防護(hù)涂層在水利工程中的應(yīng)用進(jìn)展研究

周建云 周清勇

(1.江西省袁惠渠工程管理局，江西 新余 338000；2.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029)

水利工程在大土木領(lǐng)域有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性以及功能作用，長(zhǎng)期復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)行條件嚴(yán)重影響筑壩材料耐久性，尤其是混凝土筑壩材料，材料界面內(nèi)存在大量孔隙，當(dāng)外界有害離子通過(guò)孔隙進(jìn)入材料內(nèi)部孔道后，容易出現(xiàn)裂縫、滲漏、凍融破壞、沖刷、磨損和空蝕等問(wèn)題，這些也是大體積混凝土結(jié)構(gòu)的主要病害形式[1]。

特別在我國(guó)西北高寒地區(qū)，是多個(gè)重要水系的發(fā)源地，具有日夜溫差大、嚴(yán)寒干燥、日照強(qiáng)紫外和深覆蓋層凍土等惡劣環(huán)境條件，因此該區(qū)域的水工混凝土結(jié)構(gòu)將面臨嚴(yán)重凍融破壞，將加速溶蝕、沖刷和碳化等病害劣化進(jìn)程。另外，我國(guó)的大江大河中通常含有大量泥沙，水利工程高速泄流時(shí)含沙水流以及推移質(zhì)將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊摩擦與空蝕作用，磨損建筑材料從而影響結(jié)構(gòu)安全，因此工程中泄水建筑物無(wú)法保障長(zhǎng)效安全運(yùn)行，需定期開(kāi)展檢修及加固[2]。

為有效提升混凝土材料耐久性，防止外界有害因素對(duì)材料的侵蝕，通常會(huì)在建設(shè)初期對(duì)結(jié)構(gòu)表層噴涂防護(hù)材料，對(duì)已建工程出現(xiàn)劣化現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)則噴涂防護(hù)涂層進(jìn)行及時(shí)有效的修補(bǔ)。本文從防護(hù)涂層材料性能研究和防護(hù)涂層工程應(yīng)用研究?jī)煞矫婧?jiǎn)要闡述了當(dāng)前的研究成果，并展望了未來(lái)水工結(jié)構(gòu)工程中防護(hù)涂層的發(fā)展方向。

1 涂層材料性能研究現(xiàn)狀

1.1 抗沖耐磨

1.1.1 聚合物砂漿

聚合物在水泥砂漿表面成膜，填充砂漿中的孔隙，同時(shí)聚合物中的活性官能團(tuán)將與水泥基中的基團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相比普通砂漿具有優(yōu)越的黏結(jié)密實(shí)性能，抗?jié)B防水性能顯著提升。由于聚合物主要分乳液與樹(shù)脂兩類，因此防護(hù)砂漿主要是丙烯酸酯乳液砂漿和環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，其中丙烯酸酯乳液砂漿黏結(jié)強(qiáng)度高，抗裂性能好，但耐磨性能相比環(huán)氧樹(shù)脂砂漿較弱；環(huán)氧樹(shù)脂砂漿的抗汽蝕性能能夠達(dá)到C40混凝土的6～8倍，耐磨性能突出，但黏度過(guò)大導(dǎo)致施工困難，且與混凝土線膨脹系數(shù)有較大差異，當(dāng)溫度變化時(shí)易導(dǎo)致防護(hù)涂層的空鼓、開(kāi)裂和脫落。

1.1.2 噴涂彈性體

彈性體材料是由氨基化合物組分、羥基化合物組分與異氰酸酯組分反應(yīng)而得到的，可分為聚氨酯、聚氨酯(脲)和聚脲，三者的應(yīng)用領(lǐng)域和形式基本一致。從分子結(jié)構(gòu)而言，聚氨酯與聚脲有相似之處，常用的雙組分聚脲常常利用異氰酸根與羥基的反應(yīng)進(jìn)行預(yù)聚改性，導(dǎo)致分子中含有氨酯基結(jié)構(gòu)。通常會(huì)將由異氰酸根與氨基反應(yīng)后完成最終固化的材料稱為聚脲材料，而將異氰酸根與羥基反應(yīng)后完成最終固化的材料稱為聚氨酯材料。聚脲材料的一大特點(diǎn)是其固化反應(yīng)速度快，材料對(duì)于施工條件和施工環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠在任意形狀的工作面上進(jìn)行施工，施工效率高，具有較強(qiáng)的抗磨防腐性能，特別在潮濕表面作業(yè)時(shí)優(yōu)勢(shì)尤為明顯，基本不會(huì)受到異氰酸酯與水反應(yīng)生成二氧化碳的副反應(yīng)影響而產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象[3]。但對(duì)噴涂設(shè)備要求過(guò)高，材料成本相比聚合物砂漿約提升2倍左右，目前主要通過(guò)研發(fā)環(huán)氧樹(shù)脂類或改性環(huán)氧樹(shù)脂類界面劑來(lái)提升聚脲彈性體與混凝土基材黏結(jié)強(qiáng)度以降低材料成本。同時(shí)有研究表明，涂層體系內(nèi)的主要成膜物質(zhì)對(duì)涂層材料的抗蝕耐磨性能影響較大，活性氫組分中端胺基聚醚和胺類擴(kuò)鏈劑含量的增加將有效提升涂層的耐磨損性能。純聚脲涂層相比聚脲與聚氨酯混合涂層具有更強(qiáng)的抗蝕耐磨性能，同時(shí)明顯改善了沖蝕角的敏感性[4]。

