聚脲材料在豐滿水電站重建工程中的應(yīng)用

薛建峰，姚寶永，常昊天

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢北京有限公司，北京 100024)

豐滿水電站重建工程是在原豐滿老壩下游120m處新建一座大壩，恢復(fù)原電站功能和任務(wù)，不改變水庫特征水位。電站樞紐由攔河壩、泄洪消能、引水發(fā)電過魚設(shè)施等建筑物和保留的原三期電站組成。新建大壩為碾壓混凝土重力壩，壩長(zhǎng)1068m，最大壩高94.5m。電站地處我國(guó)東北地區(qū)，晝夜溫差大、冰凍周期長(zhǎng)，多年平均氣溫為5.7℃，極端最高氣溫為37.9℃，極端最低氣溫為-39.9℃〔1〕，運(yùn)行條件極其惡劣。特別是混凝土裂隙滲水以及表面含水低溫結(jié)冰后會(huì)發(fā)生凍脹，極易損傷混凝土表面，甚至造成大體積混凝土局部?jī)鋈谄茐模淮送猱?dāng)壩體內(nèi)外溫差較大時(shí)，如果保溫措施不到位可能會(huì)發(fā)生壩體開裂等一系列問題。因此，有必要對(duì)大壩等水工建筑物的重要部位表面采取一定的防護(hù)措施。

聚脲材料具有抗沖磨性高、防滲性能好、耐腐蝕性強(qiáng)以及優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在國(guó)防工程、工民建工程、汽車制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。特別是作為一種新型無污染、無溶劑的綠色施工技術(shù)的噴涂聚脲彈性體技術(shù)，在解決處理水利水電工程中的抗腐蝕、沖磨以及防滲等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)〔2〕。根據(jù)溫控和耐久性要求，豐滿水電站重建工程在大壩上游面、進(jìn)水口流道、溢洪道、廠房屋頂?shù)炔煌课粦?yīng)用不同聚脲材料達(dá)到輔助防滲及劣化保護(hù)的目的；采用“防冰拔聚脲涂層+發(fā)泡聚氨酯”對(duì)大壩上游面進(jìn)行保溫防護(hù)；使用聚脲膠泥和聚脲砂漿對(duì)混凝土表面缺陷進(jìn)行修補(bǔ)。

1 聚脲材料分類及其適用性

聚脲是異氰酸酯組分和氨基化合物組分反應(yīng)生成的一種彈性體物質(zhì)。

從發(fā)展軌跡上看，聚脲材料主要分為芳香族聚脲、常規(guī)脂肪族聚脲和聚天門冬氨酸酯聚脲。芳香族聚脲是最早開發(fā)、應(yīng)用最廣泛的聚脲，其主要特點(diǎn)包括凝膠時(shí)間短、不會(huì)產(chǎn)生流掛、綜合力學(xué)性能優(yōu)異、抗沖磨性較高、防滲性能好、耐腐蝕性強(qiáng)、具有很好的附著力(可與多種底材黏結(jié))、使用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行大面積快速施工、紫外線下易變黃、易污染不噴涂區(qū)域等。為了得到具備合理反應(yīng)速度、理想施工時(shí)間的聚脲材料，脂肪族聚脲和聚天門冬氨酸酯聚脲應(yīng)運(yùn)而生。特別是聚天門冬氨酸酯聚脲具有慢反應(yīng)特性、對(duì)紫外線有很好的耐受性，色彩穩(wěn)定、不泛黃，抵抗環(huán)境侵蝕能力強(qiáng)，可低溫固化，應(yīng)用前景十分廣闊〔3〕。

從施工工藝上看，聚脲材料通常分為噴涂聚脲和涂刷聚脲。對(duì)于水工混凝土建筑物來說，涂刷聚脲施工簡(jiǎn)便、開桶即用、成本較高；噴涂聚脲施工快速、成本低，宜用于大面積施工〔4〕。

2 工程應(yīng)用

2.1 混凝土表面防護(hù)

根據(jù)聚脲材料分類特性和經(jīng)濟(jì)比選，在豐滿水電站重建工程大壩擋水壩段上游面、發(fā)電廠房屋頂、主變油池等無水流沖刷部位采用2mm厚雙組分噴涂聚脲進(jìn)行表面防護(hù)；在大壩廠房壩段上游面、進(jìn)水口、閘門槽、通風(fēng)豎井等長(zhǎng)期水流沖刷的部位，采用聚天門冬氨酸酯涂刷聚脲材料進(jìn)行了防護(hù)，防護(hù)總面積約12000m2；在溢洪道門槽上游面高速水流沖刷區(qū)采用單組分涂刷聚脲進(jìn)行混凝土表面保護(hù)。

