SK單組分聚脲耐老化試驗研究

孫志恒，李敬瑋，趙波

(1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.北京中水科海利工程技術有限公司，北京100038)

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SK單組分聚脲耐老化試驗研究

孫志恒1，2，李敬瑋1，2，趙波1，2

(1.中國水利水電科學研究院，北京100038；2.北京中水科海利工程技術有限公司，北京100038)

通過室內(nèi)人工加速老化對比試驗，研究了SK單組分聚脲與雙組分噴涂聚脲、三元乙丙板、橡膠板的耐老化性能。結果表明，SK單組分聚脲耐老化性能最好，其次是雙組分噴涂聚脲和三元乙丙板，橡膠板的耐老化性能較差；十三陵抽水蓄能電站上庫現(xiàn)場跟蹤測試試驗表明，SK單組分聚脲經(jīng)過7年的運行，其水上、水下及水位變化區(qū)材料表面均無異常，SK手刮聚脲與混凝土之間的粘接強度無變化，可以滿足正常使用的要求。

SK單組分聚脲；人工老化；現(xiàn)場試驗；耐久性

0 引 言

工程實踐表明，在已建或新建的混凝土建筑物表面覆涂一層性能良好的柔性防護涂層對于提高建筑物防碳化、防滲、抗凍融破壞及抗沖磨等耐久性指標是一種經(jīng)濟、有效的方法。水工混凝土建筑物目前采用的柔性防護材料有SK單組分聚脲(SK手刮聚脲)、雙組分噴涂聚脲、三元乙丙板、天然橡膠板、聚氨酯涂料、GB復合土工膜、SR防滲蓋板及聚氯乙烯卷材等高分子材料。其中，SK單組分聚脲是由異氰酸酯預聚體和封閉的胺類化合物、助劑等構成的液態(tài)混合物，采用噴涂涂刷、輥涂或刮涂方法施工，在空氣中水分作用下，封閉的胺類化合物產(chǎn)生端氨基并與預聚體產(chǎn)生交聯(lián)點而形成彈性膜。該材料已廣泛應用于水工混凝土建筑物伸縮縫、裂縫、大面積防滲、抗凍融破壞及有抗沖磨要求的泄洪建筑物等水利水電工程領域。隨著SK單組分聚脲的應用范圍不斷擴大，材料的使用壽命是人們特別關注的問題，研究其耐老化性能也越來越重要。一種材料的自然老化降解過程由材料自身屬性和使用環(huán)境的氣候條件所決定，本文通過室內(nèi)人工加速老化試驗及十三陵抽水蓄能電站上水庫混凝土面板現(xiàn)場自然老化試驗，研究SK單組分聚脲的耐老化性能，以供相關工程參考。

1 室內(nèi)耐老化試驗

1.1 試驗方法和設備

人工加速老化試驗是在人工控制條件下，在室內(nèi)或設備內(nèi)模擬近似于大氣環(huán)境條件或某種特定的環(huán)境條件，并強化某些因素，以期在短期內(nèi)獲得試驗結果，可以相對比較不同材料在特定因素下的抗老化性能(耐久性)，并對材料的使用壽命提出指導性意見，因此成為評價材料抗老化性能的一種通用方法。

人工加速老化試驗方法主要包括：人工氣候老化試驗(包括氙弧燈、碳弧燈、紫外燈老化)、熱老化試驗(絕氧、熱空氣、熱氧化吸氧等)、濕熱老化試驗、臭氧加速老化試驗、鹽霧腐蝕試驗、人工抗霉試驗等。根據(jù)SK單組分聚脲使用環(huán)境和性能特點，確定試驗中采用氙燈老化試驗、熱氧老化試驗及濕熱老化試驗3種方法進行老化性能的測試。

