杨阳，徐茂震

（1.中铁十六局集团铁运工程有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.北京东方雨虹防水技术股份有限公司，北京 101309）

铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材的研究及应用

杨阳1，徐茂震2

（1.中铁十六局集团铁运工程有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；
2.北京东方雨虹防水技术股份有限公司，北京 101309）

简要概述RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材，系统深入分析了其在生产过程中对基质沥青、SBS、稳定剂及胎基等原材料的选择，高聚物改性剂与基质沥青配伍设计及其在铁路桥涵防水工程中的应用。

改性沥青防水卷材；铁路桥涵；工程应用

0 前言

随着我国经济的快速发展，铁路隧道建设数量有了较快增长。然而全国铁路隧道中有60%以上的隧道衬砌结构出现渗漏，不仅降低混凝土衬砌的耐久性，而且加速钢轨和扣件锈蚀，损害道床和基础，影响路基稳定，恶化隧道环境。在寒冷地区，由于隧道漏水路面结冰，顶部产生冰柱，严重影响隧道的正常使用。在电气化线路上，隧道渗漏水则是危及电力机车、车辆安全运行的隐患。因此，防水及渗漏水问题是目前铁路建设最为突出的通病，也是铁路工务工程部门较为棘手的问题之一。

铁路桥涵防水是一个系统工程，防水材料的类型与质量、防水结构的设计形式、施工技术、配套材料、施工机具的性能以及地质与环境条件都与最终的防水效果密切相关。铁路隧道防排水基本上是基于三方面的要求，一是铁路运营要求，二是外部环境要求，三是结构自身耐久性要求。铁路隧道防排水思想已由过去的“以排为主”转变为“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”。与土木建筑相比，铁路桥面防水层将遭受到更多形式的破坏，最常见的缺陷是局部出现破损点。桥面防水层遭到局部破坏后，如果防水层与桥面混凝土的粘结附着经不住水的长期浸润而出现脱落，脱落面就会不断地扩大而出现一定面积的空鼓，防水层下出现积水，在行车动荷载作用下，积水会产生脉冲水压，这种往复作用的压力会引发防水层的脱落面迅速扩大，对混凝土也极具溶蚀破坏作用[1-3]。因此，铁路桥涵对防水材料提出了更高的防水要求。

铁路桥涵用防水材料已从纸胎石油沥青油毡型单一产品，发展成档次、品种、功能均较齐全的防水材料系列产品，包括改性沥青防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料、建筑密封材料、刚性防水堵漏材料等。其中增长较快的是改性沥青防水卷材，目前已经成功开发出铁路桥涵专用的RWB-801高聚物改性沥青防水卷材。本文将对该防水卷材的开发，从原材料的选择、配方设计优化及防水设计构造等方面进行系统深入研究。

1 实验

1.1 原材料

AH-90#基质沥青，锦州石化减三线油；线型SBS，星型SBS；紫外线吸收剂；稳定剂；矿物粒料。

1.2 仪器与设备

高剪切混合乳化机BEM100L；876-1型真空干燥箱；LYY-9A型和LYY-8型调温调速沥青延伸度测定仪；WSY-025A智能型沥青软化点测定仪；WSY-026数显式沥青针入度测定仪；SD-0625沥青布氏旋转黏度计；DW-03A超级低温恒温器等。

1.3 性能测试与表征

软化点：采用软化点测定仪表征沥青的耐高温性能；延度：采用延度仪测定延度大小，表征沥青的拉伸性能；针入度：采用针入度测定仪表征沥青的强度及硬度；石油沥青组分：采用沥青四组分测定仪分析各组分，用于表征沥青的物理性能；布氏黏度：采用布氏黏度仪测定黏度大小，用于表征沥青的流动性能；弹性恢复：采用延度仪测定表征沥青弹性恢复性能；荧光显微镜分析：用于表征改性沥青中改性剂颗粒的分布状态及相转变浓度的定性分析。

