新型聚脲混凝土保护材料开发及工程应用研究.pdf

第 2 9卷 第 2期 2 0 1 2年 2月 长 江科学 院 院 报 J o u r n a l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 29 No 2 F e b 2 0 l 2 文章编号 ： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 6 4 0 4 新型聚脲混凝土保护材料开发及工程应用研究 冯菁 ， 韩炜 。 李珍 。汪在芹 。 (长江科学 院 a 材料 与结 构研 究所 ； b 水利部 水工程安全与病害 防治 工程技术研究 中心 ； c 国家大坝安全工程技术研究中心， 武汉4 3 0 0 1 0 ) 摘要： 船闸闸墙混凝土受过往船只的碰撞 、 摩擦， 容易受破坏、 形成擦痕， 这不仅影响了船闸的美观， 同时影响其耐 久性； 闸墙混凝土的有效防护是当务之急。以聚天门冬氨酸酯树脂为基体， 制备了一系列脂肪族聚脲材料 ； 并通过 分析各材料的力学性能， 选择其中性能最佳者作为船闸闸墙混凝土的新型抗冲撞保护材料。将该聚脲材料涂覆在 混凝土表面， 测试分析材料的抗冻融 、 抗碳化以及抗冲磨性能； 在室内性能试验的基础上， 将该材料用于葛洲坝和 三峡大坝的船闸闸墙 ， 进行现场生产性试验。试验结果表明， 该聚脲材料具有显著的耐候性和抗冲撞性能 ， 有望解 决船闸闸墙混凝土保护这一世界性难题。 关键词 ： 抗 冲撞 ； 聚脲 ； 聚天 门冬氨 酸酯 ； 异氰酸酯 中图分类号 ： T V 4 9 文献标志码 ： A 1 研 究背景 船闸是重要 的通航建筑物 ， 不仅承担频繁的通 航任务 ， 同时对水利枢纽的正常、 安全服役起到关键 作用。船闸闸墙混凝土因长期受到船只的碰撞和摩 擦 ， 破损问题非常突出， 最严重的部位甚至已露出了 钢筋并出现锈蚀 。此类问题不仅严重影响了船闸闸 墙 的美观 ； 并且随着时间的推移 ， 极有可能影响到水 利水 电工程功能的正常 、 高效发挥 ， 继而对国家的防 洪安全 、 水利航运 、 电力能源产生负面影响。如何采 取有效的措施 以防止或减少船 闸 闸墙混凝 土 的碰 撞 、 摩擦破损等问题是一个世界性的难题 ， 应尽快解 决这一问题。 聚脲弹性体 ( p o l y u r e a e l a s t o m e r ) 是 国外近 l 0年 来研发出的一种新型无溶剂 、 无污染的绿色材料 ， 是 继高 固体分涂料 、 水性涂料 、 辐射固化涂料 、 粉末涂 料等低( 无 ) 污染涂料之后 的新一代环保 涂料。聚 脲弹性体突破 了传统环保型涂料的局限 ， 将塑料 、 橡 胶 、 涂料 、 玻璃钢等多种材料的功能集 于一身 ， 适用 于混凝土 的裂缝修 补 以及表 面防护 j 。聚天 门冬 氨酸酯聚脲是继芳香族和脂肪族聚脲之后的第 3代 聚脲材料 ， 具有反应速度可调 、 对基材 的附着力好 、 可低温 固化 、 涂层不易泛黄、 不易发泡等诸 多优点 ， 在国内外得到越来越广泛 的关注 。 本文拟采用聚天门冬氨酸酯和异氰酸酯为主要 原料 ， 制备一种具有优异抗冲撞性和耐候 性的脂肪 族聚脲材料 J ， 并对其力学性能 和耐久性 进行室 内研究及现场生产性试验 ， 从而判断制备 的聚脲材 料是否适合作为船闸混凝土的新型抗冲撞材料 。 2试验 2 1 原 材料 聚天门冬氨酸酯 A和脂肪族异氰酸酯 B均购 自B a y e r 公 司。 硅微粉 、 硅烷偶联剂 、 活性稀释剂购 自武汉道尔 化工有限公司。 2 2聚天门冬氨酸酯聚脲材料的制备 以添加硅微粉的聚天门冬氨酸酯为 A组分 ， 不 同结构 的脂肪族异氰酸酯 为 B组分 ， A组分与 B组 分反应后制得聚脲材料 ， 基本配方如表 1 所示 。 2 3力学性能试验 利用万能试验机( 深圳市瑞格尔仪器有 限责任 公司 ， R G M一3 0 A型) 和冲击 实验机 ( 承德试验机有 限责任公司， l ( J J 一 5 O型) 测试材料 的力学性 能。试 件按照 国家标准规定的方法制作 ， 2 8 d后进行性能 测 试 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 2 - 1 4 基金项 目： 科技部国际科技合作计划专项 ( 2 0 1 0 D F B 7 0 4 7 0 ) ； 科技部科研 院所技术 开发研究 专项资金 ( 2 0 1 1 E G 1 3 6 2 2 4) ； 国家 自然 科学基 金 青年基金项 目( 5 1 0 0 9 0 1 4) ； 水利部科技推广项 目( T G1 1 1 3 ) 作者简介 ： 冯菁 ( 1 9 8 3 ) ， 女 ， 江苏常州人 ， 工程师 ， 主要从事水工新材料研发 ， ( 电话 ) 0 2 7 - 8 2 9 2 7 8 3 9 ( 电子信箱 ) f e n g j i n g m a i l c r s r i e n 。 通讯作者 ： 韩炜 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 河南新乡 人 ， 高级 工程 师 ， 主要 从事 水工 新材 料研 究 ， ( 电话 ) 0 2 7 - 8 2 8 2 0 0 0 4( 电子 信箱 ) w i l l e c u s t 1 6 3 tom 。 