新型聚脲混凝土保護材料開發及工程應用研究

馮 菁，韓 煒，李 珍，汪在芹

(長江科學院a.材料與結構研究所;b.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心;c.國家大壩安全工程技術研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

船閘是重要的通航建筑物，不僅承擔頻繁的通航任務，同時對水利樞紐的正常、安全服役起到關鍵作用。船閘閘墻混凝土因長期受到船只的碰撞和摩擦，破損問題非常突出，最嚴重的部位甚至已露出了鋼筋并出現銹蝕。此類問題不僅嚴重影響了船閘閘墻的美觀;并且隨著時間的推移，極有可能影響到水利水電工程功能的正常、高效發揮，繼而對國家的防洪安全、水利航運、電力能源產生負面影響。如何采取有效的措施以防止或減少船閘閘墻混凝土的碰撞、摩擦破損等問題是一個世界性的難題，應盡快解決這一問題。

聚脲彈性體(polyurea elastomer)是國外近l0年來研發出的一種新型無溶劑、無污染的綠色材料，是繼高固體分涂料、水性涂料、輻射固化涂料、粉末涂料等低(無)污染涂料之后的新一代環保涂料。聚脲彈性體突破了傳統環保型涂料的局限，將塑料、橡膠、涂料、玻璃鋼等多種材料的功能集于一身，適用于混凝土的裂縫修補以及表面防護［1］。聚天門冬氨酸酯聚脲是繼芳香族和脂肪族聚脲之后的第3代聚脲材料，具有反應速度可調、對基材的附著力好、可低溫固化、涂層不易泛黃、不易發泡等諸多優點，在國內外得到越來越廣泛的關注［2－3］。

本文擬采用聚天門冬氨酸酯和異氰酸酯為主要原料，制備一種具有優異抗沖撞性和耐候性的脂肪族聚脲材料［4－8］，并對其力學性能和耐久性進行室內研究及現場生產性試驗，從而判斷制備的聚脲材料是否適合作為船閘混凝土的新型抗沖撞材料。

2 試驗

2.1 原材料

聚天門冬氨酸酯A和脂肪族異氰酸酯B均購自Bayer公司。

硅微粉、硅烷偶聯劑、活性稀釋劑購自武漢道爾化工有限公司。

2.2 聚天門冬氨酸酯聚脲材料的制備

以添加硅微粉的聚天門冬氨酸酯為A組分，不同結構的脂肪族異氰酸酯為B組分，A組分與B組分反應后制得聚脲材料，基本配方如表1所示。

2.3 力學性能試驗

利用萬能試驗機(深圳市瑞格爾儀器有限責任公司，RGM－30A型)和沖擊實驗機(承德試驗機有限責任公司，KJJ－50型)測試材料的力學性能。試件按照國家標準規定的方法制作，28 d后進行性能測試。

表1 雙組分聚脲材料配方Table 1 Ingredients of dual-component polyurea-based materials

2.4 耐久性試驗

所有試驗按照《水工混凝土試驗規程》(SL 352－2006)規定的方法進行。

利用全自動混凝土凍融試驗機(日本圓井公司，MIT－683－0－63型)進行凍融試驗。采用40mm×40mm×160mm的棱柱體混凝土試件作為標準試件，抗凍標號為F75。在試件表面涂刷1mm厚聚脲材料，7 d后進行凍融試驗。

利用混凝土碳化試驗箱(北京數智意隆儀器有限公司，CCB－70W型)進行碳化試驗。標準試件為70.7mm的立方體混凝土試件。在試件表面涂刷1mm厚聚脲材料，7 d后進行碳化試驗。

利用混凝土抗沖磨試驗機(南京水利科學研究院儀器廠，HKS－Ⅱ型)進行抗沖磨試驗。抗沖磨試驗的標準試件為直徑300mm，高100mm的圓柱體混凝土試件。在試件表面涂刷1mm厚的聚脲材料，7 d后進行試驗。

3 結果與討論

3.1 力學性能試驗

在大量試驗的基礎上，選擇了2種不同的A組分與B組分的配比，制備了Ⅰ，Ⅱ兩種聚脲材料，其主要力學性能如表2所示。

表2 聚脲材料的力學性能(28 d)Table 2 Mechanical properties of polyurea-based materials(28 d)

由表2可見，聚脲Ⅰ，Ⅱ兩種材料的力學性能有所差別。聚脲Ⅰ的抗壓強度、抗拉強度以及黏結強度略高于聚脲Ⅱ，但聚脲Ⅰ的抗沖擊性能明顯低于聚脲Ⅱ。綜合考慮，材料Ⅱ更適于作為抗沖撞材料。因此，以下性能試驗主要針對聚脲Ⅱ材料展開。

