摘要：为了达到桥面防水材料的预期效果，提高沥青混凝土桥面的耐久性，从桥面防水材料的组成、防水材料的微观结构与成膜机理以及桥面铺装层的工作机理等角度进行深入分析，可为合理解决桥面防水材料生产、设计、施工和质量控制中出现的诸多问题提供一定的理论依据。


1、引言

我国最早在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，并陆续在北京、天津、广东、山西、山东、江苏和浙江等地铺设柔性防水层，截至目前，桥面防水已成为国内外学者的普遍共识，且得以广泛推广。通常混凝土桥面防水系统的结构层次组成如图1所示。由于对其防水机理认识的欠缺，一些工程的防水质量没有达到预期的效果，因此本文拟通过分析桥面防水材料成膜机理、防水机理和与沥青面层、混凝土桥面的粘结工作机理，为合理解决实践中出现的问题提供一些理论依据。



2、桥面防水材料的组成

2.1 沥青

沥青防水材料是由优质沥青、高分子聚合物和其他外加剂等共同作用而合成的材料，其性质是这几种材料复杂作用的综合体现，不同于其中任何一种单独材料。同时由于不同型号防水材料的掺配比例不同，所形成的材料性质也不尽相同。

沥青是由多种碳氢化合物及其非金属(氧、硫、氮)的衍生物组成的混合物。由于其组成元素较多，结构复杂，迄今为止尚不能将其像其他混合物一样分解成纯粹的单体，只能将其按组分分析的方法与实际的路用性能建立关系。最被普遍认可的是将沥青分为“四组分”：沥青质、胶质、芳香分和饱和分。据研究，沥青质对沥青的流变性能有较大影响；胶质具有良好的粘附力，是沥青质的扩散剂或胶溶剂；芳香分是胶溶沥青质的分散介质的主要部分，对其他高分子烃类具有很强的溶解能力：饱和分包括有腊质及非腊质的饱和物，它与芳香分对基质沥青与高分子聚合物形成良好的均质体很重要.是材料发生溶解和溶胀的重要成分。

2.2 高聚物

高聚物是由千万个小分子化合物通过化学聚合反应链接而成的大分子化合物。高聚物表现为刚性、弹性还是塑性，主要取决于其分子链之间的作用力，以及链的柔顺性，此外还与温度有关。温度升高时，分子的热运动增强，高聚物从固态转变为液态时一般没有确定的熔点。对链型非晶态高聚物来说，非但没有确定的熔点，而且随着温度的变化，在从固态逐步软化为液态的过程中，还会出现三种不同的物理形态，即玻璃态、高弹态和粘流态，如图2所示。



当温度较低时，由于分子热运动的能量较低，尚不足以使分子链节或者整个分子链产生运动，此时高聚物呈现如玻璃体状的固态，称为玻璃态。常温下的塑料一般处于玻璃态。当温度升高到一定程度时，链节可以较自由地旋转了，但高聚物的整个分子链还是不能移动。此时在不大的外力作用下，可产生相当大的可逆性形变，当外力去除后，通过链节的旋转又恢复为原状。而在外力作用下所产生的这种形变可能达到一个很大的数值，表现出很高的弹性，所以此温度下高聚物的形态称为高弹态，如常温下的橡胶就处于高弹态。当温度继续升高时，高聚物得到的能量足够使整个分子链都可以自由运动，从而成为能流动的粘液，其粘度比液态低分子化物的粘度要大得多，所以称为粘流态。此时，外力作用下的形变在除去外力后，不能再恢复原状，所以又称为塑性态。室温或者略高于室温时处于粘流态的聚合物，通常用作胶粘剂或者涂料。

因此，一个高聚物是弹性还是塑性，并不是绝对的。由高弹态向玻璃态转变的温度称为玻璃化温度，用Tg表示；由高弹态向粘流态转变的温度称为粘流化温度，用Tf表示。通常将Tg高于室温的高聚物称为塑料；将Tg低于室温的高聚物称为橡胶。Tg与Tf间温度的差值决定着橡胶类物质的使用温度范围，Tg越低，Tf越高，则橡胶的耐低温与耐高温性能越好，性能越优良。Tf低的高聚物的耐热性能往往不够理想。

