应用喷涂纯聚脲技术实现水工混凝土防护.pdf

2 0 1 1年 第 1 1期 (总 第 2 6 5期 】 Nu mb e r 1 1 i n 2 0 1 1 ( T o t a 1 No 2 6 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TE CHNOLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 1 0 4 4 应用喷涂纯聚脲技术实现水工混凝土防护 黄微波，向佳瑜，刘旭东，张静 ( 青 岛理工大学 功能材料研究所 ，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要： 研究喷涂纯聚脲( 以下简称纯聚脲) 技术对水工混凝土的防护在确保水利设施长期安全运行上具有重大意义。 首先阐述了水工 混凝土服役过程中的病害机理 ， 深入分析了纯聚脲技术应用水lT混凝土防护的技术优势， 详细探讨了纯聚脲技术施工_T艺要领。 研究表明： 自 然环境中冻融循环、 干湿交替 、 化学腐蚀、 脉动压力及高速含泥砂水流的冲蚀磨损等环境因子和随机荷载的耦合作用是导致水 混凝 土失效的主要原因； 纯聚脲优异的野外恶劣施工环境及复杂基材的适应性和杰出的抗冲刷耐老化性能是实现对水工混凝土防护的有力 保障；采用纯聚脲和正确的施工工艺是控制水工混凝土防护lT程质量的关键。 将纯聚脲技术应用于水工混凝土防护1 二 程中技术优势明 显 ， 防护效果突出 。 关键词： 喷涂纯聚脲技术； 水工混凝土；耐久性；病害机理；防护 中图分类号 ： T U5 2 8 O l 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) l 1 0 1 3 8 0 3 Sp r ay pur e p ol yur e a t ec hn ol o gy a ppl i ed t o h ydr a ul i c e ng i ne er i n g c onc r e t e f or pr o t ec t i on H U ANG W e i b o， XI A NG J i a - y u， L I U Xu d o n g， ZHANG J ing ( R e s e a r c h I n s t i t u t e o f F u n c t i o n a l Ma t e r i a l s ， Qi n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y ， Qi n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Re s e a r c h i n g s p r a y p u r e po l y u r e a t e c h no l o g y f o r h y d r a u l i c c o n c r e t e p r o t e c t i o n t o e n s u r e f a c i l i t i e s l o n g t e r m s e c u rit y o p e r a t i o n h a s g r e a t s i g n i fic a n c e s ， El a b o r a t e s t h e d i s e a s e me c h a n i s m o f h y d r a ul i c e ng i n e e r i n g c o n c r e t e i n s e r v i c e， a n a l yz e s t h e t e c h n i c a l a d v a ntag e s o f p u r e p o l y u r e a ， d i s c u s s e s t h e p ure p o l y u r e a t e c h n o l o g y S c o n s t r u c t i