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我国目前铁路运营线路总里程达70000km，桥梁有4万余座，约2500km，其中大部分为钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁，占桥梁总长90%以上，而钢桥占7%左右。由于我国铁路钢桥一般都使用明桥面，所以铁路混凝土桥面一般做防水处理，而钢桥在上盖板采用耐磨涂料进行防腐保护。

铁路混凝土桥梁桥面的防水体系

在1990年代初期以前，我国铁路混凝土桥面一直沿用沥青油毡叠层防水体系（即“三毡四油”、“两毡三油”等）。铁道部于1987年、1988年先后颁布了行业标准《铁路混凝土桥梁桥梁桥面“二布三涂”冷作防水层技术条件》（TB 1933.1-1987）、《铁路混凝土桥梁桥面“薄膜加筋”冷作防水层技术条件》（TB 1933.2-1987）和《铁路桥涵施工规范》（1988年版），对桥面防水做出了规定。

防水层是在现场逐层铺设，沥青质量的好坏、施工单位重视程度的高低等因素，都会直接影响防水层的防水效果。由于各种原因，使当时的混凝土桥面防水层质量比较差，造成我国许多既有铁路桥梁出现防水失效的现象，严重影响了结构的耐久性。

1996年铁道科学研究院主持研制了氯化聚乙烯防水卷材与聚氨酯涂料共同构成的TQF-1型混凝土桥面防水层，在1999年制定了《铁路混凝土桥梁桥面TQF-1型防水层技术条件》。该类型防水层由1.2mm的防水卷材和厚度为1.5mm的防水涂料组成。目前，该防水体系在新建铁路混凝土桥梁中普遍使用，防水效果较原沥青类防水有所改善。

根据我国铁路中长期发展规划，到2020年我国路网总里程将达到100000km，新建的客运专线和高速铁路总里程达12000km。由于客运专线和高速铁路中桥梁比例大，因此如何提高桥梁的质量是保证客运专线成功运营的关键问题之一。为此，为保证客运专线桥梁的耐久性、满足桥梁工程100年使用寿命的要求，于2005年8月颁布了《客运专线桥梁混凝土桥面防水层暂行技术条件》。目前我国混凝土桥面的防水层结构型式简图如图9-1-1所示。

铁路钢桥桥面的防腐防水体系

钢桥的桥面型式分为两种，一种是明桥面，我国铁路钢桥较多使用的是明桥面，如图9-1-2、图9-1-3所示。

从示意图可以看到，明桥面钢桥的轨枕是直接放在纵梁的上盖板上，没有桥面。它们一

般不进行防水保护处理。目前对这种桥的上盖板部位只是进行防腐保护，在铁道行业标准


TB/T 1527


－


2004


《铁路钢桥保护涂装》中的第


2


涂装体系，对其进行了详细规定，即电弧喷铝层


200μm+


环氧类封孔剂


20μm+


棕黄聚氨酯盖板底漆


100μm


和灰聚氨酯盖板面漆


160μm


组成的体系。该体系的优点是具有良好的防腐蚀和耐磨性能。

正交异性钢桥桥面是另一种结构型式，如图9-1-4所示，在行车荷载作用下，它可使纵向加劲肋、横向加劲肋（或横隔板）、桥面盖板和铺装层组成共同受力的整体。这种设计由于具有结构合理，可减轻恒载，改善桥面的行车性能，因而在客运专线上钢桥桥面开始采用这种结构形式。

正交异性钢桥作为公路桥，最早使用于1948年在原联邦德国的多依茨桥，从1960年代开始陆续使用。随后，作为铁路桥，在欧美日诸国也得到应用，其优越性也逐渐得到普遍承认。