2 结果与讨论

RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材是专门为铁路混凝土桥梁防水层研究设计的特种产品，其以特殊加工的长纤聚酯无纺布为胎基，以SBS、特种高聚物改性剂及稳定性复合配比制成的高聚物改性沥青为浸渍和涂盖材料，两面覆以细砂隔离材料所制成的一种超高性能改性沥青防水卷材，其物理性能如表1所示，与普通的改性沥青防水卷材相比，具有优异的抗剪切性能和抗疲劳性能。卷材特殊表面设计让后期浇筑的水泥混凝土保护层获得良好的改性沥青-石英砂-硅酸盐粘结结合界面，从而获得良好的界面结合强度和抗剪切性能，具有与混凝土结构基层粘结附着性能好，耐久稳定的特点，能够有效承受、传递交通荷载，能够有效抵御施工过程、运行使用过程中的机械损伤，确保桥梁钢筋混凝土结构得到持久有效保护。

表1 RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材的物理性能

2.1 原材料选择

2.1.1 基质沥青

选择用于改性沥青防水卷材的基质沥青应从以下2个方面进行考虑：（1）从原油组分上，最好选择环烷基石油沥青，其次选用混合基石油沥青。在SBS改性沥青过程中，SBS与基质沥青的配伍性很重要，其主要由基质沥青的组分决定。环烷基石油沥青含蜡少，具有良好的粘结性和热稳定性，改性效果好，可显著提升SBS改性沥青的低温柔性和延伸率。（2）在SBS改性沥青防水卷材加工生产过程中，基质沥青的质量通过检验针入度、软化点和延度进行控制。因此，在油源不变的情况下，如果发现基质沥青的针入度、软化点和延度发生较大变化时，则表明基质沥青的组分发生了变化，在配制SBS改性沥青涂盖料时，应适当调整SBS改性剂与基质沥青的配比。RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材中选择优质AH-90#沥青，其性能及成分如表2所示。

表2 AH-90#沥青的主要成分及性能

2.1.2 SBS改性剂

SBS具有多相结构，在高温下呈塑性，易与沥青共混，分为四臂星型结构和嵌段线型结构[4]。表3为星型SBS与线型SBS性能对比分析，星型SBS是由PS段（聚苯乙烯链段）与PB段（聚苯丁二烯链段）交联形成四臂星形结构，而线型SBS是由PS段与PB段不发生交联形成嵌段线型结构，改性沥青防水卷材的性能与SBS的结构构型密切相关。在SBS改性沥青过程中，与线型SBS相比，星型SBS能够进行星型支化，其PS段间的相互作用形成物理架桥，其改性沥青分子链段间的作用力高于线型SBS改性沥青，使星型SBS改性沥青的强度和高温稳定性高于线型SBS改性沥青；并且星型SBS改性沥青的模量高于线型SBS，使星型SBS改性沥青比线型SBS改性沥青具有更优异的弹性性能和低温性能[5]。然而，与星型SBS相比，线型SBS更容易与基质沥青相容，颗粒均匀分布，形成交织空间网络结构，线型SBS相与沥青相都是连续的两相连续结构，而星型SBS在沥青体系中颗粒分布不均匀，呈岛状分布，线型SBS相是分散相，而沥青相是连续相的单相连续结构。

表3 星型SBS与线型SBS性能对比分析

因此，为了满足铁路桥涵防水的特殊要求，在RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材中选择星型SBS用于改性沥青。

图1为星型SBS掺量与改性沥青软化点、5℃延度、25℃针入度及25℃弹性恢复性能的关系。

图1 SBS掺量与改性沥青软化点、5℃延度、25℃针入度及25℃弹性恢复性能的关系

由图1可见，一定范围内，改性沥青涂盖料的软化点和5℃延度随SBS掺量的增加而增大，从而提高了改性沥青防水卷材的耐热性、拉伸性能及剪切状态下的延伸性能；当SBS掺量超过7%时，改性沥青的软化点升高趋势明显变缓，5℃延度逐渐下降。改性沥青涂盖料的25℃针入度随SBS掺量的增加而降低，从而提高改性沥青防水卷材的抗穿孔性；在一定范围内，25℃弹性恢复随SBS掺量的增加而增强，从而提升改性沥青防水卷材的撕裂强度及热尺寸稳定性；当SBS掺量超过5%时，弹性恢复性能随之降低。因此，在改性沥青涂盖料的制备过程中，对SBS掺量严格控制在5%～7%。

