聚脲復合涂料體系的設計與耐候性研究

梁 慧，汪在芹，廖靈敏，肖承京，李 珍

(1.長江水利委員會長江科學院，湖北武漢430010;2.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北武漢430010;3.水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，湖北武漢430010)

在對已有水工防護修補材料的調查中發現，聚脲涂層防護失效最為常見的方式是其與水工混凝土基體界面損傷導致脫落[1-3]。這是由于純聚脲分子結構中含有的羥基和極性基團較少，導致其水工混凝土粘接強度有時不能滿足比較苛刻的水工建筑材料服役環境，可以選用封閉底層涂料來增強水工混凝土的防護修補材料體系的整體性能[4- 6]。為提升已研發的耐候性聚脲復合涂層材料在西部高寒地區苛刻服役環境下的粘接性能，延長其使用壽命，本文引入粘接性能良好的環氧材料作為底層涂料，設計出高耐候聚脲復合涂料體系。底層涂料與水工混凝土、與面層均能較好地粘合成為一個整體，且其抗凍性能、防滲抗裂能力和耐候性良好，外表美觀。

1 高耐候聚脲復合涂料體系的設計

1.1 雙層體系設計

封閉底層涂料對水工混凝土基材與聚脲面層起到承上啟下的連接作用。一方面底層涂料可以阻止空氣和水分進入混凝土表面毛細孔中，有效減少面層涂料噴刷后出現氣泡幾率；另一方面底層涂料承擔起膠粘劑的作用，能夠使得水工混凝土基材與聚脲面層涂料的附著力提升。由于封閉底層涂料首要作用是作為過渡層，故其厚度會影響整個水工防護修補材料的力學性能和耐老化，然而厚度過大反而可能降低材料體系的附著力[7]。此外，環境溫度、濕度和養護時間影響著底層涂料的性能，從而間接影響聚脲涂層的附著力。

在高耐候聚脲復合涂料體系中，中層材料是粘接底層和面層的過渡層，同時具有較好的韌性。由于該層用量較小，涂層厚度較薄，如果面層具有較好的韌性和耐候性，并與底層粘接牢固，則該中層可以省略，構成底層和面層的雙層高耐候涂料體系。

1.2 底層涂料的選擇及性能

從原理上講，封閉底層涂料宜選用極性基團和小分子含量多、滲透性好、施工性好和環境友好的樹脂材料。性能優良的底層涂料不僅能有效封閉混凝土表面，而且還能提高聚脲防護修補材料體系的附著力。常用傳統封閉底層涂料性能對比如表1所示[8]。

表1 常用傳統封閉底層涂料性能比較

對比結果顯示，環氧底漆和聚氨酯底漆的綜合性能比較好。環氧底漆中的環氧基團有優良的粘附力和較低的表面張力，同時環氧可以與堿反應形成硅酸鹽，能夠阻止鹽和堿的遷移；環氧涂層的耐化學腐蝕性使其能在強堿條件下的保持一定的穩定性。此外，環氧樹脂中含有羥基，能在底材中形成氫鍵從而增加封閉和附著力。

經過篩選，環氧樹脂膠泥(簡稱環氧膠泥)是較適合的高耐候聚脲復合涂料體系的底層涂料。環氧膠泥以環氧樹脂為主劑，配以一系列助劑(如促進劑等)，經混合固化后形成的一種高強度、高粘結力的建筑材料，適用于水利工程的地下管道、壩基、水電站等接口和裂縫的密封粘接，還可用于潮濕環境中。在添加硅微粉、增稠劑等添加劑改性后粘度大，與基體混凝土粘接能力強，且原料廣泛、價格便宜，滿足高耐候聚脲復合涂料的性能要求。另外，也可用于對水工建筑物過流面的抗沖磨損、抗氣蝕與抗凍融保護，以及破壞后的修復。但是，由于其耐紫外老化能力較差，在長期日照作用下易粉化變色而失去保護能力。由于作為底層涂料，其上有中層及面層材料的保護，不會直接暴露于陽光下，因此環氧類材料作為高耐候聚脲復合涂料體系的底層涂料是較好選擇。經對比試驗，本文采用的底層涂料的主要性能指標如表2所示。

表2 底層涂料環氧膠泥的主要性能指標

1.3 涂層體系厚度的確定

考察涂層厚度對涂層體系與水泥砂漿試件粘結強度的影響，結果如表3所示。可知，粘結強度隨著涂層厚度(>2.0 mm)增大而減小的趨勢，且各厚度涂層的粘結強度均大于3.5 MPa，其中以1.5、2.0 mm最佳。