2. 3 胎体

胎体增强材料是指在防水层中增强用的化纤无纺布、玻璃纤维网布等材料。防水卷材中的胎体在出厂时已层压进材料中，与涂覆材料粘为一体。防水涂膜中的胎体可根据桥梁实际情况设计成不同的厚度和层次结构。

防水层中设置胎体的主要目的是：a)提高防水层的整体性和尺寸稳定性；b)减少防水材料的流淌，提高耐热性能；c)提高防水层材料的拉伸性能，尤其是当桥面由于负弯矩或其他因素出现裂缝时。胎体显得尤为重要；d)提高防水层材料在施工中高温碾压和以后长期营运过程中的抗刺破性能。


目前在工程中常用的胎体增强材料有：以玻璃纤维为原材料制成的各种有纺、无纺制品，高分子化学纤维以针刺、热粘、编织、化学等方式制成的各种合成材料，原材料中又可分为长纤维、短纤维等。

3、防水材料的微观结构与成膜机理

3.1 防水材料的微观结构

聚合物加入沥青后，并没有发生化学反应，但是在沥青轻质组分的作用下，将发生体积上的胀大，即溶胀，使沥青的拉伸性能得以改善。聚合物经溶胀后，由于聚合物与沥青之间的界面作用，二者不会发生分离，而是以粒子态均匀地分布于沥青中。研究认为，为了保证储存稳定，聚合物应吸收沥青中的油分.胀大到原体积的5～10倍，在高剂量的情况下.聚合物在沥青中的溶胀程度略有降低，但能形成网状结构，使沥青的力学性质得到很大改善。

下面以氯丁胶乳沥青防水涂料为例作一分析。氯丁胶乳沥青防水涂料(简称氯丁胶乳沥青)是指氯丁胶乳液(SBR)与沥青乳液共混后形成的涂膜。这种材料在微观上是氯丁橡胶微粒与沥青微粒在乳化剂等各种助剂的存在下均匀地分散于水中，涂料失去水后形成共混涂膜。在电镜下，氯丁胶乳沥青涂膜呈非连续多相结构。在这个体系中，沥青微粒和橡胶颗粒并不像一般均一乳液成膜那样合并成连续膜，而是呈现非连续相。试验表明，无溶剂氯丁橡胶和无溶液沥青在受热状态下并不互溶，在室温下尤其不互溶，而且沥青组分对氯丁胶的溶胀也极有限。这样一来，当涂料失去水后，氯丁胶微粒与沥青微粒虽然互相连接但不溶为一体。

由显微镜观察结果可知，当氯丁胶乳沥青在室温下成膜时，涂料中的氯丁胶微粒和沥青微粒互相靠拢，接触变形，形成涂膜。但各种微粒的合并在同种颗粒之间发生，而在橡胶与沥青聚集体之间只形成相间界面。由于橡胶受沥青组分作用产生局部溶胀和橡胶大分子链节运动的结果。橡胶与沥青界面变得越来越模糊，最后形成“浸润”的氯丁胶连续相，分隔、包覆沥青非连续相或局部连续相的网络结构状态。试验证明：高分子的氯丁胶本身是密不透水的，因此这种在涂膜中形成氯丁橡胶以连续相为主、沥青以非连续相为主的微观状态决定了其在宏观上是防水的。

3.2防水材料成膜机理


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连续的涂膜两个过程。液态涂料施工到被涂物件表面后形成可流动的液态薄层，统称为“湿膜”。它要按照不同的机理，通过不同的方式，变成固态的连续的“干膜”，才能得到需要的涂膜。这个由“湿膜”变为“干膜”的过程通常称为“干燥”或“固化”。干燥或固化过程是涂料成膜过程的核心阶段。液态涂料的“湿膜”变成“干膜”时，首先发生了形态的变化，即从能流动的液态逐步变为不易流动的固态，所发生的变化也就是流动性或粘度的变化。液态涂料在施工时需要的粘度是和涂料本身的粘度不完全相同的，根据施工方法的不同，通常涂料施工粘度约在0.05Pa·s～1Pa·s之间，因此涂料施工在被涂物件表面后开始得到“干膜”的粘度是很低的，要成为具有一定机械性能的“干膜”，即通常所说的达到涂膜“全干”阶段，则粘度至少要达到107Pa·s以上，由此可以看出“湿膜”变为“干膜”粘度发生的变化。任何一种液态涂料的干燥或固化过程都经历粘度变化的过程。另外，“干燥”或“固化”过程的速度和达到的程度，都是由涂料本身组成结构、成膜的条件(温度、湿度、涂膜厚度等)和被涂物件的表面特性和化学组成所决定的。