o n t e c hno l o g y Re s e a r c h e s s h o w tha t ： T h e i n t e r a c t i o n o f fr e e z e t h a w c y c l e s ， dry - we t a l t e rna t i n g， c h e mi c a l c o r r o s i o n， p u l s e p r e s s u r e ， h i g h s pe e d s e d i me n t a b r a s i o n a n d r a n d o m l o a d i n n a t u r a l e n v i r o n m e n t c a u s e t h e ma i n f a i l u r e o f h y d r a u l i c e n g i n e e r i n g c o n c r e t e T h e P u r e p o l y u r e a t e c hn o l o g y h a s e x c e l l e n t a d a p t a b i l i t y t o t e rri b l e c o n s t r u c t i o n e n v i r o n me n t a n d c o mp l e x s u b s t r a t e ， i n a d d i t i o n， t h e a n t i s c o u r i n g a n d a g i n g p e r f o rm a n c e s a r e o u t s t a n d i n g Ad o p t i n g p u re p o l y u r e a a n d c o rr e c t c o n s t r u c t i o n p r o c e s s i s t h e k e y t o c o n t r ol t h e q u a l i ty o f h y dra u l i c e n g i n e e r i n g c o n c r e t e pr o t e c t i o n I n a wo r d t h e p r o t e c t i v e e f f e c t i s r e ma r k a b l e K e ywo r d s ： s p r a y p ure p o l y u r e a t e c h n o l o g y ； h y d r a u l i c e n g i n e e ri n g c o n c r e t e ； d u r a b i l i ty； d i s e a s e me c h a n i s m； p r o t e c t i o n 0 引言 高速含泥砂水流对水工混凝土的冲刷磨损和空蚀破坏， 是 水工泄流建筑物如溢流坝、 泄洪洞( 槽) 、 泄水闸等常见的病害。 许多水工混凝土存在裂缝 、 溶蚀 、 冻融 、 温度疲劳、 波砂磨蚀等 病患， 严重危及水工建筑物的正常使用和服役安全。 2 0 l 1 年中央 一 号文件国务院关于加快水利改革发展的决定指出： 近年来我 国频繁发生的严重水旱灾害， 造成重大生命财产损失。 加大、 加 强、 加快水利基础设施建设在“ 十二五” 期间社会经济发展 中具 有重大的战略地位。 对拟建以及服役中后期的水工建筑物实施 有效的耐久性防护是确保其安全运行的重要手段。 喷涂聚脲弹性体技术 是在反应注射成型( R e a c t i o n I n j e c t i o n Mo l d i n g英文缩写 R I M) 技术的基础上， 于 2 0世纪 7 0年代中后 期发展起来的。 美国化学家 D u d l e y J P r i me a u x率先研发成功这 项技术。 它是由A、 B双组分 ， 严格遵循化学等当量原理， 经高 温、 高压、 撞击混合反应生成具有许多优异的综合性能材料的 技术。 