2.1.3 稳定剂

SBS与基质沥青在组成和性质上存在很大的差异，无论在两者的分子质量、溶解度参数还是极性方面都有很大的不同，可以通过添加富含饱和分与芳香分的减三线油来提高SBS与沥青的相容性，但在高聚物改性沥青体系中存在离析，导致改性沥青体系质量的不稳定性。因此，在高聚物改性沥青体系中添加稳定剂，其目的是对改性沥青进行化学改性。稳定剂在高聚物改性沥青体系中，一方面能够引发SBS之间发生交联反应形成稳定的空间网状结构，另一方面能够引发SBS与沥青之间发生反应生成SBS接枝物，防止SBS与沥青的相分离。因此，稳定剂的引入能够打开SBS与沥青中的双键并使其连接起来，从而起到防止高聚物改性沥青体系离析的作用。图2为未添加及添加稳定剂的SBS改性沥青体系的微观形态。

图2 SBS改性沥青体系微观形态

由图2可见，在高聚物改性沥青体系中，稳定剂的加入能够降低SBS与沥青界面层的表面张力，提高SBS与沥青之间的亲和力与相容性，从而改善SBS在改性沥青体系中的微观形态。同时，稳定剂的加入促使沥青中的一些组分及SBS之间发生交联反应，使高聚物改性沥青体系中SBS与基质沥青之间形成一层比较厚的相界面吸附层，从而提高了高聚物改性沥青的黏度，使高聚物改性沥青网络结构的内聚力增强，稳定性更好，能够更好地抵抗外力作用，而横向切应力基本不变，最终显著提升改性沥青的质量稳定性及高聚物改性沥青防水卷材的强度。

图3为稳定剂掺量与改性沥青5℃延度及25℃弹性恢复性能的关系。

由图3可见，在改性沥青涂盖料体系中，稳定剂的掺入对改性沥青的5℃延度及25℃弹性恢复具有关键作用。改性沥青的5℃延度及25℃弹性恢复性能随稳定剂掺量的增加而提高，从而进一步提升改性沥青防水卷材的抗穿孔性、剪切状态下的延伸性能及热尺寸稳定性，从而使RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材具有区别于普通防水卷材的防水特性，使其适用于铁路专用桥涵防水工程，并表现出优异的施工应用性能。

图3 稳定剂掺量与改性沥青5℃延度及25℃弹性恢复性能的关系

2.1.4 胎基

胎基作为改性沥青防水卷材的骨架，使改性沥青防水卷材具有一定的形状、强度和韧性，从而保证改性沥青防水卷材在施工过程中的铺设性和防水层的抗裂性，从而起到工程防水的作用。其质量的优劣直接影响改性沥青防水卷材的防水效果，在外观上要求表面平整、无杂质和凸块，厚度均匀一致，无孔洞、无残边；要求具有一定的抗拉强度；对改性沥青涂盖料具有一定的粘结性，对浸渍材料具有一定的吸收能力；含水量较低；能够承受在卷材生产过程中改性沥青涂盖料的温度，使胎基纤维不受损伤。

