孫德文，劉玉亭，劉 娜，冉千平

(1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司,江蘇南京211103；2.高性能土木工程材料國家重點實驗室,江蘇南京211103)

1 研究背景

目前,混凝土面板堆石壩裂縫[1-2]處理工藝主要有開槽法、低壓注漿法和表面覆蓋法修補裂縫。隨著裂縫修補施工工藝的成熟,以上面板裂縫處理技術(shù)及新型防滲材料、止水材料及裂縫修補材料被廣泛的應(yīng)用[3],如化學(xué)灌漿、蓋片等,但是這些施工工藝及材料在一定程度上能夠起到裂縫修補的作用,但是在抗凍融性能、施工性能、耐久性、基層適應(yīng)性等方面都存在一定的不足或缺憾。Zenonas Kamaitis等[4- 6]研究表明,在混凝土表面涂覆具有阻隔性能的聚合物保護(hù)層是目前阻斷混凝土滲透通道、保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)不被破壞、延長混凝土服役期限的有效手段。聚氨酯、聚脲等高分子材料可以在混凝土表面交聯(lián)固化形成一層疏水高分子防護(hù)層,抑制腐蝕性物質(zhì)滲透、提高混凝土耐久性[7]。然而,由于聚脲材料是以端氨基聚醚和多異氰酸酯反應(yīng)形成的,反應(yīng)速度極快,難以很好地在混凝土基面潤濕,導(dǎo)致其與混凝土基體之間粘結(jié)性較差,易剝落分離；另一方面由于“零斷裂延伸原理”導(dǎo)致的在裂縫擴展時表面涂層易開裂等技術(shù)瓶頸,限制其進(jìn)一步應(yīng)用。

本文針對大壩面板現(xiàn)有技術(shù)缺陷及裂縫存在進(jìn)一步擴展趨勢的現(xiàn)狀,突破外層涂覆材料的技術(shù)瓶頸,構(gòu)筑高滲透加固型基層處理劑/聚氨酯塑性過渡層/聚脲層的復(fù)合防護(hù)體系；發(fā)揮不同材料的協(xié)同效應(yīng),實現(xiàn)基層混凝土的滲透加固、裂縫變形的高適應(yīng)性以及高粘結(jié)、高耐候、抗凍融、抗沖磨等目的,形成面板壩裂縫處理新工藝,為延長混凝土面板壩服役年限,促進(jìn)聚合物材料在水電工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟一條新的途徑。

2 試驗部分

2.1 原材料

試驗及工程應(yīng)用中使用的高滲透環(huán)氧改性基層處理劑,高彈性單組分聚氨酯材料,高性能噴涂聚脲材料等主體材料為江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)SBT?系列產(chǎn)品；混凝土試件為C30混凝土,成型養(yǎng)護(hù)28 d后使用。

2.2 儀器

儀器設(shè)備主要包括：美國固瑞克H-XP3型聚脲噴涂設(shè)備；北京燕科新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TDR-1型混凝土快速凍融試驗機；協(xié)強儀器制造(上海)有限公司生產(chǎn)的CTM2000R型微機控制電子拉力試驗機；濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的WAW- 600C微機控制電液伺服萬能試驗機；蘇州奧貝思環(huán)境試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DW- 800L型低溫試驗箱。

表1 不同復(fù)合防護(hù)層的性能對比

注 PU表示聚氨酯；SPUA表示聚脲,下同。

2.3 測試方法

力學(xué)性能(拉伸強度、撕裂強度、斷裂伸長率)、低溫彎折性、粘結(jié)性等測試按照GB/T16777—2008的規(guī)定進(jìn)行試驗；硬度測試按照GB/T531.1—2008規(guī)定進(jìn)行試驗；抗凍融性能測試按照GBJ82- 85的快凍法進(jìn)行。

裂縫適應(yīng)性測試采用400 mm×250 mm×50 mm的C40混凝土試件,從中間斷裂,采用聚脲專用底漆將斷裂試件粘結(jié),固化后在裂縫處刮涂(1.0±0.2)mm厚、(20±2)mm寬的聚氨酯彈性層,實干后,噴涂(2±0.2)mm聚脲防護(hù)材料,養(yǎng)護(hù)7 d,做拉伸試驗。