三茂线北江大桥是一座公铁两用桥梁，其公路桥面是我国第一次采用正交异性桥面结构，该桥于1984年通车。

我国铁路最早采用正交异性桥面系的钢桥是1992年在上海铁路局淮南复线某桥上使用，该桥是有砟桥面，由宝鸡桥梁厂生产。采用的防腐防水体系为：两道环氧富锌底，漆，四道环氧沥青胶液，三道玻璃布，总厚度1mm。桥梁架设后，在保护层上铺设10cm后的水泥砂浆，然后铺设道砟和安装轨枕。

国内外部分钢桥面防护体系

钢桥面防护体系一般都是用在公路领域，在铁路钢桥方面只有前面提到的淮南某桥外，尚没有看到这方面的资料报道。公路钢桥面从铺装材料和施工方法角度来分，目前世界上主要采用的钢桥面铺装方案有4类：

（


1


）以德国、日本为代表的高温拌合浇筑式沥青混凝土方案；

（2）以美国为代表的环氧沥青混凝土方案；

（3）德国和日本等国近期采用的改性沥青SMA方案；

（4）以英国为代表的沥青玛蹄脂混凝土方案。

我国公路钢桥面保护一般是先进行防腐处理，然后铺装防水层和沥青混凝土。如武汉香港路立交桥采用的方案为：环氧富锌防锈漆＋环氧沥青漆＋80mm钢纤维混凝土＋防水层+乳化改性沥青＋50mmSMA-13改性沥青混凝土；广东中山一桥采用的方案为：环氧富锌防锈漆＋改性沥青热油涂布＋玻璃纤维格栅＋改性乳化沥青粘层＋40mmSMA10混合料＋40mmSMA13改性沥青混凝土等。表9-1-1是国内外部分钢桥面铺装结构组合形式。

钢桥面板防腐、防水试验

正交异性钢桥面钢板的关键是耐久性设计，即钢桥面板如何防止进入道砟的水侵入到钢桥面上，引起钢桥面板的锈蚀，确保在预定的设计周期内桥面板能正常工作。由于以前国内在钢桥面板上进行防腐和防水技术和材料方面没有进行系统的研究，因此结合福厦铁路采用的钢系拱桥实际工程以及国外一些经验和新材料，进行了钢桥桥面防腐和防水试验研究，旨在解决实际问题的同时，为今后我国铁路类似钢桥的桥面防护积累技术经验。

桥面防腐材料——环氧富锌防锈漆的研制

涂料作为金属防腐蚀、延长金属结构使用寿命方法已在人们生产生活中得到了非常广泛的应用并起者很重要的作用。防锈底漆按防锈原理一般分为3种类型：

第一类，物理屏障型防锈底漆

常用的铁红底漆、云母氧化铁底漆、铝粉漆等就是属于物理屏障型防锈漆，它们的防锈颜料具有良好的物理屏蔽作用，减缓或阻止有害介质与金属表面的接触。

第二类，钝化磷化膜型防锈底漆

这类底漆通过其中的防锈颜料，在金属表面形成化学稳定的钝化膜或磷化膜，从而有效地阻缓膜下金属的进一步腐蚀。例如，红丹防锈底漆、磷化底漆、磷酸锌防锈底漆等，都具有优良的防锈性能。

第三类，阴极保护型防锈底漆

阴极保护型防锈底漆一般是指富锌底漆，它分为环氧富锌底漆、无机富锌底漆两种，其中无机富锌底漆又分为溶剂性和水性。由于Zn的电极电位值是-0.763V，比Fe的电极电位值（-0.409V）更低。当富锌底漆中Zn的含量足够大时，即在钢表面形成一层锌粉膜，并与钢表面紧密接触，这样，Zn成为阳极，被腐蚀，Fe则为阴极而得到保护。

在上述这3种防锈底漆中，以第三类防锈底漆的防锈效果最好，富锌类防锈底漆除具有前两类底漆的防锈作用外，在涂层由于撞击等原因出现破坏时，对破坏处的金属表面仍有保护作用，因此，目前在钢结构涂料重防腐体系中，防锈底漆一般都采用富锌类底漆。