高聚物改性沥青防水卷材所用胎基分为聚酯胎和玻纤胎2种，其中聚酯胎以涤纶纤维为原料，采用针刺法经热粘合或化学粘合的方法生产的非织造布，主要有聚酯长丝无纺布和聚酯短丝无纺布，其特点是抗拉强度高、抗老化、耐高温、耐腐蚀、延伸率大、热稳定和浸透性好；聚酯胎改性沥青防水卷材的耐穿刺性、抗撕裂强度及剥离强度均比玻纤胎改性沥青防水卷材高，在防水施工及维护过程中更易抵御硬物的根刺；聚酯长丝无纺布的抗拉强度明显大于聚酯短纤无纺布。而玻纤胎以中碱或无碱玻璃纤维为原料单丝均匀无规排列，并用粘合剂湿法成型的薄胎或加筋薄胎，其特点是耐腐烂、稳定性优异、生产能力大、价格便宜，但延伸率和强度较低。由于其表面的石蜡浸润剂会妨碍沥青与玻纤胎之间的粘附性，同时玻纤胎中所含的粘结剂经改性沥青涂盖料的高温作用失去一定的效能。因此，玻纤胎改性沥青防水卷材的强度主要依靠附着在纤维表面和渗入到单根纤维之间的沥青，起着紧密连接和限制相互滑动的作用[6-7]。因此，在RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材中选用聚酯胎基。

2.2 高聚物改性剂与基质沥青的配合比

高聚物改性沥青网状结构形成是高聚物吸附、溶胀、发生相转变的过程。在高聚物改性沥青过程中，高温下的高聚物吸附沥青中的轻组分，并产生溶胀、体积扩大，链增长，当高聚物的量达到一定值时，溶胀后高聚物的体积达到连续相所需要的体积时，体系就发生了相转变。一般情况下，高聚物与沥青是在温度较高的状态下进行混合，可能出现以下情况：（1）沥青与高聚物是完全的非均相体系，高聚物与沥青之间是完全不相容的，制备好的改性沥青离析相当严重，稳定性也不好，可以认为沥青与高聚物的配伍性太差，这种体系根本不适合改性沥青使用。（2）沥青与高聚物是分子水平的均相体系，此时高聚物完全溶解于沥青中也可称为完全的互溶体系，在这种体系中，由于沥青中的油分完全溶解了高聚物，导致高聚物分子间的作用遭到破坏，此时形成了绝对稳定的混合物，这种体系只有混合物黏度略有增加，而其它的性能并没有提高，该体系虽然很稳定，但是用作改性沥青并不合适。（3）沥青与高聚物是显微的非均相体系，在此体系中沥青或者高聚物分别形成了连续相，高聚物吸附沥青中的轻组分，如饱和分和芳香分充分溶胀后体积增大数倍，溶胀分散在沥青中或者形成高聚物连续相，而其它轻组分则分散在高聚物连续相之间，此种体系中沥青的高温性能和低温性能得到很大的提高。虽然该体系不是传统意义上的热力学不相容体系，但却是我们用作改性沥青的理想相容体系[8-10]。因此，沥青与高聚物的相容是指高聚物吸收沥青中的轻组分（饱和分和芳香分）后充分溶胀并分散形成高聚物连续相或者沥青连续相的分散体系。

高聚物作为沥青改性剂用于改性沥青防水卷材，必须具备3个条件：（1）与基质沥青具有较好的相容性；（2）不会显著增加沥青黏度；（3）显著提升沥青的高低温性能及耐久性。在高聚物改性沥青过程中，对高聚物掺量具有严格的要求，若掺量低于5%，沥青呈连续相，高聚物分散在沥青中，被沥青固结在小区域内形成海岛结构，此时高聚物改性沥青防水卷材主要体现沥青的性能，高聚物对沥青的改性效果并不明显；若其掺量高于15%，高聚物呈连续相，沥青分散在高聚物连续相中，导致高聚物溶胀性能降低，与沥青之间的界面作用力下降，高聚物分子间的相互作用力增大而相互融合，使沥青体系中的高聚物微粒尺寸增大，从而发生相分离，降低沥青体系的流动性，最终不利于高聚物改性沥青防水卷材的加工生产；当高聚物掺量为5%～15%时，才能使高聚物形成三维空间网络结构包围沥青，从而对沥青起到显著的改性效果，既降低了沥青的脆性，改善了沥青的弹塑性、延伸性、耐老化性、耐高低温性能，又保持了高聚物的高弹性。因此，在高聚物改性沥青防水卷材配方设计时应综合考虑各种影响因素，在保证卷材质量稳定的前提下进行合理调整。

