化、保护基材。涂层附着力代表涂层与基材之间由于物理吸附、化学键形成、机械结合等作用相互粘接的性能，二者粘接越牢固，涂层的附着力越大。现实应用中，聚氨酯防水涂层常用于铁路桥梁工程、公路桥梁工程，涂层受环境中多种因素的影响和作用，附着性、屏蔽作用和缓蚀作用会下降。

对聚氨酯涂层的附着力测试试验按照GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉开法附着力试验》标准进行，将试验样品聚氨酯均匀地施涂于表面结构一致的平板上，形成具有一定厚度的聚氨酯防水涂层，待涂层干燥后，用胶粘剂施涂于混凝土试柱表面，与聚氨酯防水涂层粘接［2］。待胶粘剂固化后，将粘接的试验组合置于PosiTest AT-M 附着力拉拔仪上，经可控的拉力试验，测量破坏聚氨酯防水涂层与混凝土基面之间附着所需拉力。

实际环境中，聚氨酯防水涂层受户外太阳光暴晒后防护性能会降低。对暴晒情况下聚氨酯防水涂层附着力进行测试，首先将基材试块的表面打磨光滑平整，在试块表面刮涂或喷涂聚氨酯防水涂层，养护7 d后，将试样置于平坦、空旷的暴晒场，试验架之间留有一定行距，使试样接受充分的太阳辐射量，对不同暴晒时长下的试样进行涂层附着力测试。

2 聚氨酯防水涂层附着力实验

2.1 薄涂型聚氨酯防水涂层附着力

封闭漆可作为涂层和基材之间的过渡层，通过将其直接涂到混凝土基面上，可添补裂缝，改善混凝土基面，同时避免混凝土碱性加速涂层老化，从而强化涂层附着力。需要根据混凝土基面的干燥情况选择合适的封闭漆，对于干燥混凝土基面，首选水性和溶剂型环氧封闭漆，因其有着较好的附着力；对于潮湿混凝土基面，虽然水性环氧封闭漆的附着力较干燥基面显著降低，但仍大于溶剂型环氧封闭漆。因此在铁路桥梁潮湿混凝土基面刮涂或喷涂聚氨酯防水涂层时，可先涂刷一层水性环氧水泥浆，改善基面状况，并可大幅提升聚氨酯防水涂层的附着力［3-5］。

首先进行混凝土基面清理，采用打磨砂轮、钢丝刷等工具清理基面浮浆、杂物，并将表面打磨平整。然后进行基面修补，可采用环氧腻子对基面裂纹、孔洞进行修补。基面合格之后及时进行封闭漆的涂刷，再对基面进行薄涂型聚氨酯防水涂层的施工［6］。某桥面以此步骤进行聚氨酯防水涂层施工，并对涂层的附着力进行了测试。为保障实验结果的精准性，委托专业的建筑材料测试中心进行薄涂型防水涂层附着力测试，在桥面现场共检测18个点，上行和下行各9个。检测结果为：桥面防水涂层表面平整，无明显裂纹、黄变、脱落等问题，所有检测点中只有4个检测点的附着力低于2.5 MPa，其余检测点均高于2.5 MPa。低于2.5 MPa的检测点中，2个是因为混凝土基材断裂，2个是因为底漆处破坏。经验证，桥梁混凝土基面薄涂型聚氨酯防水涂层的附着力整体满足建筑要求，防护性能良好。

2.2 厚涂型聚氨酯防水涂层附着力

将TB/T 2965—2018《铁路桥梁混凝土桥面防水层》标准中直接作为防水涂层的聚氨酯涂层称为厚涂型涂层。该涂层与混凝土粘结强度要高于2.5 MPa，与潮湿基面粘接强度要高于0.6 MPa。为增强涂层的防水作用，在混凝土基面先涂刷配套水性环氧封闭漆，并通过对涂料配方的优化，增加厚涂型聚氨酯防水涂层的附着力［7-8］。

2.2.1 涂料配比

选择强度等级为C55的混凝土棱柱体试件模拟铁路桥梁混凝土基面，将环氧封闭漆和聚氨酯涂料依次涂刷于试件的侧面。封闭层养护3 d后涂刷约1.5 mm厚度的聚氨酯涂料，养护3 d后可采用附着力拉拔仪进行测试。采用双组分聚氨酯涂料，将A、B组分按0.6∶1、0.8∶1和1：1的比例混合搅拌，并对比了1∶1比例下干燥基面和潮湿基面附着力，进行涂层附着力试验；涂层附着力测试结果如图1所示。

由图1可知，聚氨酯防水涂料与干燥基面的粘接强度较高，涂层附着力显著大于潮湿基面；在潮湿的混凝土基面上，B组分所占比例越大，双组分聚氨酯防水涂层的附着力越大，A、B组分比例为0.6∶1时，涂层与基面之间的附着力最高，为4.6 MPa。当A、B组分的比例在0.6∶1～0.8∶1时，混凝土潮湿基面厚涂型聚氨酯防水涂层的附着力可较好满足施工标准［9］。

2.2.2 混凝土基面

铁路桥梁混凝土基面状态也是影响厚涂型聚氨酯防水涂层附着力的因素之一，为此，设定不同的C55混凝土试件基面状态进行测试。在平整基面上，做干燥密实和浮浆处理、潮湿擦干和烘干处理。用干燥的毛巾对充分潮湿的混凝土基面做擦干处理，直到试件表面没有积水；用电热吹风机对充分潮湿的混凝土基面做烘干处理，直到试件表面没有明显的水迹;不同混凝土基面涂层的附着力测试结果如图2所示。