1.1.3 抗沖耐磨涂料

涂料由成膜樹(shù)脂、溶劑、固化劑、耐磨料及助劑組成，成膜樹(shù)脂來(lái)源豐富且成本較低，其中環(huán)氧樹(shù)脂與混凝土或金屬的黏結(jié)性能強(qiáng)，具有較好的耐水、耐酸和耐堿性能，與其他樹(shù)脂改性容易，因優(yōu)點(diǎn)顯著而應(yīng)用廣泛。目前新材料研究中采用納米技術(shù)對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行改性以提升涂層的綜合性能，納米粒子具有典型的表面效應(yīng)與小尺寸效應(yīng)，在與樹(shù)脂復(fù)合過(guò)程中納米粒子將填充于樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)起到充分的潤(rùn)滑作用，同時(shí)受到外力沖擊時(shí)將出現(xiàn)微裂紋以吸收能量，達(dá)到增強(qiáng)韌性的效果。雖然新材料在多數(shù)領(lǐng)域已得到成功應(yīng)用，但在水利工程泄水建筑物中推廣應(yīng)用時(shí)仍需注意納米粒子的穩(wěn)定分散性和納米粒子與填料相容性這兩方面問(wèn)題。

1.2 凍融防護(hù)

凍融破壞是混凝土結(jié)構(gòu)病害的另一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，其防護(hù)措施同樣值得關(guān)注。

孫志恒等對(duì)6塊抗凍等級(jí)較低的混凝土試塊進(jìn)行試驗(yàn)研究，其中3塊試塊未噴涂防護(hù)涂層，3塊試塊的三面噴涂聚脲涂層。試驗(yàn)結(jié)果顯示，未噴涂防護(hù)涂層的3個(gè)試塊表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的凍融剝蝕現(xiàn)象，抗凍等級(jí)僅達(dá)到了F100；三面噴涂聚脲涂層的試塊在噴涂部位未見(jiàn)凍融現(xiàn)象出現(xiàn)，且試驗(yàn)前后聚脲涂層與混凝土基材之間的黏結(jié)強(qiáng)度基本一致，但未噴涂一面則出現(xiàn)明顯凍融剝蝕現(xiàn)象。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，混凝土試塊噴涂聚脲后，由于防護(hù)涂層的抗?jié)B性能很好，阻止了水體與混凝土基材之間的接觸，避免了混凝土內(nèi)部形成凍結(jié)膨脹壓力與滲透水壓力等疲勞應(yīng)力，能夠較好地防止混凝土由表及里逐漸剝蝕的凍融現(xiàn)象[5]。

梁惠等分別選取抗拉強(qiáng)度10.91MPa的聚脲防護(hù)涂層材料、抗拉強(qiáng)度23.01MPa的耐候性環(huán)氧涂層材料和抗拉強(qiáng)度28.02MPa的不飽和聚酯樹(shù)脂材料開(kāi)展室內(nèi)凍融試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)耐候性環(huán)氧涂層材料的黏結(jié)性能最好，黏聚力大于3.5MPa，而聚脲材料的抗凍性能最佳，經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后仍能保持初始抗拉強(qiáng)度的88.89%，因此判斷以環(huán)氧材料為底漆，面涂聚脲材料的防護(hù)涂層抗凍性能最佳，同時(shí)將研究成果應(yīng)用于藏木水電站、丹江口水電站和滿拉水庫(kù)等現(xiàn)場(chǎng)性試驗(yàn)，結(jié)果表明能夠達(dá)到初步抗凍效果[6]。

朱永斌等針對(duì)西北高寒地區(qū)大壩混凝土面板凍融破壞問(wèn)題展開(kāi)修復(fù)與防護(hù)的研究，采用單組分聚脲防水涂料和滲透型納米氟硅涂料作為防護(hù)材料，采用高性能改性聚合物修補(bǔ)砂漿、特種高聚物修復(fù)材料以及彈性環(huán)氧膩?zhàn)幼鳛樾迯?fù)材料，并應(yīng)用于新疆、河南等地區(qū)的七個(gè)水利工程修補(bǔ)防護(hù)案例中，取得了顯著的修復(fù)和防護(hù)效果[7]。