表3 不同環境條件下不同厚度涂層體系的粘結強度

考察人工氣候加速老化條件對不同厚度涂層的粘結強度的影響，結果如表3所示。在單一的紫外加速老化試驗后，各厚度的涂層體系粘結強度無顯著變化；在單一的凍融作用下，各厚度涂層體系的粘結強度有所下降，但除了4.0 mm涂層體系外，其余厚度涂層粘結強度均仍大于3.5 MPa。但是在凍融-紫外交替作用下，粘結強度發生明顯下降，其中厚度為1.0、1.5、2.0 mm的涂層體系仍能保持在3.5 MPa以上，滿足水工混凝土防護涂層的常規應用要求。經過綜合比較，確定涂層體系的最佳厚度為2 mm，或根據實際工程要求而定。

2 高耐候聚脲復合涂料體系的性能研究

2.1 抗凍性能

分別對未涂刷任何防護涂層的砂漿試件和涂刷了聚脲復合涂料體系的水泥砂漿試件進行室內加速凍融試驗。凍融前后砂漿試件外觀如圖1所示，砂漿試件質量及相對動彈性模量的變化如圖2所示。

圖1 砂漿試件經凍融循環試驗后外觀對比

圖2 凍融試驗結果

結果顯示，未涂任何保護材料的空白試件僅凍融循環100次后表面便破損嚴重(圖1a)，試件質量損失達42.16%，相對動彈性模量降至11.77%。因此，未涂刷任何防護涂層的水泥砂漿試件抗凍性能差，抗凍等級低于F100。涂有聚脲復合涂料體系的試件經300次凍融循環后表面無開裂、無破損、無粉化、無變色(圖1b)，試件質量損失達4.08%，相對動彈性模量降至61.98%。由此可見，耐候性聚脲復合涂料體系顯著提高砂漿試件的抗凍性能，抗凍等級大于F300。

2.2 防水抗滲性能

通過測定聚脲復合涂料體系的表面性能，分析聚脲涂料對混凝土抗滲性參數(如抗滲水壓力、滲水率等)的影響，評價聚脲涂料對混凝土防滲性能的貢獻。將高耐候聚脲復合涂料體系涂于混凝土試件表面，進行抗滲水壓力試驗、水汽滲透性試驗、氯離子滲透性試驗，所得結果列于表4。

表4 聚脲復合涂料體系的防滲性能參數

由表4可以看出，未涂刷任何防護材料的混凝土試件在0.4 MPa水壓下出現滲水現象。而涂覆2 mm聚脲復合涂料體系的混凝土試件在逐級加壓至2.4 MPa水壓時，涂層受破壞，出現滲水現象。由此可見，混凝土涂刷聚脲復合涂料后，抗滲能力有了顯著提高。此外，試驗過程中，水工混凝土基底與兩層涂層材料之間均沒有出現滲水，說明混凝土基底與涂層材料之間附著力良好。在較高的水壓作用下，涂層材料仍然未滲透水分，可能是由于底層材料與面層材料內部網狀結構完整且密實，兩者都具有較高的機械強度和彈性，并且兩層涂層材料之間沒有縫隙，與混凝土基材粘接較好，形成了一個有機整體，能夠承受一定程度的滲水水壓，由此說明此耐候性聚脲涂層系統具有優異的抗滲性。混凝土滲水率結果顯示，涂刷聚脲復合涂料體系后混凝土滲水率較小。

另外，由水工混凝土氯離子擴散試驗結果可知，聚脲復合涂料體系顯著降低了混凝土的氯離子擴散系數。氯離子擴散系數越低說明混凝土抗滲性越好。因此，耐候性聚脲涂層系統可顯著提高混凝土的抗氯離子滲透能力，改善混凝土耐久性。

綜上所述，聚脲復合涂料體系可提高混凝土表面的疏水性，并顯著改善混凝土抗滲性。

2.3 耐氙燈—熱老化性能

設計氙燈—熱老化雙因素耦合老化試驗，模擬西部高寒地區夏季高日照輻射和高溫的氣候環境，考察了氙燈—熱老化雙重作用對聚脲復合涂料體系顏色和粘接性能的變化情況。試驗過程為高耐候復合涂料體系試件先進行360 h紫外加速老化，再在100 ℃的條件下熱老化7 d，交替試驗。在氙燈—熱老化交替作用第2個周期開始，涂層表面開始顏色開始變暗，第4個周期開始出現細小裂紋，無明顯粉化現象，如圖3所示。聚脲復合涂料體系的粘接性能在經過4個氙燈—熱老化交替作用4個周期后，粘接強度仍能保持75%以上。

圖3 聚脲復合涂料體系氙燈—熱老化交替作用4個周期后外觀對比

3 結 論

聚脲復合涂料體系厚度為2.0 mm時，混凝土粘結強度>3.5 MPa，抗凍等級>F300；可提高混凝土表面的疏水性，并顯著改善混凝土抗滲性。同時，在模擬西部高寒地區高日光輻射、高溫環境的耐氙燈—熱老化雙因素耦合作用試驗中該涂料體系表現出不俗的耐候性。因此，新研發的聚脲復合涂料體系性能參數整體良好，適用于水工混凝土表面抗凍防護及修補處理。