第2期 冯 菁 等 新型聚脲混凝土保护材料开发及工程应用研究 6 7 e n e e Me e t i ng， Or l an d o， Fl o r i d a，US A，No v2 8 3 0， 2 001 YL L GOR EYL L GOR J YUR TS E VE R EHy d r o g e n B o n d i n g a n d P o l y u r e t h a n e Mo r p h o l o g y ( I ) ：Q u a n t u m Me c h a n i c a l C a t c u l a t i o n s o f Hy d r o g e n B o n d E n e r g i e s a n d V i b r a t i o n a l S p e c t r o s c o p y o f Mo d e l C o m p o u n d s J P o l y me r ， 2 0 0 2 ， 4 3( 2 4 ) ： 6 5 5 1 6 5 5 9 DAN I EL EI E R K。BR I T S C H C M G ER T ZMANN R。e t a 1 P o l y a s p a r t a t e R e s i n s w i t h G o o d Ha r d n e s s a n d F l e x i b i l i t y ： U S ， U S 2 0 0 4 0 0 6 3 8 9 4 A 1 P 2 0 0 4 81 0 8 S H E T H J P，K L I N E D I N S T D B ，WI L K E S G L ，e t a 1 Ro l e o f C h a i n S y mme t r y a n d Hy d r o g e n B o n d i n g i n S e g me n t e d C o p o l y me r s wi t h Mo n o d i s p e r s e Ha r d S e g me n t s J P o l y m e r ， 2 0 0 5 ， 4 6 ( 1 8 ) ： 7 3 1 7 7 3 2 2 ( 编辑： 周晓雁) Al i p h a t i c Po l y u r e a Co a t i n g M a t e r i a l s Ba s e d o n No v e l Po l y a s p a r t i c Es t e r：Pr e p a r a t i o n a n d Ap p l i c a t i o n F E N G J i n g ， H A N We i ， L I Z h e n ， WA N G Z a i Q i n ， ( Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： I t s o f g r e a t i mp o r t a n c e t o p r o t e c t t h e s h i p l o c k c o n c r e t e wa l l f r o m d a ma g e s b y c r a s h a n d a b r a s i o n w i t h s h i p s a n d t o ma i n t a i n i t s d u r a b i l i t y A s e r i e s o f p o l y u r e a ma t e ria l 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 we r e p r e p a r e d By a naly z i n g t h e me c h a n i c al p r o pe r t i e s o f t h e s e ma t e ria l s，t he o p t i ma l po l y u r e a ma t e ria l wa s s e l e c t e d a nd wa s c o a t e d o n c o nc r e t e t o t e s t i t s f r e e z e t ha w r e s i s t a n c e，c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e，a n d a n t i - a b r a s i o n a b i l i t y Ba s e d o n t h e s e i n d o o r t e s t s，t h e s e l e c t e d p o l y u r e a ma t e rial wa s a p p l i e d t o t h e Ge z h o u ba Da m a nd t h e Th r e e Go r g e s Da m t o p e r f o r m i n s i t u p r o d u c t i v e t e s t Al l t he t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e p r e p a r e d p o l y u r e a ma t e r i al i s a p r o mi s i n g p r o t e c t i v e c o a t i n g ma t e r i a l o f r e ma r k a b l e we a t he r a b i l i t y a n d i mpa c t r e s i s t a n c e Th i s po l y u r e a ma t e r i a l i s e x p e c t e d t o s o l v e t h e wo r l d wi d e d i f fic u l t y o f p r o t e c t i n g s h i p l o c k c o n c r e t e wal1 Ke y wor ds： i mp a c t r e s i s t a n c e；p o l y u r e a；p o l y