單組分聚脲材料在寒冷地區(qū)某大壩溢流面防護(hù)中的應(yīng)用

馬 宇，任 亮，馮 啟，孫志恒，夏世法

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部綜合事業(yè)局，北京 100053；3.北京市南水北調(diào)東干渠管理處，北京 100176）

單組分聚脲材料在寒冷地區(qū)某大壩溢流面防護(hù)中的應(yīng)用

馬 宇1，任 亮2，馮 啟3，孫志恒1，夏世法1

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.水利部綜合事業(yè)局，北京 100053；3.北京市南水北調(diào)東干渠管理處，北京 100176）

水利水電工程泄洪建筑物表面經(jīng)常遭受高速含沙水流或攜帶推移質(zhì)的沖刷，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損及氣蝕破壞，采用性能優(yōu)越的水工混凝土抗沖耐磨材料修復(fù)和防護(hù)尤為重要。本文通過單組分聚脲材料性能試驗(yàn)揭示了材料的特點(diǎn)，介紹了其在新疆某大壩溢流面防護(hù)中的應(yīng)用情況，其處理技術(shù)對(duì)類似工程具有良好的借鑒意義。

寒冷地區(qū)；水工建筑物；沖蝕磨損；單組分聚脲防護(hù)涂層

1 研究背景

水利水電工程泄水建筑物混凝土表面磨損沖擊和空蝕破壞是常見的病害，特別是當(dāng)水流流速較高、水流中挾帶沙石等磨損介質(zhì)時(shí)，這種破壞更為嚴(yán)重，直接影響工程的安全運(yùn)行，降低使用壽命，且維修費(fèi)用巨大，我國(guó)北方寒冷地區(qū)溢流面混凝土破壞現(xiàn)象尤為嚴(yán)重［1-2］。為了解決這一問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泄水建筑物混凝土抗沖耐磨防護(hù)技術(shù)做了大量的研究，除了科學(xué)地對(duì)建筑物表面體型特征進(jìn)行水力學(xué)和水工設(shè)計(jì)外，采用性能優(yōu)越的材料對(duì)泄水建筑物進(jìn)行防護(hù)和修復(fù)尤為必要。

抗沖磨混凝土護(hù)面修復(fù)材料品種繁多，按材料的基本成分劃分主要有無機(jī)材料和有機(jī)材料兩類，無機(jī)材料方面主要是研究和發(fā)展抗沖磨混凝土技術(shù)，有機(jī)材料方面主要是研究高分子材料的性能。按混凝土缺陷修復(fù)處理深度劃分主要分為深層修復(fù)材料、薄層修復(fù)材料和表面防護(hù)材料，其中深層修復(fù)材料主要以混凝土類修復(fù)材料為主，薄層修復(fù)材料主要是聚合物砂漿（如環(huán)氧砂漿、高彈性抗沖磨砂漿）和聚合物水泥砂漿，表面防護(hù)材料主要以聚脲類、環(huán)氧類和聚氨酯類涂層為主。

近些年，硅粉混凝土、鋼纖維混凝土和環(huán)氧砂漿等材料抗沖磨性能較普遍混凝土均有顯著提高，但在工程應(yīng)用的過程中，依然存在著各自的問題。硅粉混凝土存在工作性能差、施工困難、早期干縮大以及裂縫嚴(yán)重等問題［3］。鋼纖維混凝土難以攪拌均勻、和易性差、施工性能差［4］。環(huán)氧樹脂其自身在提高斷裂韌性和抗裂性，以及方便快速易于施工、適應(yīng)有水或潮濕混凝土表面并具有高黏接強(qiáng)度等方面，尚有待進(jìn)一步改善［5］。近些年，隨著聚脲概念的普及深入，聚脲技術(shù)在越來越多的領(lǐng)域得到了開發(fā)與應(yīng)用，例如海洋及海岸設(shè)施、地坪抗沖、管道防腐和建筑防水等均得到了成功應(yīng)用，但其應(yīng)用在水利工程溢流面混凝土抗沖耐磨防護(hù)中的工程案例卻較少，本文介紹單組分聚脲材料在新疆某大壩溢流面防護(hù)中的應(yīng)用實(shí)踐，以期對(duì)類似工程具有良好的借鑒作用。