其中 A组分为异氰酸酯， B组分必须是由端氨基聚醚、 端 氨基扩链剂组成， 不得含有催化剂。 通过上述方法制备的聚脲产 品又称为纯聚脲。 作为新型无溶剂、 无污染的绿色施_丁技术 ， 加 收稿 日期 ：2 0 1 1 o 5 2 5 1 38 上便捷的施工工艺和优异的力学性能及耐老化 、 耐腐蚀、 防渗 漏、 耐磨蚀 、 抗冻融、 抗冲击 、 抗疲劳破坏等性能在大坝坝面 、 溢 洪道、 排沙洞、 导流洞、 输水渠等水工建筑物中具有广泛的应用 前景。 本文通过研究水工混凝土病害机理， 介绍了纯聚脲技术应 用于水工混凝土防护的主要技术优势， 最后探讨 了纯聚脲技术 的施工1 二 艺。 1 水工混凝 土病 害机理 病害机理及防护技术研究 与应用对提高水工建筑物耐久 性和安全性具有重要意义。 吴中如和崔俊芝院士l 2 将现役水T 混凝土结构病害安全防护列入水利工程关键技术问题。 图 1反 映的是水工混凝土服役环境情况 ， 从图中可以看出， 水丁混凝 土服役过程中除承受 自然环境中冻融循环、 干湿交替 、 化学腐 蚀、 温度应力、 脉动压力等环境因子耦合作用的影响外， 局部还 要承受高速含泥砂水流的冲蚀磨损， 其承受的局部水流速度场 的冲击动能与强度 ， 大小可高达上千大气压， 甚至达到上万个 大气压 ， 其中， 高速水流和磨料颗粒的冲蚀对其产生严重的冲 蚀磨损。 高速水流对水工建筑物过流面 昆 凝土的冲蚀磨损和空 蚀破坏 ， 是水工泄流建筑物如溢流坝、 泄洪洞( 槽) 、 泄水闸等常 见的病害。 尤其是当流速较高且水流中又夹带着悬移质或推移 质时， 水工建筑物遭受的冲磨、 空蚀就更为严重。 高速含泥砂水 流对水工混凝土建筑物过流面的冲刷磨损、 空蚀作用会导致表 层混凝土大面积剥蚀 ， 严重的则引发灾难性事故。 此外 ， 水工混 凝土在施工过程中还存在着碾压不密实、 水泥水化热导致的开 裂 ， 在水压下进一步变形开裂 ， 形成渗漏通道， 危害水工建筑物 的安全性和稳定性。 上述随机载荷与环境因子的协同作用导致 水工混凝土耐久性大大降低， 并最终破坏。 扬压力 由钢筋锈蚀而膨胀 冻融循环 化学腐蚀 气蚀 干湿循环 波砂磨耗 图 1 水工混凝土服役环境 图 2 ( a ) 反映的是恒山水库大坝混凝土病害情况 ， 从图2中 可以看出， 混凝土碳化、 剥落导致钢筋的锈蚀情况严重， 环境和 安全问题突出。 在上游坝面采用纯聚脲技术防护以后， 整个坝面 涂层均匀、 连续， 表面光滑美观， 如图 2 ( b ) 所示。 历经 2 0 1 0年冬 季一 2 5的低温考验 ， 与基材仍有很好的的附着力， 有力的保证 涂层对混凝土的防护效果。 另外， 在抵抗紫外线老化、 冻融循环 、 温度应力和防渗等功能上， 均体现出显著的优势， 受到业主的 好评。 ( a ) 恒山水库大坝混凝土病害 上游坝面喷涂纯聚脲防护后的全景 图 2 恒 山水库大坝 2 纯聚脲应用于水工混凝土防护的技术优势 2 1 优异的野外恶劣环境的抵抗性 我国西南地区水资源极为丰富， 然而这里气候环境异常复 杂， 加上高难度作业给聚脲的施工提出了严峻的考验。 图 3 是纯 聚脲、 聚氨酯脲( 又称半聚脲 ) 和聚氨酯的环境温度和湿度适应 性图。 如图 3所示， 以湿度作为横轴 ， 温度作为纵轴 ， 从图中我 们可以很明显地发现： 纯聚脲应用所适应的环境温度、 湿度的 变化远远高于聚氨酯脲和聚氨酯。 图 3 纯聚脲 、 聚氨酯脲和聚氨酯的环 境温度和湿度 适应 性 通过化学反应原理可知： 纯聚脲中胺基组分与 NC O组分的 反应活性远远高于假聚脲中羟基与 NC O组分的反应活性， 避 免了聚氨酯脲在野外环境下遇潮发生 R - NC O + H 2 O- - R N H2 + C O 2 反应 ， C O ： 导致涂层起泡产生“ 癞蛤蟆皮” 或分层 、 开裂、 脱落等 现象； 此外， 胺基组分与 NC O组分的巨大的反应活性即使在很 低的温度下( 如一 2 0) 也能正常固化， 避免了聚氨酯脲在冬季 施工时固化不完全产生的发黏等现象。 