雙組分噴涂聚脲為高溫碰撞反應(yīng)，瞬間成膜，因此對(duì)施工基面及施工環(huán)境要求相對(duì)較高。在施工過程中，基面必須干燥清潔，無孔洞；需控制好噴涂壓力、速度和角度，確保施工厚度均勻；做好基面防護(hù)，保證噴涂以外區(qū)域不被污染；基面溫度大于露點(diǎn)溫度5℃以上。

對(duì)于涂刷聚脲，需確保聚脲與基面黏接良好，防止發(fā)生鼓包、分層等問題。在施工過程中，必須對(duì)基面進(jìn)行仔細(xì)打磨清洗，并采用環(huán)氧膠泥對(duì)混凝土表面局部缺陷和孔洞進(jìn)行封堵；界面劑涂覆要求薄而均勻；待底涂界面劑指觸表干后，刮涂聚脲膠泥，保證涂刷聚脲前基面平整無氣孔；聚脲分層涂刷直至厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，后續(xù)涂層應(yīng)在前一道涂層表面干燥后進(jìn)行。

2.2 大壩上游面保溫防護(hù)

根據(jù)壩體溫度控制的需要，豐滿水電站重建工程大壩上游面需噴涂發(fā)泡聚氨酯進(jìn)行保溫。冬季庫區(qū)冰層最大厚度可達(dá)0.8m以上，當(dāng)冰層與混凝土聚氨酯保溫層黏接在一起時(shí)，隨著庫水位變動(dòng)，厚冰層會(huì)對(duì)聚氨酯保溫層產(chǎn)生拉拔、推動(dòng)、撞擊現(xiàn)象，進(jìn)而造成保溫層拉拔破壞。因此，采用直接涂刷“聚脲+氟改性聚脲面漆”(稱作防冰拔涂層)的方式對(duì)聚氨酯保護(hù)層進(jìn)行防冰拔保護(hù)。

為保證防冰拔涂層與基面聚氨酯保溫層之間的有效結(jié)合，在施工過程中需注意基面打磨的平整度；涂刷防冰拔涂層要控制涂層材料的黏度，分層涂刷，保證材料與聚氨酯保溫層之間的充分浸潤(rùn)；涂刷過程中，作業(yè)面不得被水、灰塵及雜物污染。

2.3 聚脲膠泥與聚脲砂漿應(yīng)用

傳統(tǒng)水工混凝土表面缺陷通常采用環(huán)氧砂漿和環(huán)氧膠泥進(jìn)行修補(bǔ)。環(huán)氧類材料與基材黏接力好、強(qiáng)度高，但由于其剛性特點(diǎn)，受溫度變化影響易開裂。

雙組分聚脲膠泥是在雙組分涂刷聚脲材料的基礎(chǔ)上，通過添加部分填料和助劑，調(diào)整聚脲材料的黏稠度和抗流掛性能，使其滿足厚涂要求的一種柔性膩?zhàn)硬牧希淙跃哂芯垭宀牧纤赜械牧W(xué)性能和耐候能力，柔韌性好，與基面附著力強(qiáng)，適用于水工混凝土建筑物的各類表面防護(hù)處理。豐滿水電站重建工程使用聚脲膠泥對(duì)進(jìn)水口流道部位表面氣孔進(jìn)行了修補(bǔ)，取得良好效果。

雙組分聚脲砂漿是在雙組分涂刷聚脲材料的基礎(chǔ)上，添加部分石英砂混合而成的高韌性抗沖磨聚脲砂漿。豐滿水電站重建工程泄洪兼導(dǎo)流洞出口擴(kuò)散段，泄洪后在氣蝕作用下混凝土表面破損，2017年汛后在沖刷破損部位采用聚脲砂漿進(jìn)行了修補(bǔ)，2018年泄洪后經(jīng)40余天檢查，聚脲砂漿修補(bǔ)部位未見破損，效果良好。

3 結(jié)語

豐滿水電站重建工程采用雙組分噴涂聚脲、單組分涂刷聚脲、聚天門冬氨酸酯涂刷聚脲等不同類型的聚脲材料對(duì)不同部位混凝土表面進(jìn)行防護(hù)；在大壩上游冬季水位變化區(qū)聚氨酯保溫層表面采用“聚脲+氟改性聚脲面漆”進(jìn)行防冰拔處理。大壩蓄水后滲漏量觀測(cè)表明，聚脲防護(hù)效果良好。

聚脲材料在豐滿水電站重建工程的成功應(yīng)用表明不同種類的聚脲材料應(yīng)根據(jù)使用條件的不同進(jìn)行選擇：雙組分噴涂聚脲施工快速、成本低、柔性好，適用于迎水面大面積的輔助防滲；聚天門冬氨酸脂聚脲物理力學(xué)優(yōu)異、耐候性好、與混凝土底材黏接可靠，可應(yīng)用于水流沖刷、有抗凍蝕要求等混凝土表面防護(hù)；聚脲膠泥和聚脲砂漿可應(yīng)用于混凝土過流表面缺陷處理。