环氧富锌防锈漆作为目前铁路钢梁保护涂装第5、6、7体系中的底漆，从1993年鉴定到1996年在铁路钢桥推广至今，已先后在芜湖铁路长江大桥、长东黄河铁路二桥、乌海黄河铁路大桥、柳江大桥、武汉长江大桥、万州长江大桥等得到使用，使用效果很好。

环氧富锌防锈漆在国内外钢结构防腐保护中作为底漆也已屡见不鲜，并都表现出了很好的防锈效果。如日本NKK公司等在日本濑户内海地区新两国大桥桁梁上进行的长期防锈涂层试验，经过20年的试验，环氧富锌防锈漆与其它涂料配套使用，防锈效果良好；日本钻井有限公司的Hakuryu（II）半潜式钻井平台支架下部使用环氧富锌防锈漆迄今已用了8年，防锈效果良好。在我国，化工行业标准中已将环氧富锌防锈漆作为了钢结构长效防锈体系的配套底漆；上海的南浦、杨浦大桥用环氧富锌防锈漆作为底漆等。

环氧富锌防锈漆在钢桥上使用，一般都是作为防锈底漆用在钢桥主梁的外表面，相对钢桥面部位在使用过程中一旦出现破坏容易被发现，比较容易维修，同时近今年通过对我国主要生产厂家的质量检验发现，大多数厂家生产的环氧富锌防锈漆质量不稳定，盐雾试验在短时间内就出现起泡现象，影响防锈效果，因此有必要对环氧富锌防锈漆的配方进行研究，进一步提高耐腐蚀性能，提高钢桥面的抗腐蚀性能，延长使用寿命。

(


一) 锌粉含量的影响

环氧富锌防锈漆主要成膜物质是环氧树脂和锌粉，由于环氧树脂本身特性决定了它对钢表面具有极强的附着力，而锌粉的含量则对涂层的防锈性能有很大影响。我们通过实验室实验研究了锌粉含量对环氧富锌漆防锈性能的影响程度，表9-2-1是锌粉含量对环氧富锌漆涂层的耐盐水性能的影响结果，表9-2-2是锌粉含量对环氧富锌漆涂层的耐盐雾性能的影响结果。

从表9-2-2可以看出锌粉含量低时（如70%），因锌粉颗粒不能形成完整的锌粉层，锌粉的阴极保护作用不明显，盐雾实验只进行24h，在面板划痕处就出现了红锈。随着锌粉含量的增加，其阴极保护作用增强，但锌粉含量高，其防锈性能未必优异，由于树脂量减少，使得只有少量的树脂包裹在锌粒的表面，不能在锌粉质点周围形成一个连续相，这样富锌涂层与金属表面的附着力相对减小，当涂层中的锌粉腐蚀时，体积就会增大，最后导致涂层起泡。因此环氧富锌防锈漆中的锌粉含量在80%时防锈性能较好，一般不应低于70%。美国的D.E.floyd等[2]在佛罗里达州海洋中的潮差区内，对各种环氧富锌底漆进行暴露试验，经过一年实验，也得出了类似的结果。

(


二) 固化剂的影响

目前制备环氧富锌涂料采用的树脂一般都是双酚A型环氧树脂，通过选用不同的固化剂，与之发生固化反应，形成涂层。环氧涂料的固化一般是环氧基与多元胺类固化剂的常温加成反应，首先是伯胺与环氧基反应，本身生成仲胺，再进一步与环氧基反应生成叔胺，最后形成交联网络结构。

环氧涂料的性能随固化剂种类不同有很大的差别，通过选用不同的固化剂可改善涂料的低温、潮湿条件下的固化性能以及固化后的力学性能和耐蚀性能等，如胺类固化剂提高涂料的耐碱性、酸酐固化剂提高涂料的耐酸性等。