然而， 无论在实验室还是 野外恶劣温度 、 湿度环境下 ， 纯聚脲都能形成性能稳定可靠的 涂层 ， 其拉伸强度可达 2 0 MP a以上、 断裂伸长率可达 5 0 0 以 上， 完全能够抵御昼夜、 四季环境温差造成的温度应力 ， 不会产 生开裂和脱落现象。 聚氨酯脲则完全不同， 只有在实验室可控的 温湿度条件下 ， 才能形成物理力学性能符合要求的涂层， 相反 ， 在水利工程施工现场湿度较大， 温度变化无常， 聚氨酯脲的性 能远远达不到在实验室的性能。 因此，唯有纯聚脲技术方能实 现水利工程野外恶劣环境的施工。 2 2 杰出的复杂基材施 工适应性 水电大坝的施工基材异常复杂， 存在高落差、 陡坡、 施工作 业面不规则等固有因素 ， 同时面临着下雨、 刮风、 结露、 潮湿等 随机环境因子的影响。 面对如此复杂的施工条件 ， 无论是所谓的 “ 单组分手刮聚脲” ， 还是其他类型的聚氨酯脲或聚氨酯， 不可 避免的出现流淌、 厚薄不均 、 固化不完全 、 遇水发泡等问题。 纯 聚脲 1 0 S 内即可凝胶 ， 不会出现流淌、 发泡的现象 ， 结合山西恒 山水库上游坝面纯聚脲防护工程可以得出： 纯聚脲对于复杂基 材的适应性极强 ， 附着力显著高于 2 5 MP a ， 附着性能优秀。 因 此 ， 唯有纯聚脲技术的高压无气喷涂工艺才能高效地实现对水 电大坝大面积的涂装， 唯有纯聚脲技术才能胜任复杂的基材高 质量的施工。 2 3 优秀的抗 冲蚀磨损的性能 纯聚脲具有优异的抗冲蚀磨损及水流冲刷的功能， 能有效 地阻止高速含泥砂水流的冲蚀磨损对水工混凝土的破坏， 大大 延长了水利设施的耐久性。 高速( 4 0 m s ) 含泥砂( 1 0 ) 水流冲 刷 3 0 mi n的结果显示 ： 纯聚脲的磨损率小于 0 0 2 7 g ( c m2 h ) ， 只 有 C 6 0 高强混凝土的 6 5 。 而聚氨酯脲因涂层鼓包、 起皮、 脱落、 分层、 发黏， 其抗冲蚀磨损及水流冲刷性能显著降低 ， 甚至出现 在强大水流和泥砂的作用下全线冲毁的结果， 因而不能实现对 水利工程的有效防护。 2 4 超常的耐老化性能 纯聚脲化学活性极高不需要添加任何催化剂， 拥有超长的耐 老化性能。 世界聚脲技术的发明人D u d l e y J P r i me a u x 先生已经做 过加速测试： 预计纯聚脲材料的寿命在 7 5 年以上。 青岛理工大学 功能材料研究所的大量理论与工程应用研究也证实了这一点 ， 相关结论发表在四川大学学报与 A d v a n c e d Ma t e ri a l s R e s e a r c h 上【4 _ 7 _ 。 相反 ， 聚氨酯脲的化学活性不足， 必须掺人催化剂， 催化 剂的加入同时也增加了NC O组分和水的反应活性， 因而更容易 发泡 ， 也造成 了体系不稳定、 材料老化加剧和喷涂时产生特殊 气味等一系列负面影响。 催化剂在完成加速聚合反应后， 会长期 残留在生成的聚合物材料中， 生成的材料在经受阳光、 氧气、 水 以及各种腐蚀介质侵蚀、 劣化的诱导因素 ， 从而产生自由基， 导 致分子链断裂、 材料性能下降， 最终导致耐老化性能降低 ， 使用 寿命不及纯聚脲的 1 1 0 。 总之， 纯聚脲以其在材料性能和施工工艺上显现出特有的 优势， 美国波士顿地铁工程 、 S a n M a t e o 大桥等重点工程均无例 1 3 9 外的使用纯聚脲涂层作为防护材料 ， 此外 ， 山西恒山水库上游 坝面防渗 、 青岛奥帆基地蓝色畅想水池 、 上海浦东竹园屋面种 植绿化 、 青岛理工大学教学楼屋顶鱼池等涉水工程， 都陆续采 用纯聚脲涂层作为水工混凝土的防护材料。 纯聚脲为在 自然环 境因子和高速含泥砂水流的双重作用下， 提高水工混凝土的耐 久性 、 可靠性和安全性， 提供了重要的技术保障。 3纯聚脲 的施 工工 艺 施工_T艺在很大的程度上影响着聚脲涂层的性能。 采用纯 聚脲材料和正确的施工工艺形成的聚脲涂层， 因其理化性能优 异而被称之为“ 万能” ( v e r s a t i l e ) 材料。 若误解“ 万能” 的含义， 采 用聚氨酯脲或聚氨酯以次充好和忽视正确的施工工艺， 只会造 成工程失效案例的上演。 