3 工程应用

RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材已经成功在山东胶济线24 mT型预制梁、武广客运专线涵洞及郑西线32 m预制梁上进行了施工应用。根据对不同工程环境的防水施工可以看出，RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材适用于铁路混凝土有砟桥道砟内和无砟桥的桥面防水、桥梁的桥面防水，涵洞、隧洞以及公路混凝土桥的桥面防水，对耐低温性能有超高要求的桥面防水，并且具有如下优势：

（1）优异的耐水性：在长期浸蚀下性能不衰减，在0.4 MPa压力水作用下不被穿透。

（2）拉伸强度高，延伸率大：抗基层收缩、变形、开裂能力强；在混凝土桥面板受应力作用出现裂缝时，具有依从性。

（3）优异的耐高低温性能：产品在-35℃下弯曲不断裂，120℃高温不变形，通常可在-20～60℃正常使用，而在-60℃下仍保持韧性和防水功能。

（4）超高的力学性能和较大的厚度：赋予卷材优异的耐疲劳性和抗施工损伤性；在负荷以下，以50 Hz频率反复作用2000万次，卷材无裂纹。

（5）优异的尺寸稳定性：在80℃加热168 h，尺寸变化率在±0.5%内。

（6）耐老化、耐冻盐、耐酸碱等化学作用，耐霉菌、耐久寿命长。

（7）优异的粘结性能：热熔法施工，与基层粘结牢固且耐久，在200万次反复压力和拉力作用下，粘结层无开裂，能有效抵抗行车的负载。

根据铁路桥梁桥面体系一般设计方法（见图4、图5）。桥面体系构造中均在防水层上设置一层现浇混凝土保护层，由于混凝土保护层直接迎对雨水界面且混凝土是透水性材料，这种有机材料的防水层-无机材料之间很难形成分子化学键的界面，很快就会发生“浸泡剥落”，特别是承受交通动载的桥面，界面间传递交通剪切荷载依靠的是界面间的摩擦力，因此保护层的整体性能及抗裂性能非常重要。RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材的特殊细砂覆面设计即是为后期混凝土保护层提供一个沥青-砂-水泥混凝土的界面条件。这个界面能够为桥面体系提供良好的有机-无机高粘结力界面，也为后期通车运行提供良好的抗剪切界面——有限粗糙摩擦面。这个界面一方面能够提供足够的摩擦力，另一方面在发生剪切变形过程中不会损伤下面的防水涂层。

图4 铁路桥涵防水工程细部构造

图5 铁路桥涵防水工程细部构造

4 结语

RWB-801铁路桥涵专用高聚物改性沥青防水卷材在铁路桥涵工程防水中表现出优异的防水性能，高聚物改性沥青涂盖料集防水与粘结功能于一身，材料功能的统一有利于防水层的性能稳定，并且工程造价在合理范围内，可广泛应用于铁路桥涵各个防水部位，具有广阔的市场前景和显著的经济效益。

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Study on the application of polymer modified asphalt membrane in railway bridges and culverts

YANG Yang1，XU Maozhen2
（1.China Railway 16th Bureau Group Railway Engineering Co.Ltd.，Ordos 017000，Inner Mongolia，China；
2.Beijing Oriental Yuhong Waterproof Technology Co.Ltd.，Beijing 101309，China）

This study briefly demonstrated the product of RWB-801 polymer modified asphalt membrane in railway bridges and culverts，and thoroughly discussed the selection of raw materials（matrix asphalt，SBS，stabilizer and basic tyre）and the mixture design between polymer and matrix asphalt in the process of modified asphalt membrane.Besides，the application in the railway bridges and culverts was further illustrated.

modified asphalt membrane，railway bridges and culverts，application

TU57+3

A

1001-702X（2015）04-0059-06

2014-11-27

杨阳，男，1990年生，宁夏银川人，工程师。