常用的常温固化剂主要有以下几种：

（1）脂肪胺类常温固化剂

该类固化剂包括脂肪族多元胺和脂肪族多元胺与环氧树脂的加成物。由于单纯的脂肪族多元胺刺激性较强，影星人体健康，且由于活泼氢当量很低，配制涂料时称量必须准确，因此常常将脂肪族多元胺与少量环氧树脂反应，用该反应物作为固化剂，避免了直接采用脂肪族多元胺的一些弊端，但此时固化剂的用量较大，配制涂料时仍需准确称量，否则漆膜性能会受到较大影响。

（2）低分子量聚酰胺固化剂

该类固化剂由不饱和脂肪酸加热聚合成为二聚酸，再与多元胺缩合而成。与脂肪胺类固化剂相比，该类固化剂与环氧树脂的配比不苛刻，漆膜韧性、附着力和耐水性能优异，但漆膜的耐溶剂性能稍差，固化速度慢，在温度低于15℃时，漆膜便不能很好的固化，往往需要加入固化促进剂，才能正常使用。常用的牌号有650、651等。我国铁路钢桥保护使用的环氧富锌防锈漆要求采用此类固化剂。

（3）酚醛类固化剂

该类固化剂一般由苯酚、甲醛和多元胺缩合而成，与上述两类固化剂相比，该类固化剂与环氧树脂配比不苛刻，固化速度适中，漆膜的机械性能和耐化学药品性能更加优异，在低温下也可以固化，漆膜的耐水性能略低于聚酰胺固化剂，漆膜较脆，气味也较大。常用的牌号有T31、701等

（4）天然长链取代酚醛胺

天然长链取代酚醛胺是由天然腰果壳油为主要原料合成。目前主要生产商为美国公司。由于其分子结构既含有脂肪族二元胺端基，又含有弱酸性的酚羟基，以及带有不饱和双键的C15直链，这种独特的分子结构使该类固化剂比上述几类固化剂具有更好的综合性能。常用的牌号有2003、2015、115等

弱酸性的酚羟基，能催化脂肪二元胺端基与环氧基的低温快速固化。苯环上的C15直链取代基，降低了环氧树脂体系的表面能，使它比含低分子量聚酰胺的环氧树脂体系有更低的表面张力，从而提高了环氧树脂涂料在被涂表面上的流动性和对被涂表面的附着性。憎水性极好的长碳链以及抗化学腐蚀的苯环结构，使固化后的环氧树脂体系比其它体系具有更好的耐水性和耐腐蚀性。长碳链上的不饱和双键，使这种固化剂的粘度比相同分子量的其它固化剂要低，并且提高了分子链在低温下的流动性，从而提高了低温固化速度。它的独特结构，使它在环保型、高性能、快速固化等的重防腐环氧树脂涂料中得到应用。

对上述三种有代表性的固化剂，分别与环氧树脂按照使用说明的配比用量，进行了机械性能和耐盐水性能的测试，结果见表9-2-3和图9-2-1。

涂层的耐盐水性能，是评价涂层防腐性能好坏的一项指标，我们通过对三种涂层在不同温度下涂层重量的变化来比较性能优劣，重量变化大表示耐水性能差，从图5中可以看出115牌号的涂层在不同温度下的耐水性能最好。

(三) 环氧富锌防锈漆的配方研制和性能测试

通过上述分析和比较，可以看出天然长链取代酚醛胺固化剂的综合性能高于其它类型固化剂。通过大量试验，对原铁路钢桥用环氧富锌防锈漆进行配方改进完善，除满足TB/T 2772《铁路钢桥用防锈底漆供货技术条件》中对环氧富锌防锈漆规定的常规性能指标外，使其耐盐雾性能由原来的1000h提高到了1200h以上。表9-2-4是新研制的SBD环氧富锌防锈漆基本配方。