由图2可知，不同的混凝土基面状态下，厚涂型聚氨酯防水涂层的附着力有着显著的差异。聚氨酯防水涂层与平整、干燥基面之间的附着力最大，有浮浆情况下，附着力稍微降低，但均大于3.0 MPa；平整、潮湿基面上涂层的附着力大于对应的粗糙、潮湿基面，且经烘干后的潮湿基面涂层附着力大于潮湿擦干基面；只有粗糙、潮湿擦干基面防水涂層的附着力小于2.5 MPa，其他基面状态下涂层附着力均满足施工要求［10］。

2.2.3 工艺模拟

1）刮涂试验

经工艺模拟验证厚涂型聚氨酯防水涂层的高附着力，同时分析不同施工工艺对涂层附着力的影响。在桥面混凝土基面进行施工，依次进行基面处理、封闭层滚涂施工以及厚涂型防水层刮涂施工。聚氨酯防水涂层厚度在1.5～2.0 mm。模拟施工环境温度在35 ℃左右，混凝土基面温度在40～45 ℃之间。首先用打磨机打磨混凝土基面，再对基面进行清洁，然后称量并搅拌封闭层涂料，将封闭层涂料滚涂到指定的施工区域，对于有裂纹、漏涂、空洞的地方进行补涂。基面状况合格后，将一定量的A、B组分混合并充分搅拌，得到聚氨酯涂料，以刮涂的方式将其涂抹到混凝土基面，等待约15 min的凝胶时间，施工过程完成。厚涂型聚氨酯防水涂层整体外观上厚度均匀、表面平整。聚氨酯防水涂层养护3 d后，可进行涂层与基面之间的附着力测试，涂层附着力测试结果为3.9 MPa，证明滚涂和刮涂工艺下混凝土基面防水层施工质量良好［11］。

2）机械喷涂试验

采用机械化喷涂，需要选择合适的工作温度、喷嘴压力、双组分比例等参数。对不同温度下聚氨酯A、B组分的黏度变化进行测定，温度设为25～60 ℃，黏度随温度变化曲线如图3所示。

由图3可知，在同一温度环境下，B组分的黏度高于A组分。为便于机械喷涂，保证喷涂工艺和涂层的附着力，机械喷涂设备的工作温度宜在50～60 ℃。首先加热A、B组分，设定喷嘴压力在20～30 MPa，采用电机驱动喷涂，将双组分雾化混合喷涂到水泥板上，模拟铁路桥梁混凝土基面施工。试验结果表明：喷涂便利，聚氨酯防水涂层的表面平整、有光泽。涂层固化后，基面没有褶皱和孔隙，且涂层厚度均匀，在1.4～1.6 mm，测得涂层附着力在3.7 MPa左右，符合预期目标。

2.3 户外暴晒作用下涂层附着力

2.3.1 聚氨酯涂料制备

将A组分按照异氰酸酯（NCO）指数为1.05，分别与F420、F524两种聚天冬氨酸酯树脂混合并充分搅拌，作为QT420聚氨酯和QT524聚氨酯2种涂料；然后分别涂刷于玻璃模具中，形成约1.5 mm厚度的聚氨酯涂层，在相对湿度50%和23 ℃左右温度环境下养护7 d后制成试样，测试涂层的附着力［12］。

以水泥砂浆为基材，模拟铁路桥梁混凝土基面。以普通硅酸盐水泥、砂和水等为原料制备水泥砂浆试块；同样地，进行上述基面清理、修补和涂刷步骤。设定了QT420聚氨酯涂层、QT524聚氨酯涂层和聚脲涂层3组试验，将水泥砂浆试块基面不同聚氨酯涂层进行编号，养护7 d，置于暴晒架上进行暴晒，分别对暴晒30、60、90、150和210 d后的试样进行聚氨酯防水涂层附着力测试［13］。

2.3.2 实验结果

户外暴晒作用下，不同暴晒时长的3种涂层与砂浆基面之间的附着力测试结果如表1所示。

由表1可知，随着暴晒时间的增加，3种涂层与基材之间的附着力呈下降趋势。在暴晒之前，砂浆基面3种涂层的附着力均大于2.5 MPa，经过210 d户外暴晒后，相比于初始值，3种防水涂层附着力分别下降了15.99%、15.69%和12.96%。对比0到210 d暴晒时长内涂层附着力整体变化可知，QT524聚氨酯防水涂层的附着力最高，QT420聚氨酯防水涂层附着力次之，聚脲涂层附着力最低［14］。其原因在于前2种涂层的凝胶时间较长，能够充分浸润砂浆基材，从而增加涂层与砂浆基材表面的粘接强度，涂层附着力也就相对较高。QT524聚氨酯涂料所需凝胶时间最长，因此该涂层的初始附着力最大。砂浆基面聚脲防水涂层的附着力保持率最高，前2种较低，这可能由于前2种涂料均是手工制备，涂料中气泡较多，在暴晒作用下，水分和氧能够进入涂层内部，从而降低了界面处的粘接力。整体来说，对于砂浆基面，3种防水涂层均有着较好的附着性能［15］。

3 结语

涂层附着力测试试验表明，铁路桥梁混凝土基面薄涂型与厚涂型聚氨酯防水涂层均有着较好的附着力。在潮湿基面施工时，可先涂刷水性环氧水泥浆形成封闭层，以增强混凝土基面涂层的附着力；在干燥、平整基面上厚涂型聚氨酯防水涂层的附着力最大，无论是平整基面还是粗糙基面下，潮湿烘干基面的涂层附着力大于潮湿擦干基面。因此，可在防水涂层施工前，清除基面浮浆、烘干基面以增强防水涂层附着力。在户外暴晒作用下，以砂浆基面模拟混凝土基面，3种防水涂层在户外暴晒210 d后，仍保持较高的附着性。整体上，QT524聚氨酯防水涂层的附着力最高。

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