SK手刮聚脲在西北高寒地區(qū)輸調(diào)水工程的應(yīng)用

胡普年

摘要：莊浪河渡槽是甘肅省引大入秦工程重點(diǎn)建筑物之一，地處西北高寒地區(qū)，經(jīng)20多a的輸水運(yùn)行，出現(xiàn)混凝土凍融剝蝕破壞，鋼筋銹蝕、裸露等病害缺陷。選擇SK手刮聚脲作為防護(hù)材料進(jìn)行適用性試驗(yàn)研究，針對(duì)SK手刮聚脲本體強(qiáng)度、抗凍防護(hù)性能、耐低溫性能、抗沖磨及耐老化性能開展室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：SK手刮聚脲材料在高寒地區(qū)氣候環(huán)境下，不僅表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能、較強(qiáng)的抗沖磨能力，而且工藝簡(jiǎn)便。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)莊浪河渡槽3a的通水運(yùn)行檢驗(yàn)，SK手刮聚脲材料能夠滿足渡槽安全運(yùn)行的要求，是目前西北寒冷地區(qū)水利工程混凝土表面缺陷較為理想的修補(bǔ)材料。

關(guān)鍵詞：聚脲;高寒地區(qū);輸調(diào)水工程：莊浪河渡槽

中圖分類號(hào)：TV68

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019. 04.027

隨著我國(guó)水利工程的發(fā)展，一批大型和特大型長(zhǎng)距離輸調(diào)水工程相繼投入建設(shè)和運(yùn)行。輸調(diào)水工程運(yùn)行距離長(zhǎng)，建筑物類型多，運(yùn)行條件復(fù)雜。特別在我國(guó)西北高寒地區(qū)，冬季與水接觸的建筑物混凝土常因凍融而遭到破壞，表現(xiàn)為表面酥松、層狀脫落、強(qiáng)度降低、鋼筋銹蝕等，嚴(yán)重影響工程的安全運(yùn)行及使用壽命。因此對(duì)混凝土襯砌進(jìn)行表面防滲處理，是寒冷地區(qū)渠系建筑物安全運(yùn)行和增強(qiáng)耐久性的重要手段。

引大人秦工程莊浪河渡槽位于甘肅省永登縣境內(nèi)，是引大人秦工程的重點(diǎn)建筑物之一。渡槽全長(zhǎng)2 194.8 m，設(shè)計(jì)流量18.0 m/s.加大流量21.5 m/s.設(shè)計(jì)縱坡1/750.設(shè)計(jì)過(guò)水?dāng)嗝鏋?.8 mx3.3 m的矩形槽。冬季最低環(huán)境溫度達(dá)-35℃，渡槽自1994年建成投入運(yùn)行至今已有20多a.受外界環(huán)境及工程運(yùn)行影響，渡槽槽身（底板）混凝土存在表層剝蝕破壞嚴(yán)重，槽身側(cè)墻鋼筋銹蝕、裸露等病害缺陷。病害的存在影響渡槽的結(jié)構(gòu)安全和耐久性，給渡槽的安全運(yùn)行帶來(lái)極大隱患，亟需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

1 試驗(yàn)方案

莊浪河渡槽地處西北高寒地區(qū)，紫外線照射強(qiáng)烈，因此選用的防護(hù)材料必須適用于高寒地區(qū)的環(huán)境，根據(jù)技術(shù)調(diào)研和參考相關(guān)工程，選擇SK手刮聚脲作為防護(hù)試驗(yàn)材料。根據(jù)水工建筑物凍融破壞機(jī)制及破壞形式，結(jié)合莊浪河渡槽現(xiàn)狀及當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，試驗(yàn)分為室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)主要針對(duì)SK手刮聚脲本體強(qiáng)度、抗凍防護(hù)性能、耐低溫性能、抗沖磨及耐老化性能進(jìn)行研究。為驗(yàn)證材料的適用性，選擇具有代表性的3個(gè)跨段，開展SK手刮聚脲現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定莊浪河渡槽修補(bǔ)加固技術(shù)方案。

2 材料特性

SK手刮聚脲主要由含多異氰酸酯-NCO的小分子或高分子的A組分與含有2個(gè)或2個(gè)以上端氨基的高分子或低分子組合物R組分組成。A組分和R組分混合后迅速反應(yīng)生成聚脲?；瘜W(xué)封閉R組分的端氨基，在隔絕空氣和水分的條件下穩(wěn)定;與空氣接觸，發(fā)生反應(yīng)生成多元胺，并繼續(xù)與異氰酸酯-NCO反應(yīng)生成單組分聚脲[1]。

SK手刮聚脲的特征：可以任意厚度成膜，能有效提高施工效率并避免施工錯(cuò)誤;不含增塑劑、白油和粉料，對(duì)混凝土或大多數(shù)基材都有良好附著力;耐久性強(qiáng)，一般情況下材料有15-20 a的使用壽命：在陽(yáng)光下暴露，其耐久性在20 a以上。

3 室內(nèi)試驗(yàn)研究

3.1 抗拉強(qiáng)度性能試驗(yàn)

為了測(cè)試材料的抗拉強(qiáng)度，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。參照《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》（GB/T 16777-2008）進(jìn)行聚脲涂膜的制備和試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 低溫條件下的力學(xué)性能

采用高低溫電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試SK手刮聚脲在低溫環(huán)境下的力學(xué)性能，分別在-23、-45℃條件下進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率檢測(cè)。-23℃條件下，拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率分別為17.3 MPa、384%;-45℃條件下，拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率分別為35.2 MPa、144%。

3.3 低溫條件下黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

低溫條件下SK手刮聚脲與混凝土的黏結(jié)性能是評(píng)價(jià)整個(gè)防護(hù)體系是否安全的關(guān)鍵，在室溫及低溫下SK手刮聚脲與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