对新研制的SBD环氧富锌防锈漆进行了综合性能测试，结果见表9-2-4。试验前后样板的状态见照片1和照片2。

 防水材料——聚脲弹性体的研究

我国铁路桥梁桥面做防水层处理，目前的规范、标准主要是针对混凝土桥梁桥面，相应标准分别为TB/T2965-1999《铁路混凝土桥梁桥面TQF-I型防水层技术条件》、2005年8月颁布的《客运专线桥梁混凝土桥面防水层暂行技术条件》、2007年4月颁布的《客运专线桥梁混凝土桥面防水层暂行技术条件（修订版）》。其中标准TB/T2965-1999规定的防水层由氯化聚乙烯防水卷材和聚氨酯防水涂料两部分组成，而暂行技术条件将聚氨酯防水涂料分为用于粘贴防水卷材和直接用于作防水层两种，暂行技术条件（修订版）又增加了高聚物改性沥青防水卷材。尽管这种防水方式在混凝土桥面使用比较普遍，但也暴露出很多问题，仍然出现桥面渗水漏水现象，铁道部运输局2003年对全路十四个路局桥梁秋检的统计结果显示，混凝土梁的碱－骨料反应、中性化引发的钢筋锈蚀、环境恶劣引起的混凝土腐蚀等病害桥共9000余座，给铁路正常运营和安全带来了很大隐患和影响。

现在的防水体系存在的主要问题是：聚氨酯防水涂料与防水卷材之间粘结不好、卷材之间有搭接，容易出现缝隙，使防水层不能形成一个完整的整体，而使防水层失效；由于聚氨酯防水涂料固化时间慢，对施工进度有影响；另外聚氨酯涂料中含有大量的挥发性溶剂，所以在施工中对环境会造成污染。因此有必要引进和研究新型防水材料。

（一）


聚脲弹性体简介

聚脲弹性体技术是国外近10年来继高固体分涂料、水性涂料、辐射固化涂料、粉末涂料等低（无）污染涂装技术之后而研发的一种新型施工技术，它与传统涂装技术相比，具有以下优点：

a．优异的防水和耐候性能：聚脲弹性体的抗拉强度和断裂延伸率是可调的，抗拉强度在10MPa-28MPa之间，断裂延伸率在10％－1000％之间可以调整，其性能都高于传统的防水材料。

b．优异的施工性能：对水分、湿气不敏感，施工时不受环境温度、湿度影响。快速固化，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，10s内凝胶，10min即可达到步行强度，一次施工厚度可以从几百微米到几毫米。

c．良好的热稳定性：可以在－40℃～120℃范围内长期使用。

d．涂层的连续性：因为是在施工现场喷涂成型，所以涂层连续、致密、无接缝、美观，没有一般卷材防水层的搭接和接缝。

e．效率高：使用成套设备进行施工，施工方便，效率高，一台喷涂设备每小时可喷涂几百平方米。

（二）


聚脲弹性体配方设计要点

聚脲弹性体使用的原料主要有三大类，即端氨基聚醚、异氰酸酯和扩链剂。除此之外，有时为了改善粘度、阻燃、耐老化、抗静电、外观色彩、附着力等性能，还需加入稀释剂、阻燃剂、抗氧剂、抗静电剂、颜料等助剂。

聚脲弹性体产品一般是由双组分组成，习惯上分别称为A料、B料或R料。我们在配方设计上将异氰酸酯与聚醚多元醇生成的半预聚体组分称为A料，将含有端氨基聚醚、扩链剂和其它助剂的组分称为B料。

（1）半预聚体组分（A料）

异氰酸酯是聚脲弹性体A料的主要原料之一，合成A料用的异氰酸酯包括二异氰酸酯、三异氰酸酯以及它们的改良体。

在聚脲弹性体技术中，由于甲苯二异氰酸酯（TDI）的蒸汽压低、气味大、毒性强，所以在A料的合成中，通常选用MDI（二苯甲烷－4，4’二异氰酸酯）或MDI的改性物与聚合物二元或三元醇反应制得。

