梁 慧，汪在芹，廖靈敏，肖承京，李 珍

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢430010;2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430010;3.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430010)

在對(duì)已有水工防護(hù)修補(bǔ)材料的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，聚脲涂層防護(hù)失效最為常見的方式是其與水工混凝土基體界面損傷導(dǎo)致脫落[1-3]。這是由于純聚脲分子結(jié)構(gòu)中含有的羥基和極性基團(tuán)較少，導(dǎo)致其水工混凝土粘接強(qiáng)度有時(shí)不能滿足比較苛刻的水工建筑材料服役環(huán)境，可以選用封閉底層涂料來(lái)增強(qiáng)水工混凝土的防護(hù)修補(bǔ)材料體系的整體性能[4- 6]。為提升已研發(fā)的耐候性聚脲復(fù)合涂層材料在西部高寒地區(qū)苛刻服役環(huán)境下的粘接性能，延長(zhǎng)其使用壽命，本文引入粘接性能良好的環(huán)氧材料作為底層涂料，設(shè)計(jì)出高耐候聚脲復(fù)合涂料體系。底層涂料與水工混凝土、與面層均能較好地粘合成為一個(gè)整體，且其抗凍性能、防滲抗裂能力和耐候性良好，外表美觀。

1 高耐候聚脲復(fù)合涂料體系的設(shè)計(jì)

1.1 雙層體系設(shè)計(jì)

封閉底層涂料對(duì)水工混凝土基材與聚脲面層起到承上啟下的連接作用。一方面底層涂料可以阻止空氣和水分進(jìn)入混凝土表面毛細(xì)孔中，有效減少面層涂料噴刷后出現(xiàn)氣泡幾率；另一方面底層涂料承擔(dān)起膠粘劑的作用，能夠使得水工混凝土基材與聚脲面層涂料的附著力提升。由于封閉底層涂料首要作用是作為過渡層，故其厚度會(huì)影響整個(gè)水工防護(hù)修補(bǔ)材料的力學(xué)性能和耐老化，然而厚度過大反而可能降低材料體系的附著力[7]。此外，環(huán)境溫度、濕度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間影響著底層涂料的性能，從而間接影響聚脲涂層的附著力。

在高耐候聚脲復(fù)合涂料體系中，中層材料是粘接底層和面層的過渡層，同時(shí)具有較好的韌性。由于該層用量較小，涂層厚度較薄，如果面層具有較好的韌性和耐候性，并與底層粘接牢固，則該中層可以省略，構(gòu)成底層和面層的雙層高耐候涂料體系。

1.2 底層涂料的選擇及性能

從原理上講，封閉底層涂料宜選用極性基團(tuán)和小分子含量多、滲透性好、施工性好和環(huán)境友好的樹脂材料。性能優(yōu)良的底層涂料不僅能有效封閉混凝土表面，而且還能提高聚脲防護(hù)修補(bǔ)材料體系的附著力。常用傳統(tǒng)封閉底層涂料性能對(duì)比如表1所示[8]。

表1 常用傳統(tǒng)封閉底層涂料性能比較

對(duì)比結(jié)果顯示，環(huán)氧底漆和聚氨酯底漆的綜合性能比較好。環(huán)氧底漆中的環(huán)氧基團(tuán)有優(yōu)良的粘附力和較低的表面張力，同時(shí)環(huán)氧可以與堿反應(yīng)形成硅酸鹽，能夠阻止鹽和堿的遷移；環(huán)氧涂層的耐化學(xué)腐蝕性使其能在強(qiáng)堿條件下的保持一定的穩(wěn)定性。此外，環(huán)氧樹脂中含有羥基，能在底材中形成氫鍵從而增加封閉和附著力。