笔者早在 2 0 0 5年就提出了“ 一分聚脲、 九分施工” 的理念 ， 其中的含义首先必须采用纯聚脲， 这是物质 基础， 是做好聚脲工程的源泉。 其次针对不同的基材、 不同的气 候环境、 不同的底涂系统 ， 必须采取与之相对应的处理措施， 采 用正确的施工工艺， 这是核心环节。 把握好聚脲涂层的施工工艺是成功实现对水利工程防护 的核心环节。 水利工程聚脲施工工艺流程一般包括施工准备 、 基材处理施工、 基材处理验收、 底涂施工、 底涂施工验收、 遮护 与收边处理 、 聚脲涂层施工和自检、 修补、 验收等。 简要介绍以 下 3个主要的环节 ： ( 1 ) 基材处理施工。 要保证聚脲对水工 昆 凝土的防护效果， 首先应提高基材处理的质量。 对于表面较大的孔洞， 应先采用 修补腻子进行封闭。 表面的毛刺用角磨机磨平， 尖端突起处尽 量做到圆弧过渡， 消除尖端应力。 采用高压水枪冲洗基材表面 的松土、 杂质， 再用风力灭火器除去表面水分、 灰尘等 ， 保证基 材表面应清洁、 干燥 ， 不得有蜂窝麻面、 浮碴 、 浮土、 脱模剂和油 污等杂质。 ( 2 ) 底涂施工。 底涂就是连接混凝土与聚脲涂层的桥梁， 主 要起到以下作用： 清除基层表面的各种污垢； 修整基层表 面存在的缺陷； 创造聚脲涂层需要的表面粗糙度 ， 使喷涂时 具有 良好的喷涂基础； 增强涂层与基层的配套性和相容性。 底 涂必须现配现用， 严格按照专业配合比要求准确称量。 每一道工 序之后需保持施工面整洁。 底涂施工一般采用辊涂工艺， 边、 角 、 沟、 槽辅以刷涂施工。 ( 3 ) 聚脲涂层施工。 为了有效控制聚脲涂层防护体系的形 成过程 ， 喷涂施工设备必须具备如下基本要求 ： 喷涂时压力 范围在 1 7 0 0 2 5 0 0 P s i 之间， 这样可以确保 A、 B两组分充分混 合和力学性能的形成 ； 保证物料输送平稳、 计量精确 、 混合均 上接第 1 3 7页 参考文献： 【 1 1 王晓 ， 朱伯龙基于二次模糊修正的钢筋混凝土单层工业厂房震 害预测综合评判模式 J 1健 筑结构学报， 1 9 9 4 ， 1 5 ( 1 ) ： 3 2 3 8 【 2 】 李桂青， 李正农 建筑物和构筑物震害的灰色预测方法【 J 1 湖北工学 院学报 ， 1 9 9 2 ， 7 ( 3 4 ) ： 7 - 1 2 I 3 l3 赵艳林， 杨军平 ， 黄剑飞 ， 等 基于 B P神经网络的单层钢筋混凝 土柱 工业厂房震害预测f J 】 桂林工学院学报 ， 2 0 0 6 ， 2 6 ( 4 ) ： 4 9 1 4 9 6 4 1 吴育才， 黄宗明， 王金海 单层厂房震例及其应用【 M 济南： 山东科学 技术出版社， 1 9 9 1 ： 1 5 2 2 2 5 尹之潜， 李树桢， 杨淑文， 等 震害与地震损失的估计 J i I J 地震工 l 4 0 匀、 雾化 良好 ； 对细部节点 、 迎水面、 反弧面、 拐角、 异质材料 连接处进行聚脲涂层加厚处理。 4结 语 近年来我国频繁发生的严重水旱灾害， 造成重大生命财产 损失， 警示我国加快水利建设刻不容缓。 基于水工混凝土服役的 恶劣环境和施工难度， 纯聚脲由于拥有环境适应力强、 施工方 便快捷和防护性能优异的特点， 是水工混凝土理想的防护材料。 综上所述， 与聚氨酯脲相比， 纯聚脲无论在水利工程聚脲 防护施_I 二 质量控制 还是在耐老化性能等方面均拥有显著的优 势。 双组分快速反应生成连续致密的聚脲涂层， 可以长期承受 自 然环境中随机荷载、 冻融循环、 干湿交替 、 温度变化、 波沙淘蚀 和腐蚀介质等复杂环境因子耦合作用的影响。 通过实验室的试 验数据分析和国内外水工混凝土纯聚脲防护的应用实践表明： 纯聚脲技术能适应水工混凝土野外施工的严酷环境 ， 纯聚脲技 术是实现水工混凝土历久弥新的重要保障。 