2 工程應(yīng)用進(jìn)展研究

聚脲涂層優(yōu)良的特性使其在防護(hù)領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用潛力。我國(guó)自1990年起在國(guó)防和工民建領(lǐng)域使用聚脲防護(hù)涂層，2002年左右首次引入水利水電工程領(lǐng)域[8]。最初的聚脲防護(hù)涂層采用雙組分噴涂聚脲材料，該工藝具有噴涂后固化快的優(yōu)點(diǎn)，能夠在不同形式的工作面上噴涂幾十毫米而不掛流，但在針對(duì)工程特點(diǎn)的抗沖防滲及耐久性試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，雙組分聚脲涂層與基礎(chǔ)混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度偏低，僅適用于流速小于5m/s的過(guò)水面或用于結(jié)構(gòu)迎水面防滲，原因是該工藝在施工過(guò)程中易出現(xiàn)雙組分混合不均勻的現(xiàn)象，降低了涂層與基礎(chǔ)混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度。針對(duì)雙組分聚脲防護(hù)涂層的缺陷，中國(guó)水科院于2006年研發(fā)了SK單組分聚脲材料，材料無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)混合，涂層均勻且與基礎(chǔ)混凝土黏結(jié)強(qiáng)度高，能夠適用于40m/s左右的高流速過(guò)水面，同時(shí)具有優(yōu)良的耐久性。當(dāng)前SK單組分聚脲涂層已應(yīng)用于上百座水利水電工程，并入選了水利部《2015年度水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》。

小浪底水利樞紐2號(hào)排沙洞于2007年3月進(jìn)行了刮涂單組分聚脲涂層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別刮涂在伸縮縫、側(cè)墻、排沙洞底板以及雙組分聚脲涂層的破損部位。2號(hào)排沙洞從2007年6月20日開(kāi)始過(guò)流，試驗(yàn)過(guò)流時(shí)長(zhǎng)總計(jì)14天，其中經(jīng)歷了300余次流速達(dá)到40m/s的高速過(guò)流。試驗(yàn)結(jié)束后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，單組分聚脲涂層與混凝土基材之間黏結(jié)性能良好，伸縮縫、側(cè)墻以及排沙洞底板部位的涂層表面均未發(fā)現(xiàn)磨損痕跡，防護(hù)涂層具有顯著的抗沖磨效果，該試驗(yàn)驗(yàn)證了單組分聚脲涂層能夠滿足水利工程泄水結(jié)構(gòu)薄層防護(hù)的抗沖磨要求[9]。

青海省尖扎縣與化隆縣交界處的李家峽水電站屬于典型的高原大陸性氣候，工程于2007年對(duì)左岸中孔底板混凝土裂縫進(jìn)行單組分聚脲涂層防護(hù)，并對(duì)表面開(kāi)展封閉試驗(yàn)，2008年現(xiàn)場(chǎng)檢查中發(fā)現(xiàn)，底板混凝土裂縫表面位置的單組分聚脲涂層色彩光澤均無(wú)明顯變化，涂層表面未見(jiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，試驗(yàn)部位的裂縫均封閉良好，特別是伸縮縫表面同樣未出現(xiàn)開(kāi)裂?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展后續(xù)拉拔試驗(yàn)，結(jié)果表明破壞面均發(fā)生在混凝土材料內(nèi)部，混凝土表層與單組分聚脲涂層的黏結(jié)性能始終保持良好[9]。

北疆地區(qū)多拉特碾壓混凝土重力壩工程在表孔溢洪道混凝土表面部位噴涂SK單組分聚脲涂層進(jìn)行表孔溢流面防護(hù)，以期提高溢流面過(guò)水安全性以及整體耐久性。防護(hù)涂層于2011年8月完工，經(jīng)歷2個(gè)嚴(yán)冬考驗(yàn)后，于2013年4月開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢查，檢查結(jié)果表明SK單組分聚脲涂層對(duì)表孔溢流面混凝土表面部位的防護(hù)成效顯著，防護(hù)涂層表面光澤與顏色無(wú)明顯改變，涂層表面及伸縮縫部位同樣未發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象[10]。