3.2 凍融試驗

經凍融試驗發現，未涂刷聚脲材料的混凝土試件在經歷150個凍融循環后，試件質量損失達18%，相對動彈性模量降了55.4%;而涂刷聚脲材料的混凝土試件在經歷150次凍融循環后，試件質量損失為1%，相對動彈性模量略有損失，降了4.8%左右。

圖1為未涂刷(圖1(a))和涂刷(圖1(b))聚脲材料的混凝土試件凍融150次后的照片，照片顯示涂有聚脲材料的試件表面無明顯損失，而未涂任何保護材料的試件表面損失嚴重。

因此，凍融試驗說明制備的聚脲材料能顯著提高混凝土的抗凍融能力。

圖1 經150次凍融實驗后涂刷聚脲Ⅱ材料與未涂刷的混凝土試件對比Fig.1 Images of concrete sample without any coating and sample coated with polyurea materials after freeze-thaw for 150 times

3.3 碳化試驗

通過28 d的碳化試驗(圖2)發現:未涂刷任何保護材料的混凝土試件(圖2(a))碳化深度已達8mm，但涂刷聚脲材料的混凝土試件(圖2(b))仍未發生碳化。

碳化試驗說明制備的聚脲材料能顯著提高混凝土的抗碳化能力。

圖2 碳化試驗28 d后涂刷聚脲Ⅱ材料與未涂刷的混凝土試件對比Fig.2 Images of concrete sample without any coating and sample coated with polyurea material after carbonation for 28 days

3.4 沖磨試驗

通過72 h的沖磨試驗發現，未涂刷任何保護材料的混凝土試件質量損失已達1.50 kg;但涂刷聚脲材料的混凝土試件質量損失小于0.01 kg。圖3為未涂刷(圖3(a))和涂刷(圖3(b))聚脲材料的混凝土試件沖磨72 h后的照片。

圖3 抗沖磨試驗72h后涂刷聚脲II材料與未涂刷的混凝土試件對比Fig.3 Images of concrete sample without any coating and sample coated with polyurea material after abrasion for 72 hours

沖磨試驗說明制備的聚脲材料能顯著提高混凝土的抗沖磨能力。

3.5 現場生產性試驗

室內性能測試結果已經表明制備的聚脲材料具有很好的力學性能、抗凍融、抗碳化以及抗沖擊能力，符合我們的預期。

為了進一步考察該材料是否具有實際應用的潛力，將該材料涂覆在葛洲壩船閘閘墻表面，進行了現場生產性試驗，實施現場如圖4所示。通過2年時間的觀察發現材料表面完好無損，很好地保護了船閘閘墻混凝土。

圖4 葛洲壩閘墻涂刷聚脲Ⅱ材料Fig.4 Images of on-site coating at Gezhouba shiplock wall and concretes coated with polyurea materials two years later

此外，將該聚脲材料涂覆在三峽大壩船閘閘墻表面進行現場生產性試驗，運行22個月后比較涂覆和未涂覆聚脲材料的閘墻(圖5);結果表明，涂覆了聚脲材料的閘墻受損程度較輕，該材料很好地保護了船閘閘墻混凝土。

當然，若要將該材料作為新型船閘抗沖撞材料投入工程應用，仍需進一步考察其服役效果和期限。

圖5 三峽大壩涂刷聚脲Ⅱ材料Fig.5 Images of concrete before the coating and 22 months after coated with polyurea material

4 結論

本文通過調整聚天門冬氨酸酯組分(A組分)與脂肪族異氰酸酯組分(B組分)的比例，成功制備了新型的聚天門冬氨酸酯聚脲材料，并對材料的力學性能和耐候性進行了測試分析。

結果表明:所得材料不但具有較好的力學性能，而且能明顯改善混凝土試件的抗凍、抗碳化、抗沖磨能力，有望成為新型船閘混凝土抗沖撞材料。在葛洲壩和三峽大壩船閘皆進行了生產性試驗，通過觀察發現聚天門冬氨酸酯聚脲材料起到了很好的抗沖撞防護效果，顯示出巨大的應用潛力。因此，長江科學院制備的聚天門冬氨酸酯聚脲材料有望用于水利水電工程的大壩表面保護，防止和減少過往船只對大壩沖撞造成的損毀，提高大壩服役年限，保證大壩長久、安全運行。

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