2 單組分聚脲材料室內(nèi)性能試驗(yàn)

2.1基本性能單組分聚脲材料是國(guó)內(nèi)近十幾年來發(fā)展起來的一類反應(yīng)型、無溶劑污染的涂料產(chǎn)品，其由含多異氰酸酯的高分子預(yù)聚體與經(jīng)封端的多元胺（包括氨基聚醚）混合，并加入其他功能性助劑所組成。在無水狀態(tài)下，體系穩(wěn)定，一旦開桶施工，在空氣中水分的作用下，迅速產(chǎn)生多元胺，多元胺迅速與異氰酸酯反應(yīng)，形成涂膜材料。其基本性能測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 單組分聚脲（抗沖磨型）基本性能［6］

由表1可知，單組分聚脲材料具有拉伸強(qiáng)度大、硬度高、柔性好、伸長(zhǎng)率大、抗沖耐磨性好、低溫柔性等特點(diǎn)，可以適用于寒冷地區(qū)的混凝土溢流面、泄洪洞等具有抗沖磨要求的泄水建筑物表面防護(hù)及裂縫表面封閉。

2.2綠色環(huán)保性能現(xiàn)代有機(jī)高分子材料的發(fā)展趨勢(shì)是環(huán)境友好，特別是在水利工程中，由于涉及到水環(huán)境污染，材料所具有綠色環(huán)保性能顯得尤為重要。針對(duì)單組分聚脲材料的環(huán)保性能進(jìn)行了測(cè)試分析，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 環(huán)保性能測(cè)試分析

由表2的對(duì)比數(shù)據(jù)分析可知，單組分聚脲材料有害物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家規(guī)定的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)指標(biāo)，表明其具有較好的環(huán)保性能，能夠在水利工程中應(yīng)用。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

某水利樞紐工程位于新疆阿勒泰地區(qū)的福?？h與富蘊(yùn)縣境內(nèi)，主壩最大壩高121.50 m，樞紐由碾壓混凝土重力壩、溢流表孔、泄洪中孔、放水底孔、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房和副壩組成，主壩全長(zhǎng)1 570.0 m。溢流壩段、中孔壩段及底孔壩段布置在主河床左側(cè)，共布置4個(gè)溢流表孔，每孔凈寬12 m；泄洪中孔布置1孔，壩段寬15 m，溢流面表層抗沖磨混凝土采用常態(tài)混凝土，強(qiáng)度等級(jí)R400，抗?jié)B等級(jí)W8，抗凍等級(jí)F300。放空底孔布置1孔，壩段寬15 m。閘井后直接高壓管道，采用一洞四機(jī)的布置方案，發(fā)電引水洞為有壓圓洞，洞線總長(zhǎng)457.0 m。

該電站地處高寒地區(qū)，壩址區(qū)極端最低氣溫-49.8℃，為國(guó)內(nèi)外碾壓混凝土重力壩所在地區(qū)低溫之最，混凝土凍融剝蝕嚴(yán)重。施工單位于2011年和2012年分別對(duì)重力壩4個(gè)表孔溢流面混凝土表面進(jìn)行防護(hù)施工，主要包括溢流面混凝土缺陷修補(bǔ)、伸縮縫防滲、混凝土表面防護(hù)處理等?，F(xiàn)場(chǎng)采用環(huán)氧砂漿修復(fù)混凝土局部缺陷，混凝土表面采用單組分聚脲材料進(jìn)行整體防護(hù)的方案，防護(hù)處理面積為10 500 m2。