青島書(shū)院水庫(kù)的引水渠工程為混凝土和水泥砂漿復(fù)合結(jié)構(gòu)，建于20世紀(jì)80年代，服役過(guò)程中受高速水流沖刷作用表面侵蝕磨損嚴(yán)重，并因地下水壓作用出現(xiàn)多處的不均勻沉降、開(kāi)裂和鼓起等病害現(xiàn)象，造成水資源不必要的浪費(fèi)。工程采用噴涂聚脲防護(hù)涂層解決這一問(wèn)題，經(jīng)施工完畢運(yùn)行檢驗(yàn)后，涂層防滲防裂效果明顯，減少水資源浪費(fèi)量達(dá)到30%以上，同時(shí)聚脲材料的耐候性減少了后期的維養(yǎng)費(fèi)用[11]。

雖然聚脲在國(guó)內(nèi)水利工程中的研究應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展勢(shì)頭良好。除上述工程外仍有大量水利工程已采用防護(hù)涂層對(duì)工程進(jìn)行保護(hù)。

長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和南京水利科學(xué)研究院等科研院所研制出的新型防護(hù)涂層材料，已成功應(yīng)用于丹江口大壩迎水面和背水面防滲及抗老化防護(hù)、宜昌天福廟水電站壩頂泄洪道防護(hù)、湯渡河水庫(kù)溢流面防護(hù)、尚家河溢流面表面防護(hù)、寶雞峽渠首加壩加閘工程沖沙底孔閘墩及閘室墻體防滲、京密引水輸水渠倒虹吸伸縮縫防滲、寶泉抽水蓄能電站副壩迎水面大面積防滲等工程防護(hù)中。

青島某公司研制出了新型的單組分聚脲材料，已成功應(yīng)用于深圳東江5號(hào)引水隧洞和觀山渡槽、深圳龍茜引水PCP管承插接口、北京南水北調(diào)PCCP管承插接口、山西引黃北線PCCP管承插接口、貴州構(gòu)皮灘水電站水墊塘、河北張家口清水河混凝土、云南云橋上庫(kù)混凝土面板、河南寶泉抽水蓄能電站上庫(kù)進(jìn)水口混凝土面板及伸縮縫、云南梨園混凝土面板接縫、寶泉水電站混凝土副壩上游面、新疆吉林臺(tái)混凝土面板、新疆溫泉水電站面板、遼寧蒲石河抽水蓄能電站混凝土面板裂縫、遼寧雙溝混凝土面板裂縫、青海龍羊峽水電站左右表孔溢洪道等工程防護(hù)。

中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司建筑材料研究所研發(fā)出的新型單組分聚脲材料，能夠有效處理水利工程中開(kāi)裂滲漏問(wèn)題，目前已應(yīng)用于梨園大壩變形縫、新疆吉林臺(tái)裂縫修補(bǔ)，新疆克拉蘇克大壩溢洪道與消力池耐沖磨，新安江大壩、富春江大壩、南水北調(diào)北京段東干渠箱涵變形縫防滲，山西玉門口輸水渡槽、北京涼水河分洪閘、北京二熱分洪閘、北京十三陵抽水蓄能電站、白山電站等工程防護(hù)，其優(yōu)異的力學(xué)特點(diǎn)及施工工藝在水利工程防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 建 議

防護(hù)涂層在水利工程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，有效改善了工程的沖刷磨損、凍融破壞以及滲漏災(zāi)害，為提升結(jié)構(gòu)的服役壽命起到強(qiáng)力支撐，并為保障工程的安全運(yùn)行提供積極作用。因此，未來(lái)水工防護(hù)涂層勢(shì)必將繼續(xù)深入發(fā)展，將重點(diǎn)在以下幾個(gè)方向?qū)で笮碌耐黄疲?/p>

a.關(guān)注防護(hù)涂層適應(yīng)能力、外觀設(shè)計(jì)和復(fù)雜條件下附著力等問(wèn)題，加強(qiáng)相關(guān)助劑以及噴涂設(shè)備的改進(jìn)研發(fā)，建立更完善的防護(hù)涂層體系。

b.重點(diǎn)研發(fā)新型納米抗沖磨涂料，有效解決納米粒子穩(wěn)定分散性和納米粒子與填料相容性的技術(shù)困難，充分發(fā)揮涂層材料的抗沖耐磨性能。

c.針對(duì)水利工程高水頭下易在深水部位出現(xiàn)拉裂、伸縮縫開(kāi)裂以及大面積滲漏等問(wèn)題，在現(xiàn)有大壩防護(hù)涂層材料的基礎(chǔ)上研發(fā)新型修補(bǔ)材料與修補(bǔ)技術(shù)，突破解決現(xiàn)有技術(shù)難題。

d.有效增強(qiáng)防護(hù)涂層性能的同時(shí)積極降低材料成本，并提升材料的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，主動(dòng)契合國(guó)家環(huán)境保護(hù)的戰(zhàn)略方針。