經(jīng)過篩選，環(huán)氧樹脂膠泥(簡(jiǎn)稱環(huán)氧膠泥)是較適合的高耐候聚脲復(fù)合涂料體系的底層涂料。環(huán)氧膠泥以環(huán)氧樹脂為主劑，配以一系列助劑(如促進(jìn)劑等)，經(jīng)混合固化后形成的一種高強(qiáng)度、高粘結(jié)力的建筑材料，適用于水利工程的地下管道、壩基、水電站等接口和裂縫的密封粘接，還可用于潮濕環(huán)境中。在添加硅微粉、增稠劑等添加劑改性后粘度大，與基體混凝土粘接能力強(qiáng)，且原料廣泛、價(jià)格便宜，滿足高耐候聚脲復(fù)合涂料的性能要求。另外，也可用于對(duì)水工建筑物過流面的抗沖磨損、抗氣蝕與抗凍融保護(hù)，以及破壞后的修復(fù)。但是，由于其耐紫外老化能力較差，在長(zhǎng)期日照作用下易粉化變色而失去保護(hù)能力。由于作為底層涂料，其上有中層及面層材料的保護(hù)，不會(huì)直接暴露于陽(yáng)光下，因此環(huán)氧類材料作為高耐候聚脲復(fù)合涂料體系的底層涂料是較好選擇。經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)，本文采用的底層涂料的主要性能指標(biāo)如表2所示。

表2 底層涂料環(huán)氧膠泥的主要性能指標(biāo)

1.3 涂層體系厚度的確定

考察涂層厚度對(duì)涂層體系與水泥砂漿試件粘結(jié)強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表3所示?？芍?，粘結(jié)強(qiáng)度隨著涂層厚度(>2.0 mm)增大而減小的趨勢(shì)，且各厚度涂層的粘結(jié)強(qiáng)度均大于3.5 MPa，其中以1.5、2.0 mm最佳。

表3 不同環(huán)境條件下不同厚度涂層體系的粘結(jié)強(qiáng)度

考察人工氣候加速老化條件對(duì)不同厚度涂層的粘結(jié)強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表3所示。在單一的紫外加速老化試驗(yàn)后，各厚度的涂層體系粘結(jié)強(qiáng)度無(wú)顯著變化；在單一的凍融作用下，各厚度涂層體系的粘結(jié)強(qiáng)度有所下降，但除了4.0 mm涂層體系外，其余厚度涂層粘結(jié)強(qiáng)度均仍大于3.5 MPa。但是在凍融-紫外交替作用下，粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生明顯下降，其中厚度為1.0、1.5、2.0 mm的涂層體系仍能保持在3.5 MPa以上，滿足水工混凝土防護(hù)涂層的常規(guī)應(yīng)用要求。經(jīng)過綜合比較，確定涂層體系的最佳厚度為2 mm，或根據(jù)實(shí)際工程要求而定。

2 高耐候聚脲復(fù)合涂料體系的性能研究

2.1 抗凍性能

分別對(duì)未涂刷任何防護(hù)涂層的砂漿試件和涂刷了聚脲復(fù)合涂料體系的水泥砂漿試件進(jìn)行室內(nèi)加速凍融試驗(yàn)。凍融前后砂漿試件外觀如圖1所示，砂漿試件質(zhì)量及相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化如圖2所示。

圖1 砂漿試件經(jīng)凍融循環(huán)試驗(yàn)后外觀對(duì)比

圖2 凍融試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果顯示，未涂任何保護(hù)材料的空白試件僅凍融循環(huán)100次后表面便破損嚴(yán)重(圖1a)，試件質(zhì)量損失達(dá)42.16%，相對(duì)動(dòng)彈性模量降至11.77%。因此，未涂刷任何防護(hù)涂層的水泥砂漿試件抗凍性能差，抗凍等級(jí)低于F100。涂有聚脲復(fù)合涂料體系的試件經(jīng)300次凍融循環(huán)后表面無(wú)開裂、無(wú)破損、無(wú)粉化、無(wú)變色(圖1b)，試件質(zhì)量損失達(dá)4.08%，相對(duì)動(dòng)彈性模量降至61.98%。由此可見，耐候性聚脲復(fù)合涂料體系顯著提高砂漿試件的抗凍性能，抗凍等級(jí)大于F300。