MDI在室温下长期贮存会产生自聚等反应，易生成不溶解的二聚体，使产品颜色变黄，液体将变得浑浊，出现不溶性细微颗粒，对产品质量产生不利影响。故MDI不宜直接贮存于室温下，应在15℃以下贮存，并尽快使用。为此，在聚脲弹性体技术中，通常将MDI与聚醚多元醇合成制成半预聚体，不仅解决了MDI在室温下长期贮存的问题，而且对于控制反应物的粘度、反应活性和聚合物的结构也是有利的。目前国内外公司可提供这些半预聚体，用户只需根据需要进行筛选和选择即可。 

（2）多元胺组合料（B料）

B料的主要组分是由端氨基聚醚和扩链剂组成。因为A料的平均相对分子量较低，一般在5000以下，要将半预聚体加工成制品，还需要加入氨基聚醚和胺类扩链剂的混合物即B料与之反应。

a．端氨基聚醚

端氨基聚醚是一类由伯胺基或仲胺基封端的聚环氧烷烃化合物，大分子链的端氨基含有活泼氢，能与异氰酸酯基团和环氧基团反应。根据端氨基相连烃基结构的不同，端氨基聚醚可分为芳香族和脂肪族两类；根据氨基基团中氢原子被取代的个数，又可分为端伯胺基和端仲胺基聚醚。

还有一类聚醚是端羟基聚醚，用于聚氨酯材料，端氨基聚醚与端羟基聚醚比较，氨基与异氰酸酯反应速度快，可缩短反应时间，生成的聚脲，在相邻的双氢键作用下，其极性要比羟基与异氰酸酯反应所生成的氨基甲酸酯强得多。因此，聚脲结构中分子间的作用力特别的强，硬链段和软链段的相分离更加明显，聚合物中硬链段区域的熔融温度比起聚氨酯结构也更高，表现在弹性体制品的性能上，聚脲的物理性能和耐热性能远优于聚氨酯。

b．扩链剂

扩链剂是B料中另一个重要成分。用于聚脲弹性体技术中的扩链剂都是胺类扩链剂。胺类扩链剂中的氨基与半预聚体中—NCO端基反应，生成氨基甲酸酯或脲，起扩链作用。二胺类扩链剂有两个氨基，含有4个活泼氢原子，它与半与半预聚体反应时，既可起扩链剂作用，又可起交联作用，在反应时，随着胺指数（NH2/NCO）的变化，可产生不同化学反应。当NH2/NCO≥1时，在适宜的条件下，—NH2基只与—NCO基反应起扩链作用。当NH2/NCO<1时，—NH2基上的一个氢原子与半预聚体中的—NCO基反应生成脲结构，起扩链作用。多

余的


—NCO


基在较高的温度下还能与上述生成的脲基上的活泼氢原子进一步反应，生成缩二脲支化或交联。生成喷涂聚脲弹性体时，通常将异氰酸酯指数（即


NCO/ NH


2


当量比）定为


1.05


～


1.10


之间，其目的就是要使加工的制品具有适当的交联密度，以改善压缩永久变形和耐溶胀等性能。在聚脲弹性体技术中常用的胺类扩链剂有二乙基甲苯二胺和


N,N’-


二烷基甲基二胺。

二乙基甲苯二胺（DETDA）是3,5-二乙基-2,4-甲苯二胺和3,5-二乙基-2,6-甲苯二胺两种主要异构体组成。它具有反应速度快、初始强度高、保色性好等特点，能提高产品拉伸强度、冲击强度和耐热性能。

（3）其它助剂

聚脲弹性体是用专用设备喷涂制作的，它要求A料和B料按1:1体积比进行混合的，所以要求两组分的粘度差很小，应小于200mPa.s，并且使其二者的相容性要好，以利于快速反应的彻底进行，生产均匀、稳定的弹性体，一般要加入一定量的稀释剂。常用的稀释剂有邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）、碳酸丙酯（PC）、碳酸乙酯（EC）等。

着色剂的加入可以是聚脲弹性体颜色更加丰富，一般只加入到B料中，常用的色浆为红、黄、绿、兰、灰、黑等。国内和国外都有专门公司生产。