試驗同時研究了在水利水電工程中使用較為普遍的雙組分噴涂聚脲、三元乙丙板和天然橡膠板3種材料的老化性能，以作為對比參照。

1.2 氙燈人工氣候老化試驗

氙燈人工氣候老化試驗用來加速材料的老化，測試材料的光穩(wěn)定性和抗老化性。氙弧燈達到試樣表面的光譜非常接近太陽的光譜。試驗中氙燈波長范圍300～890 nm，輻射強度(1 000±200)W/m2，黑板溫度55℃±3 ℃；相對濕度60%～70%，周期淋水時間為18 min、間隔干燥102 min。電子萬能試驗機工作范圍為0～50 kN，準確度等級0.5級，試驗選用拉伸速率500 mm/min。

表1為SK單組分聚脲材料在氙燈人工加速老化試驗0～1 869 h的性能變化。從表1可以看出，加速老化試驗1 869 h后，SK單組分聚脲老化后強度降低了18%，斷裂伸長率從363.6%降低到338.7%，最大僅降低了8%；從拉伸強度變化規(guī)律來看，拉伸強度開始下降較快，500 h以后下降趨勢穩(wěn)定；從斷裂伸長率變化規(guī)律來看，斷裂伸長率開始下降較快，1 000 h以后趨于穩(wěn)定。從材料表面變化情況來看，材料老化也是主要發(fā)生在表層。

表1 SK單組分聚脲氙燈人工加速老化試驗結果

老化時間/h拉伸強度/MPa性能變化率/%斷裂伸長率/%性能變化率/%01711036360058814241734291613691414173354581869139518338707

表2為雙組分噴涂聚脲材料在氙燈人工加速老化試驗0～1 869 h的性能變化。從表2可以看出，加速老化試驗1 869 h后，雙組分噴涂聚脲老化后強度降低了16.1%，斷裂伸長率從412.8%降低到240.2%，最大降低了42%。拉伸強度開始下降較快，588 h以后下降趨勢越來越慢，斷裂伸長率開始下降較快，588 h以后下降趨于平緩。從材料表面變化情況來看，材料老化主要發(fā)生在表層。

表2 雙組分噴涂聚脲氙燈人工加速老化試驗結果

老化時間/h拉伸強度/MPa性能變化率/%斷裂伸長率/%性能變化率/%0218704128705881838162794732136917222689635186916129240242

天然橡膠板和三元乙丙板也是目前常用的柔性防水材料。表3為天然橡膠在氙燈人工加速老化試驗0～1 500 h的性能變化。從表3可以看出，加速老化試驗1 500 h后，天然橡膠老化后強度降低了48%，開始強度降低較慢，500 h以后強度快速下降；斷裂伸長率降低了53%，老化現(xiàn)象明顯。

表3 天然橡膠氙燈人工加速老化試驗結果

老化時間/h拉伸強度/MPa性能變化率/%斷裂伸長率/%性能變化率/%017060405010500165832901728100012622621557471500894481915753

表4為三元乙丙板在氙燈人工加速老化試驗0～1 500 h的性能變化。從表4可以看出，加速試驗老化1 500 h后，三元乙丙板強度降低很小(2.5%)，但斷裂伸長率降低很快，達到31.1%。

表4 三元乙丙板氙燈人工加速老化實驗結果

老化時間/h拉伸強度/MPa性能變化率/%斷裂伸長率/%性能變化率/%097305517050095914483412410009492542692261500949253803311

比較表1～4可以看出，在氙燈人工加速老化實驗中，SK單組分聚脲材料耐氙燈老化性能最好，雙組分噴涂聚脲和三元乙丙板次之，天然橡膠較差。

1.3 濕熱老化試驗

由于SK單組分聚脲材料可能會在有潮濕、水下及水位變化區(qū)環(huán)境條件下使用，濕熱加速老化可以測試其耐濕熱老化性能。試驗采用恒溫恒濕試驗箱，將啞鈴型試件懸掛在濕熱箱內(nèi)，老化一定時間后取出試件于標準溫度下(23 ℃±2 ℃)放置16 h以上，然后在萬能電子拉力機上進行力學性能測試。表5為SK單組分聚脲和雙組分噴涂聚脲試件在60 ℃濕熱試驗條件下的力學性能試驗數(shù)據(jù)。