3.4 對(duì)混凝土抗凍性能的影響

為測(cè)試材料對(duì)混凝土抗凍性能的影響，采用混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)試凍融循環(huán)前后SK手刮聚脲與混凝土的拉拔黏結(jié)強(qiáng)度，檢測(cè)該材料的抗凍性以及對(duì)混凝土的防護(hù)作用。凍融前拉拔黏結(jié)強(qiáng)度與凍融300次后拉拔黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)比見(jiàn)表3。

3.5 抗沖磨性能試驗(yàn)

水工混凝土的沖磨試驗(yàn)普遍采用《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（ SL 352-2006）推薦的圓環(huán)法和水下鋼球法。在同等試驗(yàn)條件下，與抗壓強(qiáng)度為69.9 MPa的C50混凝土相比，SK手刮聚脲的抗沖磨性能非常優(yōu)異，在同等試驗(yàn)條件下僅有少量磨損，見(jiàn)表4。

3.6 耐老化性能試驗(yàn)

通過(guò)氙燈人工加速老化試驗(yàn)檢測(cè)材料的光穩(wěn)定性和抗老化性，結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，加速老化試驗(yàn)1 869 h后.SK手刮聚脲老化后強(qiáng)度僅降低了18%，拉斷伸長(zhǎng)率從364%降低到了339%，性能變化率最大僅為8%。

從圖1可以看出，拉伸強(qiáng)度開始下降較快.500 h后趨于穩(wěn)定。從圖2可以看出，拉斷伸長(zhǎng)率開始下降較快，1 000 h后趨于穩(wěn)定。從材料表面變化情況來(lái)看，材料老化主要發(fā)生在表層。

3.7 試驗(yàn)結(jié)果分析

SK手刮聚脲涂層材料具有良好的拉伸性能和變形能力，平均拉伸強(qiáng)度達(dá)18.21 MPa，極限拉伸伸長(zhǎng)率大于300%，能夠較好適應(yīng)于混凝土裂縫、伸縮縫等部位的防護(hù)要求。SK手刮聚脲在低溫環(huán)境下仍具有良好性能。SK手刮聚脲與混凝土的黏結(jié)性能優(yōu)良，凍融循環(huán)300次前后拉拔黏結(jié)強(qiáng)度均大于3 MPa，說(shuō)明SK手刮聚脲具有較好的抗凍性。SK手刮聚脲抗沖磨強(qiáng)度是C50混凝土材料的100倍以上。氙燈加速老化試驗(yàn)1869 h后，SK手刮聚脲老化后強(qiáng)度僅降低18%，拉斷伸長(zhǎng)率從364%降低到33go-/o.最大僅降低8%.強(qiáng)度仍達(dá)到14.0 MPa.伸長(zhǎng)率大于300%，說(shuō)明SK手刮聚脲具有優(yōu)異的抗老化性能。

4 現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)研究

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，選取渡槽的35#、41#、56#三跨進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，主要對(duì)底板及側(cè)墻混凝土50 cm高度范圍內(nèi)進(jìn)行剝蝕修復(fù)及表面涂層防護(hù)處理。采用聚合物砂漿對(duì)槽身底板混凝土剝蝕或局部沖蝕破壞的區(qū)域進(jìn)行修復(fù)：對(duì)于基面比較完整，沒(méi)有發(fā)生凍融破壞的混凝土表面，進(jìn)行打磨清洗，對(duì)小的孔洞進(jìn)行封閉;對(duì)渡槽底板及側(cè)墻高度50 cm范圍內(nèi)刮涂2 mm厚SK手刮聚脲進(jìn)行整體表面防護(hù)處理。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)步驟：試驗(yàn)區(qū)域剝蝕混凝土表面鑿毛→聚合物砂漿修補(bǔ)→基面打磨清洗處理→涂刷專用界面劑→涂刷防護(hù)材料至設(shè)計(jì)厚度→防護(hù)材料黏結(jié)性能檢測(cè)→試驗(yàn)效果分析評(píng)價(jià)。

涂刷防護(hù)材料3個(gè)月后，采用TJIO型碳纖維黏結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)儀進(jìn)行SK手刮聚脲涂層的黏結(jié)強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可以看出，SK手刮聚脲與渡槽混凝土黏結(jié)效果良好，黏結(jié)強(qiáng)度均不小于2.5 MPa。

綜合室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)結(jié)果，SK手刮聚脲具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐低溫性能，適用于西北高寒地區(qū)水利工程混凝土表面缺陷的修復(fù)防護(hù)處理。

5 結(jié)語(yǔ)

甘肅省引大人秦工程地處西北高寒地區(qū)，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，工程運(yùn)行多年后，類似莊浪河渡槽的工程病害問(wèn)題較為普遍，室內(nèi)外試驗(yàn)研究表明，SK手刮聚脲材料在高寒地區(qū)氣候環(huán)境下，不僅表現(xiàn)出良好的綜合力學(xué)性能、較強(qiáng)的抗沖磨能力，而且施工工藝簡(jiǎn)便。試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)莊浪河渡槽3a的通水運(yùn)行檢驗(yàn).SK手刮聚脲材料能夠滿足渡槽安全運(yùn)行的要求，是目前西北寒冷地區(qū)水利工程混凝土表面缺陷較為理想的修補(bǔ)材料，在高寒地區(qū)水利工程病害治理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫志恒，夏世法，付穎千，等，單組分聚脲在水利水電工程中的應(yīng)用前景[ C]//水電混凝土建筑物評(píng)估與修補(bǔ)，北京：海洋出版社，2007：228-231.

【責(zé)任編輯呂艷梅】