2.4 復(fù)合防護(hù)層的制備

將單組分聚氨酯材料按照0.6 mm/遍涂布,待上層表干后順垂直方向涂布下一層,根據(jù)厚度要求涂布2～3遍,達(dá)到設(shè)計厚度,實干后噴涂聚脲材料；將噴涂聚脲材料B組分?jǐn)嚢?0 min,利用噴涂設(shè)備將A,B兩組分按照1∶1的比例噴涂成型,標(biāo)準(zhǔn)條件(23±2)℃,(63±2)%RH養(yǎng)護(hù)7 d。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 防護(hù)層的力學(xué)性能

單組分聚氨酯材料具有優(yōu)異的柔韌性和防水抗?jié)B性能,在潮濕基面能夠很好的固化,粘結(jié)力優(yōu)異,作為防水涂層具有有效的效果。但本身強度和硬度較低,在受到強的外力沖擊時,涂層容易被損壞,而無法發(fā)揮其對混凝土的防護(hù)作用,不能單獨作為防護(hù)材料使用。而單組分聚氨酯和噴涂聚脲結(jié)合使用就能夠很好地彌補聚氨酯材料力學(xué)性能不足的缺陷。不同復(fù)合防護(hù)層的性能對比見表1。從表1可以看出,復(fù)合涂層力學(xué)性能與單組分聚氨酯相比有很大提高：PU∶SPUA為2∶1時,相對于純PU涂層拉伸強度從2.4 MPa提高到11.5 MPa,而PU∶SPUA為1∶2時復(fù)合涂層拉伸強度提高至13.1 MPa、撕裂強度達(dá)到58.2 N/mm、硬度為邵A85,基本達(dá)到SPUA材料的16.5 MPa、66.7 N/mm和邵A89的性能參數(shù),其斷裂伸長率較SPUA有所增加。因此,考慮不同應(yīng)用環(huán)境,可以設(shè)計不同復(fù)合層結(jié)構(gòu),如在外力影響較小的環(huán)境中采用結(jié)構(gòu)2的復(fù)合方案,而在外力影響較大的環(huán)境中,可采用結(jié)構(gòu)3的復(fù)合方案。

PU、SPUA兩種材料都具有很好的低溫柔順性,能夠在-40 ℃的溫度下保持其優(yōu)異的性能,所以不同的PU/SPUA復(fù)合結(jié)構(gòu)也都具有非常優(yōu)異的低溫性能,能夠適應(yīng)各種極端的低溫環(huán)境。此外,還可以看出,這種復(fù)合結(jié)構(gòu)在具有高力學(xué)性能的同時,還具有很高的價格優(yōu)勢,與純聚脲相比,成本大幅下降,為節(jié)能降耗提供了一種新的途徑。

3.2 防護(hù)層的粘結(jié)力

聚氨酯材料與混凝土基面具有很高的粘結(jié)強度,基面無底漆處理其粘結(jié)強度可以達(dá)到2.2 MPa,而噴涂聚脲材料固化速度快,無法很好地潤濕基面,其粘結(jié)強度只有0.8 MPa,導(dǎo)致聚脲材料應(yīng)用中出現(xiàn)“揭床單”的現(xiàn)象,經(jīng)常出現(xiàn)涂層整層脫落的結(jié)果。研究中發(fā)現(xiàn),PU∶SPUA復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠保持聚氨酯材料與基面的粘結(jié)強度(見表2)。從表2可以看出,無底漆時粘結(jié)強度可以達(dá)到2.3 MPa(與純聚氨酯接近),施加底漆后粘結(jié)強度大于4.39 MPa(混凝土試件斷裂),克服噴涂聚脲與基面附著力差的不足。

表2 防護(hù)層與基面的界面粘結(jié)強度

注：采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)KLJ?-d2011聚脲專用底漆。

3.3 防護(hù)涂層的耐磨性能

聚脲涂層優(yōu)異的耐磨性能,能夠保持混凝土防護(hù)層外觀和性能的穩(wěn)定,在水庫、沿海等環(huán)境,經(jīng)受外界沖刷(如水流、海浪、流沙、風(fēng)蝕等)時,能夠有效抑制沖刷對涂層的磨損和破壞,保持防護(hù)層完整性和長效性,有效地對混凝土基面進(jìn)行防護(hù)。