具體施工過程如下。

（1）混凝土缺陷修復(fù)處理。當(dāng)剝蝕深度大于0.5 cm時(shí)，鑿除凍融引起的基層混凝土及脫空的混凝土，直至露出新鮮堅(jiān)硬的混凝土面，鑿除深度應(yīng)大于1 cm，并用高壓水沖洗干凈，然后在表面涂刷一層界面劑，當(dāng)界面劑指干后即可回填改性環(huán)氧砂漿，每次回填改性環(huán)氧砂漿的厚度在1～2 cm，如缺陷較深應(yīng)分多次回填，并用抹刀將砂漿壓實(shí)抹平，修補(bǔ)后的部位滿足大壩溢流面平整度的要求。

（2）伸縮縫修復(fù)處理。對(duì)于溢流壩面的伸縮縫，表面進(jìn)行打磨并清除縫面雜物，在原伸縮縫止水的基礎(chǔ)上直接采用單組分聚脲復(fù)合胎基布進(jìn)行封閉，單組分聚脲涂層寬度為60 cm，涂刷厚度大于4 mm。

（3）混凝土表面防護(hù)處理。對(duì)混凝土基面進(jìn)行打磨處理，采用高壓水槍沖洗干凈，混凝土表面干燥后均勻涂刷界面劑，待界面劑指觸表干后，涂刮單組分聚脲材料對(duì)混凝土表面進(jìn)行防護(hù)處理，涂層厚度不小于2 mm。

（4）工程質(zhì)量檢查。工程驗(yàn)收質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及合同要求。現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽檢15個(gè)點(diǎn)采用拉拔儀對(duì)涂層正黏接強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，單組分聚脲涂層與混凝土黏接強(qiáng)度均大于2.0 MPa，其中3處黏接強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa以上，均從混凝土本體間斷開，表明聚脲涂層實(shí)際黏接強(qiáng)度大于基礎(chǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度。

圖1 新疆某水利樞紐溢流表孔

4 溢流面防護(hù)涂層泄水檢驗(yàn)

原設(shè)計(jì)大壩表孔正常運(yùn)行期不過水，日常灌溉期除發(fā)電外，從底孔向下游放水。但2013年和2014年由于底孔閘門出現(xiàn)問題，開啟后再關(guān)閉時(shí)封閉不嚴(yán)，導(dǎo)致底孔漏水嚴(yán)重，所以2013年和2014年下游灌溉需水從表孔排放。放水時(shí)堰頂最高流速達(dá)20 m/s，溢流面直線段及反弧段泄水流速達(dá)到30～40 m/s。2013年過流時(shí)間超過170 h，流量430～520 m3/s；2014年4個(gè)表孔同時(shí)放水，最大流量902 m3/s，過流時(shí)間超過200 h。泄水后，對(duì)溢流面防護(hù)涂層質(zhì)量進(jìn)行檢查，從現(xiàn)場(chǎng)情況看，泄水后的溢流面單組分聚脲涂層整體質(zhì)量良好，但局部有破損、起皮脫落現(xiàn)象。破損部位主要集中在：（1）溢流面中間的伸縮縫；（2）2011年、2012年聚脲施工的交界面；（3）溢流面折線部位，如頂部堰面與斜坡段的交界部位，底部斜坡段與反弧段的交界部位，摻氣槽折線部位。單組分聚脲涂層在上述部位局部出現(xiàn)了破損現(xiàn)象，但寬度不大，最大寬度約30 cm。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，溢流面4個(gè)表孔單組分聚脲涂層破損面積約為150 m2。具體破損情況見圖2、圖3所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況進(jìn)行分析，單組分聚脲涂層破損的原因主要有以下幾個(gè)方面：（1）本工程地處嚴(yán)寒地區(qū)，一般情況下，冬季最低氣溫可達(dá)-40℃以下，夏季最高氣溫可達(dá)35℃以上，氣溫年內(nèi)溫差很大。溢流壩段伸縮縫開度在年內(nèi)變化較大，施工期僅對(duì)伸縮縫部位聚脲涂層進(jìn)行了加厚處理，但仍存在被拉裂的風(fēng)險(xiǎn)。在較大過水流速作用下，可能會(huì)局部破壞；（2）單組分聚脲涂層分2年施工，跨年度施工聚脲搭接界面存在局部脫落現(xiàn)象，與搭接面處理工藝有關(guān)；（3）大壩溢流面混凝土不平整，尤其是存在折線部位，高速過流時(shí)空蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重。另外，在施工過程中，折線部位容易出現(xiàn)厚度較薄現(xiàn)象。