a s pa r t i e e s t e r s；i s o c y a n a t e 一 客 客 客 盎 盎 客 套 盎 盎 叠 客 客 客 客 客 客 客 客 ( 上接第 6 3页) 2 张立德， 牟季美 纳米材料和纳米结构 M 北京： 科 学 出版 社 ， 2 0 0 1 ( Z H A N G L i d e ，MO U J i m e i N a n o m a t e r i a l s a n d N a n o s t mc t u r e s M B e i j i n g ：S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 1 ( i n C h i n e s e ) ) 3 陈敬中 现代晶体化学 一理论与方法 M 北京 ： 高等 教育出版社 ， 2 0 0 1 ( C H E N J i n g z h o n g Mo d e m C ry s t a l C h e m i s t ry：T h e o r y a n d Me t h o d s M B e i j i n g ：H i g h e r E d u c a t i o n P r e s s ， 2 0 0 1 ( i n C h i n e s e ) ) 客 客 盒 盎 客 套 盎 客 会 客 套 客 张志煜， 崔作林 纳米技术与纳米材料 M 北京： 国 防工业 出版 社 ， 2 0 0 0 ： 3 38 1 ( Z H A N G Z h i k u n ，C U I Z u o l i n N a n o t e c t mo l o g y a n d N a n o m a t e r i al s M B e i j i n g ： N a t i o n a l D e f e n s e I n d u s t r y P r e s s ，2 0 0 0 ：3 38 1 ( i n C h i n e s e ) ) ( 编辑 ： 周 晓雁 ) De t e r mi n a t i o n o f Op t i m a l Na n o p a r t i c l e S i z e o f Py r o p hy l l i t e The o r e t i c a l Ca l c u l a t i o n a n d An a l y s i s L I AO L i n g mi n，HAN We i ，WANG Z a i q i n，L I Z h e n，F ENG J i n g ( Y a n gt z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Wi t h t h e d e v e l o p me n t o f n a n o s c i e n c e a n d n a n o t e c h n o l o g y， t h e s t u d y o n n a n o p y r o p h y l l i t e i s o f g r e a t i m po rta n c e Ac c o r d i n g t o t h e c e l l p a r a me t e r s a n d t h e a t o mi c a r r a n g e me nt o f p y r o ph y l l i t e，t h e mi n i mum s i z e o f py r o p h y l l i t e n a n o p a r t i c l e wa s s u p p o s e d Mo r e o v e r ，t h e c r y s t al c e l l n u mb e r ，a t o mi c i t y ， t h e a t o mi c i t y o n t h e s u p e r f i c i al l a y e r o f ( 0 0 1 )c r y s t a l p l a n e a n d i t s p r o p o rt i o n f o r p y r o p h y l l i t e n a n o p a r t i c l e s o f d i ff e r e n t n a n o s i z e s a r e t h e o r e t i c a l l y c a l c u l a t e d，a n d t h e i r v a ri a t i o n s wi t h t h e n a n o p a rt i c l e s i z e a s w e l l a s t h e i r i n fl u e n c e o n t h e o v e r a l l p r o p e r t y o f P Y r o p h y l l i t e a r e a n a l y z e d B a s e d o n c rys t a l s t r u c t u r e a n d c r y s t a l c h e mi s t ry t h e o ry ，t h e o p t i mu m p y r o p h y l l i t e n a n o p a rt i c l e s i z e wa s t h e o r e t i c a l l y d e t e r mi n e d t o be a bo u t 1 5 5 n m Ke y wor d s： p y r o p h y l l i t e；c r y s t a l s t ru c t u r e；n a n o p a r t i c l e；c rys t a l c e l l ；a t o m