表3給出了聚氨酯、復(fù)合涂層和純聚脲的耐磨損性能測試。結(jié)果顯示,純聚脲質(zhì)量損失最小,僅為0.008 g,具有優(yōu)異的耐磨性能；聚氨酯/聚脲復(fù)合防護(hù)層的質(zhì)量損失為0.015 g,相對于純聚氨酯的0.189 g,耐磨性能提升12倍以上,復(fù)合防護(hù)層的耐磨性能得到很大程度的提升。

表3 幾種防護(hù)層的耐磨性能測試

3.4 防護(hù)層的抗凍融循環(huán)性能

復(fù)合防護(hù)層抗凍融試驗結(jié)果見圖1。從圖1可以看出,涂有聚氨酯和PU/SPUA復(fù)合防護(hù)層的混凝土試件在凍融循環(huán)350次仍然完好,沒有明顯的質(zhì)量損失,而動彈模量有所增加,結(jié)果表明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密、完好,沒有受到外部低溫環(huán)境的影響。涂有聚氨酯和復(fù)合防護(hù)層的試件在多次凍融循環(huán)后,質(zhì)量稍微增加(0.08%～0.15%),這可能是由于少量的水分子經(jīng)過長時間的浸泡,通過薄弱部位或者涂層的針孔等缺陷透過防護(hù)層,進(jìn)入混凝土內(nèi)部；其基頻振動頻率基本沒有變化,說明透過涂層的水量有限,在低溫凍融環(huán)境下不會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

圖1 復(fù)合防護(hù)層抗凍融試驗結(jié)果

對比試驗結(jié)果表明,涂有環(huán)氧涂層的混凝土試件凍融循環(huán)50次時,環(huán)氧涂層已發(fā)生部分剝落,而在凍融循環(huán)100次時涂層基本全部剝落,混凝土粉化嚴(yán)重,內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞,混凝土試件破裂。這可能是由于環(huán)氧樹脂的低溫韌性差,在高、低溫循環(huán)變化時不能很好地適應(yīng)混凝土的變形而破裂喪失其隔離作用,水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部,導(dǎo)致試件破裂。對比環(huán)氧防護(hù)層的混凝土試件、聚氨酯防護(hù)層的混凝土試件和PU/SPUA復(fù)合防護(hù)層混凝土試件的抗凍性能更優(yōu),涂層基本無破壞。

3.5 防護(hù)層的裂縫適應(yīng)性能

3.5.1 “零延伸斷裂”原理

聚氨酯、聚脲和復(fù)合防護(hù)層雖然都具有優(yōu)異的柔韌性和較高的斷裂伸長率(>450%),但是,由于基層開裂或者基層裂縫的擴展,仍然會發(fā)生開裂,這主要是由于涂料領(lǐng)域公知的“零延伸斷裂”現(xiàn)象導(dǎo)致的。如圖2所示,開裂前涂層的可變形量為L,發(fā)生斷裂時的變形量為ΔL,發(fā)生斷裂時涂層的伸長率為ε,當(dāng)涂膜與剛性基層緊密粘結(jié)在一起后,涂層的可變形量L≈0,裂縫擴展到一定量時,斷裂伸長率為ε=ΔL/L=ΔL/0=∞。因此,即使涂層具有優(yōu)異的柔韌性,當(dāng)與基面緊密粘結(jié)在一起時,其自由延伸能力被抑制,此時,抵抗零延伸斷裂的有效因素是涂層的厚度和塑性變形能力。

圖2 零延伸斷裂原理

3.5.2 防護(hù)涂層裂縫適應(yīng)性研究

鑒于零延伸斷裂原理,要想解決基層裂縫擴展涂層開裂的難題,需要增加可變形量L,目前通用的解決辦法主要有3種：①空鋪。即將裂縫部位與基層脫離,此種方法能夠很好地解決涂層開裂的問題,然而,空鋪部位不能有任何缺陷和后期破壞,否則會導(dǎo)致水及其他腐蝕性介質(zhì)在空鋪部位的互串和滲漏,導(dǎo)致整個防護(hù)層的失效。②裂縫部位擴寬,增加泡沫密封條。此方法施工較麻煩,且泡沫體和聚脲材料也不能很好地粘結(jié),容易失效。③涂層中間增加胎體,釋放應(yīng)力。對于強度較低的涂層或與基層附著力低的材料具有一定的效果,然而聚脲材料具有非常高的拉伸強度(>16 MPa),胎體強度不足以彌補聚脲涂層開裂的應(yīng)力,而導(dǎo)致胎體開裂,喪失局部增強、釋放應(yīng)力的作用。

