高鐵專線用混凝土橋梁聚氨酯防水涂料工藝研究

李永鑫

（中路高科交通檢測檢驗認證有限公司，北京100088）

聚氨酯（PU）防水涂料是一種最新的高分子防水涂料，它具有涂膜防水層無接縫、體積收縮小、黏結性好、抗拉強度高、延伸性與彈性較好的優點，并且其組份比例容易調節、維修施工十分方便、對基層裂縫伸縮性的變形有很強的適應性，因此廣泛用于各個領域的堵漏防水工程[1]。我國現在的高鐵發展較快，其中橋梁在高鐵專線中的占比較大。因此把防水層設置在橋梁混凝土橋面，能夠較好地阻止水滲入到橋面結構中，減少鋼筋出現生銹，混凝土出現老化的情況，提升混凝土結構的耐久性。為了提升高鐵的運行壽命與安全，我國對黏接卷材的聚氨酯涂料的斷裂伸長率≥450%，拉伸強度≥3.5MPa；使用在防水層中的聚氨酯防水涂料的斷裂伸長率≥450%，拉伸強度≥6.0MPa。但是通常的防水層都需要聚氨酯防水涂料的拉伸強度要大于2.45MPa[2]。

1 研究內容

1.1 制備工藝

A 組分：根據配方在三口燒瓶中計量加入聚醚多元醇，開啟攪拌，溫度升高至110～120℃，-0.1MPa 下真空脫水1.5～2h，降溫至60℃以下，分批添加TDI，再次升溫至75～80℃反應2～3h。待到反應完全進行后，降低溫度并予以30min 真空脫泡，出料，即可獲得聚氨酯預聚體，通常稱其為A 組分。

B 組分：將粉狀填料、氯化石蠟、MOCA 加入三口燒瓶中，開啟攪拌，溫度升高至110～120℃，-0.1MPa 下真空脫水1h。降溫至80℃以下，保持攪拌加入消泡劑與辛酸亞錫，降溫出料，就可以獲得固化劑B 組分。

1.2 力學性能測試

根據我國的《聚氨酯防水涂料》標準，把A、B 兩組分根據比例進行混合，分2～3 次完成涂膜，得到厚度為（2±0.1）mm 的涂膜。涂膜在常規實驗環境中養護168h（濕度（50±5）%，溫度（23±2）℃）后進行力學性能測試。

2 研究結果

2.1 預聚體內聚醚比例對涂膜性能的作用

方法：在研究內確保B 組分配方與-NCO 的含量保持一致，只變化預聚體內各聚醚間的質量比。通過實驗可知，隨著合成預聚體的三官能度聚醚質量的提升，也使得涂膜的撕裂強度和拉伸強度提升，但斷裂伸長率卻為減弱的趨勢。同時，在預聚體中二官能度聚醚的相對分子質量的提升也會使得涂膜的斷裂伸長率變大。綜上，在設計預聚體配方時，三官能團聚醚與兩官能團聚醚的比例為1∶2 時，涂膜的性能優異。

2.2 -NCO 對涂膜性能的作用

方法：在研究的過程中，確保B 組分不會出現改變，分析A 組分內-NCO 質量分數對聚氨酯防水涂料總體水平的影響。通過研究顯示，由于-NCO 含量的提升，會使得涂料的斷裂伸長率慢慢減弱，而撕裂強度與拉伸強度卻逐步提升。其原因為，隨著-NCO 含量的提升，會出現更多的剛性鏈段，過多的剛性鏈段會使得涂料的伸長率減弱，總體性能下降。相反地，如果-NCO 含量減少，那么就會出現更多的柔性鏈段，過量的柔性鏈段會使得拉伸強度減弱。所以，能夠按照多種設計需求來挑選適宜的-NCO 含量。所以，在研究中使用的-NCO 質量分數最好保持在約7%的設計值。

2.3 B 組分變化對涂膜性能的作用

方法:在研究時確保A、B 中的多個成分質量相同，且只調整B 組分中的聚醚種類。通過研究能夠發現，隨著B 組分中兩官能團聚醚相對分子質量的提升，撕裂強度與拉伸強度沒有明顯的改變，而斷裂伸長率逐步變大。相比之下，三官能團聚醚所得到涂料其斷裂伸長率減弱，撕裂強度與拉伸能力更佳。通過研究了解到，自制的高相對分子質量聚醚多種性能十分優越。其原因是由于自制的聚醚羥值約22，相對分子質量較大。且在設計分子的過程中，首選雙金屬催化劑，通過這種方式獲得的聚醚相對分子質量分布較窄，獲得的產品總體性能更好[3]。

2.4 填料的添加量和種類對涂膜性能的作用

添加固體填料能夠優化涂膜性能、降低產品的成本。大多數情況下固體顆粒的粒徑要小，大約為800 目。通常使用的調料有滑石粉、絹云母粉、輕質碳酸鈣等。本次研究挑選絹云母粉和輕質碳酸鈣作為填料。在研究時，保持配方的統一，只是變化填料的添加量與類型，分析其對涂膜性能的作用。詳細資料詳見表1。

通過表1 能夠發現，隨著填料的加入量越來越多，撕裂強度與拉伸強度表現為增加的趨勢，其原因是在低含量的范圍中，粉狀填料的效果是填充，解決涂膜的問題，使得膜片變得更為致密，所以撕裂強度與拉伸強度就慢慢變大。但由于添加量的逐步提升，聚氨酯分子鏈內加入了大量的填料，破壞了分子鏈的規整性，因此拉伸強度也表現為了減弱的趨勢。相比于云母粉與輕質碳酸鈣，如果防水涂料是使用后者作為填料，那么其撕裂強度與拉伸強度都與使用云母粉作為填料的防水涂料相當，但是斷裂伸長率要小得多。其原因是由于云母粉擁有明顯的層狀硫酸鹽結構，表現為細小鱗片狀，能夠使得材料的層間滑動變得更佳。通過研究能夠得出，添加的填料保持在約30%是最合理的。

表1 填料添加量與類型對涂膜性能的作用

3 結語

本研究采用MOCA、TDI、聚醚多元醇來制備性能較高的高鐵專線專用聚氨酯防水涂料。分析了填料的添加量與填料種類、B 組分中聚醚種類、預聚體中的聚醚占比、-NCO 含量等對涂膜性能的作用。通過研究顯示，在設計預聚體配方的過程中，兩官能團聚醚與三官能團聚醚的比例為2∶1，且-NCO 的質量分數保持在約7%時的涂膜效果更佳。通過研究還了解到，自制的聚醚因為分布較窄且相對分子質量較高，因此多項性能十分優越，且確保填料的添加量在約30%時是最為合理的。