針對(duì)溢流面泄水過流后單組分聚脲防護(hù)涂層局部破損的問題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分別制定了下列有效的改進(jìn)措施。

圖2 反弧段伸縮縫處聚脲局部破損

圖3 2011年和2012年聚脲施工搭接處破損

（1）對(duì)于涂層局部破損的情況，首先對(duì)混凝土沖毀部位采用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)，然后對(duì)單組分聚脲涂層起皮、脫落部位進(jìn)行局部鏟除，并用鋼絲刷頭進(jìn)行徹底打磨并清洗，露出干凈的混凝土基面，表面涂刷專用底涂界面劑，重新涂刷聚脲加厚至設(shè)計(jì)厚度。

（2）對(duì)于伸縮縫表面防護(hù)涂層出現(xiàn)破壞的情況，先剔除伸縮縫內(nèi)雜物及原嵌縫泡沫板，重新嵌填GB柔性止水填料作為“聚脲空隔層”，減小因伸縮縫變動(dòng)對(duì)防護(hù)涂層的影響，降低單組分聚脲防護(hù)涂層由于應(yīng)力集中而被拉裂的風(fēng)險(xiǎn)。伸縮縫修復(fù)處理見圖4所示。

圖4 伸縮縫修復(fù)處理

（3）為了增加聚脲之間的黏接強(qiáng)度，避免修復(fù)過程中出現(xiàn)新老聚脲分層的問題，聚脲搭接部位采用活化劑進(jìn)行了預(yù)先處理，重新涂刷聚脲加厚至設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

單組分聚脲材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，良好的耐老化能力、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其在寒冷地區(qū)，單組分聚脲材料能適應(yīng)低溫環(huán)境，可以抵抗低溫時(shí)混凝土開裂引起的變形，而不引起滲漏。溢流面底板部位的單組分聚脲防護(hù)涂層自2011年施工至今，已歷經(jīng)近5個(gè)嚴(yán)冬的考驗(yàn)，單組分聚脲防護(hù)材料整體質(zhì)量良好，光澤及顏色無明顯變化，涂層表面無開裂現(xiàn)象。期間經(jīng)歷過2次泄水的檢驗(yàn)，雖有局部破損，但是防護(hù)涂層未發(fā)現(xiàn)大面積脫落或破壞的情況，防護(hù)涂層整體質(zhì)量良好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

實(shí)踐證明，單組分聚脲材料在我國(guó)高寒地區(qū)水工建筑物混凝土抗沖耐磨防護(hù)施工中具有廣泛的應(yīng)用前景，為今后類似工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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Application of one component polyurea material in the overflow surface for the dam protection in cold regions

MA Yu1，REN Liang2，F(xiàn)ENG Qi3，SUN Zhiheng1，XIA Shifa1
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Bureau of Comprehensive Development Ministry of Water Resources，Beijing 100053，China；3.The South-to-North Water Diversion East Main Canal Management of Beijing，Beijing 100176，China）

As the concrete surfaces of the sluice structure in water and hydropower projects would often suf?fer from the erosion of high speed sandy flow or water flow with bed load，there will often appear different degrees of wear and cavitations damages after a certain time of operation.Therefore，it is especially impor?tant to use the materials with high performance in resisting erosion and abrasion.In this paper，the one component polyurea performance test experiments are used to reveal the characteristics and advantages of this material.This paper introduces its application in the protection of overflow surface of a dam in Xinji?ang.The processing technology has good significance for the similar projects reference.

cold regions；Hydraulic structure；Scour-abrasion resistance；One component polyurea protective coatings

TV543.6

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.007

1672-3031（2017）01-0049-05

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2016-01-22

馬宇（1985-），男，北京人，碩士，工程師，主要從事水工建筑物缺陷修復(fù)加固技術(shù)研究。E-mail：mayu@iwhr.com