表5 60 ℃試驗條件下SK單組分聚脲和雙組分噴涂聚脲濕熱老化試驗成果

老化時間/d拉伸強度/MPa斷裂伸長率/%SK單組分聚脲雙組分噴涂聚脲SK單組分聚脲雙組分噴涂聚脲SK單組分聚脲雙組分噴涂聚脲001543218751223412873316842038540463961477151820905375942652141012262004620044244920301459164354889403976363113216414420537419

從表5可以看出，聚脲這兩種材料的拉伸強度和斷裂伸長率都是隨老化時間的增加而下降的，但是下降速度越來越慢，63 d后SK單組分聚脲抗拉強度和斷裂伸長率分別下降了26.6%和13.7%；雙組分噴涂聚脲抗拉強度和斷裂伸長率分別下降了24.9%和9.34%。

表6 60 ℃條件下天然橡膠和三元乙丙板濕熱老化試驗成果

老化時間/d拉伸強度/MPa斷裂伸長率/%天然橡膠三元乙丙板天然橡膠三元乙丙板01757943533255692631626—46295—716689405066653740101668883465355098730134182337255413586313238203410437648

表6為天然橡膠和三元乙丙板試件在60 ℃試驗條件下的力學性能試驗數(shù)據(jù)。從表6可以看出，天然橡膠63 d后抗拉強度和斷裂伸長率分別下降了24.7%和36.04%，抗拉強度和聚脲相當，但斷裂伸長率較聚脲降低得較快；三元乙丙板63 d后抗拉強度和斷裂伸長率分別下降了13.0%和33.8%，抗拉強度降低較小，但斷裂伸長率較聚脲降低得快。

比較表5和表6數(shù)據(jù)，高分子材料在濕熱環(huán)境下老化較快，相比之下雙組分噴涂聚脲和SK單組分聚脲耐濕熱老化性能較好，三元乙丙板次之，天然橡最差。

1.4 熱氧老化試驗

試驗采用橡膠老化試驗箱，工作溫度范圍為40～150 ℃，將啞鈴型試件懸掛在老化箱內(nèi)，老化箱空氣置換率為3～10次/h。老化一定時間后取出試件于標準溫度下(23 ℃±2 ℃)放置16 h以上，然后在萬能電子拉力機上進行力學性能測試。

表7為SK單組分聚脲和雙組分噴涂聚脲試件在80 ℃試驗條件下的力學性能試驗結果。從表7可以看出，拉伸強度σ隨老化時間增加而下降，由于聚脲材料的耐熱老化性能優(yōu)異，老化性能下降緩慢，56 d后SK單組分聚脲抗拉強度和斷裂伸長率分別下降了9.0%和14.6%，雙組分噴涂聚脲抗拉強度和斷裂伸長率分別下降了17.7%和17.4%。

表7 80 ℃條件下SK單組分聚脲和雙組分噴涂聚脲熱氧化試驗成果

老化時間/d拉伸強度/MPa斷裂伸長率/%SK單組分雙組分SK單組分雙組分012972187456294128721332053496574244351159201843652373617995194552226413892110071937461014242841916187238157397644910981864393242628561181799389673411

表8為天然橡膠和三元乙丙板在80 ℃條件下熱氧化試驗成果，從表8可以看出，56 d后天然橡膠抗拉強度和斷裂伸長率分別下降了63.92%和74.55%，均超過50%，較聚脲降低得快；56 d后三元乙丙板抗拉強度下降了11.7%，與聚脲相當，但斷裂伸長率下降了56.8%，均超過50%，較聚脲降低得快。

表8 80℃ 條件下天然橡膠和三元乙丙板熱氧化試驗成果

老化時間/d拉伸強度/MPa斷裂伸長率/%天然橡膠三元乙丙板天然橡膠三元乙丙板01757878533254646421521735459883925551509687341472895971418709347943254421108—209682081641786902013323202496846861895323125566347751357320057