在涂料科学中，有很多种理论和假设来阐释涂料的成膜机理，但这些解释都只是反映形成过程的一个方面。水性防水材料是高聚物和沥青在水中的分散体系，以球状微粒分散在水相中，施工后，水分挥发，球状微粒必须相互融合才能形成连续的涂膜。因而其成膜过程比较复杂，大致可分为三个阶段(参见图3、图4)；



a)充填过程 防水层施工后.水分挥发，微粒相互靠近而达到密集的充填状态，组分中的乳化剂及其他水溶性助剂留在微粒间隙的水中：

b)融合过程 水分继续挥发，高聚物微粒表面吸附的保护层破坏.裸露的微粒相互接触，其间隙愈来愈小，至毛细管径大小时，由于毛细管的作用。其毛细管压力高于聚合物微粒的抗变形力，微粒变形，最后凝集、融合成连续的涂膜；

c)扩散过程 残留在水中的助剂逐渐向涂膜扩散。并使高聚物分子长链相互扩散，涂膜均匀而具有良好的性能。


在涂料的施工和成膜过程中，溶剂从涂料中的挥发至关重要，溶剂的挥发速度不仅影响涂膜的干燥时间，而且还影响涂膜的表观和物理性质。溶剂的挥发速度主要受温度、蒸汽压、表面积／体积比以及表面空气的流动速度等因素的影响。如果是水溶性防水材料，水的挥发速度还取决于空气中的相对湿度。

4、防水材料工作机理

从宏观上分析，柔性防水材料是依靠防水材料粘贴到桥面板上形成具有良好弹性的防水薄膜，隔断水与混凝土的接触，起到防水作用。同时防水材料良好的渗透能力使其从混凝土表面孔隙中进入混凝土内部，堵塞混凝土内的空隙，强化混凝土表面的防水性，提高混凝土的自防水能力。这种双重屏蔽作用保证了防水材料的有效性。在形成防水膜和铺面层的过程中，防水层与基层和面层的协调接触是至关重要的，关系到桥面铺装的稳定性和耐久性，有必要进行深入探讨。

4.1 材料对固体表面的浸润

当一滴液体与固体表面接触后，接触面自动增大的过程，即所谓的浸润，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所引起的.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，常以符号γ表示。如图5所示，图中Lγ为液体的表面张力，Sγ为固体的表面能，SLγ为固体和液体之间的界面张力，D为接触角。接触角D是通过同-液-气三相交点所作的液滴曲面切线与液滴接触固体平面的夹角。由图5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，液体对固体表面的浸润性与固体的表面能和液体的表面张力有着直接的关系。


液体材料的粘度随着固化程度的增加而不断增大，如果在完全浸润前就失去了流动性，那么必然会影响粘结强度。夏天气温较高，液体材料的粘度较低，有利于浸润，而冬天则相反。

4.2粘结理论

液体材料对被粘结物的浸润只是粘结的前提.它们之间必须形成粘结力，二者才能牢固地结合在一起。那么粘结力是怎么形成的呢?人们对粘结机理已经进行了相当的研究，提出了不少理论来解释粘结本质，目前有如下几种比较公认的理论：a)机械结合理论；b)吸附理论；c)扩散理论；d)化学键理论；e)静电理论。

桥面防水材料施工后才进行沥青混凝土面层的施工，因此热拌沥青混合料在施工时会给防水材料带来热冲击，使防水材料融化，并且面层铺筑后还要进行碾压，于是面层骨料会进人防水层，形成契合。面层与防水层的粘结力也就来源于这种契合和沥青与防水材料自身的粘结力。

5、结语

由于各类防水材料性能差异较大，所能起到的防水效果也不同，故本文通过分析桥面防水材料的组成、防水材料的微观结构与成膜机理以及桥面防水铺装的工作机理，阐释了桥面防水材料的作用本质，可为从根本上解决防水材料生产、设计、施工和质量控制中出现的问题提供一定的理论依据。