聚脲類(lèi)水工混凝土防護(hù)涂層研究進(jìn)展

劉 建, 梁 慧, 朱 澤 文, 邱 興 飛, 毛 琳,張 愷, 劉 夢(mèng) 穎

(1.江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司項(xiàng)目建設(shè)管理公司,江西 南昌 330200;2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院,湖北 武漢 430010;3.江西省交通科學(xué)研究院有限公司,江西 南昌 330200;4.江西省橋梁結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330200)

0 引 言

近年來(lái),隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高速鐵路、電站大壩、海港碼頭、城市地鐵等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多,混凝土憑借其造價(jià)低廉、易澆筑成型、硬化后抗壓輕度高等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于大型建筑[1]。尤其是在水利工程中,混凝土作為一種使用頻繁的材料,需要保證處于各種復(fù)雜環(huán)境下的工程能夠正常運(yùn)行。因此,混凝土的耐久性直接影響到水利工程的安全和使用壽命。但在實(shí)際工程中,特別是在一些西部的高海拔地區(qū),由于紫外輻射強(qiáng)烈、晝夜溫差大、嚴(yán)寒等氣候環(huán)境,混凝土面臨著嚴(yán)峻的劣化問(wèn)題,因此對(duì)混凝土的防護(hù)與處理提出了更加嚴(yán)苛的要求[2-3]。

混凝土防護(hù)涂層作為一種能有效提高混凝土耐久性的措施,日益受到廣泛關(guān)注,但由于處在大氣環(huán)境中受到各種因素的影響,涂層會(huì)發(fā)生老化,出現(xiàn)開(kāi)裂、脫落等現(xiàn)象,甚至失去對(duì)基材的防護(hù)效果[4-5]。在各類(lèi)混凝土防護(hù)涂層中,聚脲類(lèi)涂層環(huán)保無(wú)污染,具有優(yōu)異的防水抗?jié)B性、耐沖磨性、低溫固化和抗化學(xué)侵蝕等性能,其老化行為及機(jī)理的研究已成為當(dāng)下專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注熱點(diǎn)。

1 混凝土表面涂層防護(hù)

混凝土表面涂層防護(hù)技術(shù)是一種保護(hù)水工混凝土結(jié)構(gòu)的有效方法,是防止混凝土結(jié)構(gòu)劣化和被破壞的重要措施。近年來(lái),在工程領(lǐng)域中常用的防護(hù)涂層材料主要為有機(jī)硅涂料、環(huán)氧涂料、氟碳樹(shù)脂涂料、聚氨酯涂料、聚脲涂層等,其中聚脲類(lèi)防護(hù)涂層以其優(yōu)異的性能和獨(dú)特的能力得到廣泛應(yīng)用。

1.1 涂層防護(hù)技術(shù)

混凝土的表面有許多孔隙,在混凝土的表面涂刷涂層材料可以防止環(huán)境中的有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部,從而保護(hù)混凝土的結(jié)構(gòu),使其防護(hù)下的混凝土試件獲得了良好的耐老化性能,提高混凝土的耐久性。同時(shí),防護(hù)涂層材料還能有效改善混凝土的表面缺陷,增強(qiáng)表面美觀度,并提高混凝土的強(qiáng)度,延長(zhǎng)其壽命[6-7]。涂層的使用壽命對(duì)被保護(hù)體的使用有著重大影響,涂層的老化性能直接關(guān)系到被保護(hù)體的使用性能,在一定程度上,涂層老化性能的好壞就代表了該涂層實(shí)際使用價(jià)值的高低,影響涂層的綜合性能。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于涂層老化機(jī)理和壽命預(yù)測(cè)方面的研究并不詳盡;因此,研究涂層的老化機(jī)理,歸納國(guó)內(nèi)外對(duì)涂層服役壽命預(yù)測(cè)方面的研究,對(duì)各種涂層的研發(fā)和改性都具有十分積極的指導(dǎo)作用[8-9]。