對比表7和表8試驗成果，SK單組分聚脲耐熱氧化性能最好，其次是雙組分噴涂聚脲和三元乙丙板，天然橡膠較差。

2 現(xiàn)場耐老化試驗

十三陵抽水蓄能電站所處地區(qū)屬嚴寒地區(qū)，上庫冬季實測最低氣溫-22.6 ℃，最大風速23 m/s，每年最低氣溫小于0 ℃的天數(shù)達120天左右。電站運行期間，上庫水位漲落頻繁，每天1～2個循環(huán)，最大水位降速7～9 m/s。面板經(jīng)受著溫差、凍融及干濕交替頻繁等多種不利因素作用。因此，十三陵抽水蓄能電站上庫混凝土面板運行條件十分惡劣。為了驗證SK單組分聚脲的耐久性及抗凍性，2007年在上庫混凝土面板進行了現(xiàn)場涂刷SK單組分聚脲防護試驗。試驗范圍包括水下、水位變化區(qū)和水上三個部位，并進行了跟蹤測試，測試結果見表9。從表9可以看出，無論在水上、水下還是水位變化區(qū)，SK單組分聚脲使用7年后，聚脲表面無異常變化。粘接強度測量結果表明，SK單組分聚脲與面板混凝土之間的粘結拉拔強度為2.2～3.8 MPa，隨著時間的推移，水上、水位變化區(qū)及水下測量的粘結強度基本上沒有變化，說明SK單組分聚脲涂層耐久性很好。

表9 SK單組分聚脲與面板混凝土現(xiàn)場粘結拉拔強度 MPa

注：*表示因為當時水位不能降低，未測量；**聚脲與拉拔頭之間的膠脫落.

3 結 語

SK單組分聚脲、雙組分噴涂聚脲、三元乙丙板和天然橡膠板是水利水電工程中經(jīng)常采用的柔性防護材料，從本文所述室內(nèi)老化試驗結果來看，SK單組分聚脲綜合耐老化性能最好，其次是雙組分噴涂聚脲和三元乙丙板，天然橡膠板耐老化性能相對較差。從現(xiàn)場試驗來看，SK單組分聚脲位于水上、水下及水位變化區(qū)材料表面無異常，與混凝土之間的粘接強度無變化，說明SK單組分聚脲涂層耐久性很好，可以滿足工程需要。SK單組分聚脲初期在李家峽水電站泄洪道抗沖磨防護、寶泉水電站混凝土副壩上游面大面積防滲及十三陵抽水蓄能電站上庫面板裂縫封閉等工程中的應用已有8～9年的時間，目前效果很好，更長期的效果還需要進一步的觀察。

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(責任編輯 焦雪梅)

Study on Aging Test of SK One Component Polyurea

SUN Zhiheng1,2, LI Jingwei1,2, ZHAO Bo1,2

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China; 2. Beijing IWHR-KHL Co., Ltd., Beijing 100038, China)

The aging characteristics of four kinds of material, including SK one component polyurea, two component spray polyurea elastomer, EPDM rubber sheet and natural rubber (NR) sheet, are studied by accelerated aging tests. The test results show that the durability of SK one component polyurea is excellent, followed by two component spray polyurea elastomer and EPDM rubber sheet respectively, and that of the NR sheet is worst. Meanwhile, an on-site aging test of SK one component polyurea is also conducted at upper reservoir of Ming Tombs Pumped-storage Power Station. After 7 years on-site application, the appearance of SK one component polyurea shows no abnormality and the pulling adhesive strength is no change at different positions of dry area, underwater area and water level changing area．

SK one component polyuria; artificial accelerated aging; on-site test; durability

2016- 02- 02

孫志恒(1962—)，男，山東淄博人，教授級高工，主要從事水工混凝土建筑物的檢測、評估及修補加固工作．

TV698.2

A

0559- 9342(2016)09- 0116- 04