本研究從延長可變形量入手,采用高彈性聚氨酯對裂縫進(jìn)行處理,形成高彈性塑性變形區(qū)。涂層在裂縫部位的拉伸擴展試驗表明,裂縫從無擴展到18 mm時,涂層仍然保持完整,沒有發(fā)生開裂。這是由于在裂縫部位刮涂成型1 cm寬的高彈性聚氨酯涂層,在裂縫擴展時,塑性變形層本身發(fā)生變形,釋放應(yīng)力；另一方面高彈性塑性變形層拉伸強度(2.5 MPa)相比聚脲材料低,首先開裂,在與聚脲粘結(jié)的界面開裂趨勢被抑制,隨著裂縫的進(jìn)一步發(fā)展,開裂趨勢轉(zhuǎn)化為高彈性聚氨酯塑性變形層與聚脲層的剝離,從而增加聚脲層的可變形量,實現(xiàn)杜絕整體防護(hù)層出現(xiàn)裂縫的弊端。

通過三點抗壓試驗對裂縫擴展時涂層的抗張性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),隨著試件變形,混凝土試件斷裂(有目的的設(shè)計裂縫部位斷裂),裂縫產(chǎn)生,并進(jìn)一步擴展。隨著試件裂縫寬度的變大,涂層在裂縫部位的變形增大,受到的張力增加,如果應(yīng)力過度集中,涂層會隨著裂縫擴展很快發(fā)生開裂。在有聚氨酯塑性變形層存在時,涂層擴展時的初始變形量大,本身自由變形能力得到釋放,能夠很好地適應(yīng)基層的錯位變形,當(dāng)裂縫發(fā)展到15 mm時,涂層仍然完好,并且還具有較大的繼續(xù)變形空間。

3.6 復(fù)合防護(hù)層在某水電站堆石壩混凝土面板裂縫控制中的應(yīng)用

針對堆石壩混凝土面板現(xiàn)有技術(shù)缺陷及裂縫存在進(jìn)一步擴展趨勢的現(xiàn)狀,在四川某水電站堆石壩混凝土面板裂縫處理中應(yīng)用高滲透加固型基層處理劑/聚氨酯塑性過渡層/聚脲層的復(fù)合防護(hù)體系。

施工工藝：①環(huán)氧灌漿結(jié)束后,將裂縫兩邊各15 cm寬,打磨或高壓水槍沖洗,清除表層浮漿和灰塵；②滾涂高滲透基層處理材料,增加與基面的附著力；③刮涂寬2 cm、厚2 mm高彈性聚氨酯塑性過渡層；④高性能聚脲防護(hù)涂層噴涂施工。

復(fù)合防護(hù)體系在四川省甘孜州某水電站試用結(jié)果表明,復(fù)合防護(hù)體系可有效實現(xiàn)防護(hù)層與基層附著力的提升,防護(hù)涂層的快速噴涂施工和高效防護(hù),為延長混凝土面板壩服役年限,促進(jìn)聚合物材料在水電工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用開辟一條新的途徑。該水電站已于2015年初蓄水,歷時兩年沒有任何缺陷產(chǎn)生,仍然保持優(yōu)異的服役性能。

4 結(jié) 論

針對堆石壩混凝土面板在蓄水后壩體的移動和裂縫的擴展對防護(hù)涂層性能的苛刻要求,本研究利用聚氨酯和聚脲材料的協(xié)同作用,構(gòu)筑了聚氨酯/聚脲復(fù)合防護(hù)層結(jié)構(gòu),解決了聚脲涂層對混凝土基面附著力不足,裂縫擴展涂層易開裂等技術(shù)難題,在有效實現(xiàn)防水抗?jié)B性能的同時,具有優(yōu)異的耐磨抗沖刷、抗凍融、耐腐蝕等綜合性能,保證了復(fù)合防護(hù)層的服役期限,為實現(xiàn)混凝土領(lǐng)域的節(jié)能減排提供了一條新的途徑。

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