参考文献： 1 黄微波 喷涂聚脲弹性体技术 M 北京 ： 化学工业出版社， 2 0 0 5 【 2 许卓明，任青文2 0 0 7 重大水利水电科技前沿院士论坛暨首届中国 水利博士论坛在河海大学举行f J J 科学通报 ， 2 0 0 7 ， 5 2 ( 2 4 ) ： 2 9 2 5 2 9 2 6 I 3 I3 黄微波， 刘旭东矫 梁混凝土聚脲防护涂层配套底漆性能研究【 J l- 混 凝土 ， 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 1 2 1 1 2 5 4 昌平， 陈国华， 黄微波 聚天冬氨酸酯聚脲涂层加速老化仃z - 为研究l J 1 四川大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 9 ( 2 ) ： 9 2 9 7 5 L U P i n g ， I I X i n m a o ， HU A NG We i - b o E f f e c t o f d r y - w e t c i r c u l a t i o n a n d t e mp e r a t u r e c h a n g e,O n p r o p e r t i e s o f p o l y u r e a c o a t i n g s J A d v a n c e d M a t e ri a l s R e s e a r c h ， 2 0 1 1 ( 1 5 o 一 1 5 1 ) ： 1 2 0 3 1 2 0 8 【 6 H UA N G We i - b o ， L t P i n g D e p e n d e n c e o f d y n a mi c me c h a n i c a l p r o p e r - t y a n d mo r p h o l o g y o f p o l y a s p a r t i c e s t e r s b a s e d p o l y u r e a o n c u rin g t e rn p e r a t u r e J 1 P o l y m e r Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 ， 2 6( 3 ) ： 7 2 - 7 4 【 7 L 12 P i n g ， H U AN G We i - b o ， S H I H u i E ff e c t o f c u ri n g t e mp e r a t u r e o n mo r p h o l o g y a n d p r o p e rt i e s o f p o l y u r e a s b a s e d o n p o l y a s p a r t i c e s t e r s J Ma t e r i a l s S c i e n c e F o 13 1 11 1 。 2 0 1 0 6 5 0 ( 3 2 ) ： 3 3 3 7 作者简介 联系地址 联系电话 黄微波( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 博士， 教授 ， 瘪士生导师， 长期从事聚 脲技术和国防尖端材料研究。 青岛理工大学功能材料研究所( 2 6 6 0 3 3 ) 05 3 2 8 5 0 7 1 3 2 O 程与工程震动， 1 9 9 0 ， 1 o ( 1 ) ： 9 9 1 0 7 I 6 I6 王光远， 徐祥文， 局锡元 ， 等 单层厂房自振特性及其在地震反匝计 算中的应用 c 地震工程研究报告集( 第一集) E 京 ： 科学出版社， 1 9 6 2： 51 7 5 7 】 李红 ， 彭涛 基于 B P 、 R B F神经网络混凝土抗压强度预测I J I 武汉理 工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 8 ) ： 3 3 3 6 作者简介 联 系地址 联系电话 何慧荣( 1 9 6 2 一 ) ， 女， 讲师， 工程师。 河南省鹤壁市淇滨区华山路南段 河南省鹤壁市职业技术 学院建筑工程学院( 4 5 8 0 3 0 ) 1 3 6 0 3 9 2 9 3 2 O