2.2 防水抗?jié)B性能

通過測(cè)定聚脲復(fù)合涂料體系的表面性能，分析聚脲涂料對(duì)混凝土抗?jié)B性參數(shù)(如抗?jié)B水壓力、滲水率等)的影響，評(píng)價(jià)聚脲涂料對(duì)混凝土防滲性能的貢獻(xiàn)。將高耐候聚脲復(fù)合涂料體系涂于混凝土試件表面，進(jìn)行抗?jié)B水壓力試驗(yàn)、水汽滲透性試驗(yàn)、氯離子滲透性試驗(yàn)，所得結(jié)果列于表4。

表4 聚脲復(fù)合涂料體系的防滲性能參數(shù)

由表4可以看出，未涂刷任何防護(hù)材料的混凝土試件在0.4 MPa水壓下出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。而涂覆2 mm聚脲復(fù)合涂料體系的混凝土試件在逐級(jí)加壓至2.4 MPa水壓時(shí)，涂層受破壞，出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。由此可見，混凝土涂刷聚脲復(fù)合涂料后，抗?jié)B能力有了顯著提高。此外，試驗(yàn)過程中，水工混凝土基底與兩層涂層材料之間均沒有出現(xiàn)滲水，說(shuō)明混凝土基底與涂層材料之間附著力良好。在較高的水壓作用下，涂層材料仍然未滲透水分，可能是由于底層材料與面層材料內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)完整且密實(shí)，兩者都具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和彈性，并且兩層涂層材料之間沒有縫隙，與混凝土基材粘接較好，形成了一個(gè)有機(jī)整體，能夠承受一定程度的滲水水壓，由此說(shuō)明此耐候性聚脲涂層系統(tǒng)具有優(yōu)異的抗?jié)B性?；炷翝B水率結(jié)果顯示，涂刷聚脲復(fù)合涂料體系后混凝土滲水率較小。

另外，由水工混凝土氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果可知，聚脲復(fù)合涂料體系顯著降低了混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。氯離子擴(kuò)散系數(shù)越低說(shuō)明混凝土抗?jié)B性越好。因此，耐候性聚脲涂層系統(tǒng)可顯著提高混凝土的抗氯離子滲透能力，改善混凝土耐久性。

綜上所述，聚脲復(fù)合涂料體系可提高混凝土表面的疏水性，并顯著改善混凝土抗?jié)B性。

2.3 耐氙燈—熱老化性能

設(shè)計(jì)氙燈—熱老化雙因素耦合老化試驗(yàn)，模擬西部高寒地區(qū)夏季高日照輻射和高溫的氣候環(huán)境，考察了氙燈—熱老化雙重作用對(duì)聚脲復(fù)合涂料體系顏色和粘接性能的變化情況。試驗(yàn)過程為高耐候復(fù)合涂料體系試件先進(jìn)行360 h紫外加速老化，再在100 ℃的條件下熱老化7 d，交替試驗(yàn)。在氙燈—熱老化交替作用第2個(gè)周期開始，涂層表面開始顏色開始變暗，第4個(gè)周期開始出現(xiàn)細(xì)小裂紋，無(wú)明顯粉化現(xiàn)象，如圖3所示。聚脲復(fù)合涂料體系的粘接性能在經(jīng)過4個(gè)氙燈—熱老化交替作用4個(gè)周期后，粘接強(qiáng)度仍能保持75%以上。

圖3 聚脲復(fù)合涂料體系氙燈—熱老化交替作用4個(gè)周期后外觀對(duì)比

3 結(jié) 論

聚脲復(fù)合涂料體系厚度為2.0 mm時(shí)，混凝土粘結(jié)強(qiáng)度>3.5 MPa，抗凍等級(jí)>F300；可提高混凝土表面的疏水性，并顯著改善混凝土抗?jié)B性。同時(shí)，在模擬西部高寒地區(qū)高日光輻射、高溫環(huán)境的耐氙燈—熱老化雙因素耦合作用試驗(yàn)中該涂料體系表現(xiàn)出不俗的耐候性。因此，新研發(fā)的聚脲復(fù)合涂料體系性能參數(shù)整體良好，適用于水工混凝土表面抗凍防護(hù)及修補(bǔ)處理。