1.2 聚脲類(lèi)防護(hù)涂層

聚脲是一種彈性體物質(zhì),由氨基化合物與異氰酸酯組分反應(yīng)生成,是近年來(lái)新研發(fā)出的一種新型無(wú)污染、可噴涂、可涂刷的綠色環(huán)保型涂料[10-11]。與常規(guī)的涂層材料相比,聚脲涂層具有施工方便快捷、抗熱沖擊性能好、潮濕環(huán)境適應(yīng)性好、抗?jié)窕澳屠匣芰?qiáng)、防腐性及低溫韌性?xún)?yōu)異等優(yōu)點(diǎn),能顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的整體性能。自聚脲涂層技術(shù)發(fā)明以來(lái),就在大壩壩面、溢洪道、排沙洞、導(dǎo)流洞、輸水渠等水工建筑物中得到了快速應(yīng)用和發(fā)展[12-14],但在溫度、光照等自然環(huán)境的作用下,涂層會(huì)發(fā)生變色、粉化、龜裂、脫落等一系列老化現(xiàn)象。因此,對(duì)聚脲涂層老化行為的研究已經(jīng)成為不少專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注熱點(diǎn)。

2 聚脲類(lèi)防護(hù)涂層材料研究分析

美國(guó)是聚脲技術(shù)的起源地,在20世紀(jì)80年代首先研發(fā)成功,很快也在歐洲使用[15]。在中國(guó),則是在1995年黃微波等人開(kāi)始研究聚脲涂層技術(shù),海洋化工研究院、江蘇化工研究院等先后引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù),經(jīng)過(guò)研究者們數(shù)十年的不斷探索,聚脲涂層材料在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛關(guān)注及應(yīng)用。

2.1 聚脲類(lèi)防護(hù)涂層老化行為研究

聚脲涂層作為一種有機(jī)材料,在大氣環(huán)境中不可避免的面臨著各種老化問(wèn)題,影響其正常工作。為了能夠更好地預(yù)測(cè)聚脲涂層的使用性能和服役壽命,必須對(duì)聚脲涂層的老化行為進(jìn)行研究[16]。

聚脲涂層老化過(guò)程緩慢,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),影響因素多且復(fù)雜。聚脲涂層的老化研究方法一般分為兩種,分別為自然暴露老化和人工加速老化,研究人員對(duì)此進(jìn)行了深入的討論。李珍等[17]對(duì)聚脲進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn),包括抗沖耐磨性、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度、耐久性以及環(huán)保性能等項(xiàng)目。試驗(yàn)結(jié)果表明,聚脲本體的性能良好,在混凝土表面噴涂聚脲具有很好的防護(hù)效果,抗老化能力強(qiáng)。Damith Mohotti等[18]通過(guò)對(duì)聚脲涂層復(fù)合鋁板和無(wú)涂層鋁板進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚脲具有能有效減輕低速?zèng)_擊損傷的能力,可以作為一種阻尼材料來(lái)保護(hù)結(jié)構(gòu)免受沖擊威脅。上述研究結(jié)果均指出,聚脲涂層具有優(yōu)異的防護(hù)性能,值得推廣使用。

作為一種能有效提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的材料,大量研究人員通過(guò)不同的研究方法對(duì)聚脲涂層的制備和改性進(jìn)行了研究。Justin M. Sirrine等[19]采用無(wú)溶劑、無(wú)催化劑的合成方法,使用尿素二硅氧烷二胺擴(kuò)鏈劑制備PDMS聚脲的無(wú)異氰酸酯,聚合得到的 PDMS 聚脲,可形成透明且延展良好的獨(dú)立膜。這種簡(jiǎn)單的且不含異氰酸酯的方法為目前高性能彈性體工業(yè)工藝提供了一種商業(yè)上可行的替代方案。梁慧等[20]以環(huán)氧材料作為底層涂料,設(shè)計(jì)聚脲復(fù)合涂料體系,通過(guò)抗凍、抗?jié)B、耐氙燈-熱老化雙因素耦合等老化試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)這種聚脲復(fù)合涂層材料的整體性能良好,適用于水工混凝土的表面防護(hù)和修補(bǔ)處理。魏濤等[21]在聚天門(mén)冬氨酸酯聚脲材料的基礎(chǔ)上,添加納米SiO2、有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑和活性稀釋劑,制備出CW系列混凝土表面保護(hù)修補(bǔ)材料。該材料具有多種特性,在眾多除險(xiǎn)加固和表面防護(hù)工程得到了成功應(yīng)用。

在實(shí)際工程應(yīng)用方面,韓煒等[22]和黃微波等[23]分別依托多個(gè)水利工程和青島海灣大橋承臺(tái)結(jié)構(gòu)防護(hù)工程為研究對(duì)象,研究了聚脲涂層在內(nèi)陸地區(qū)和海港工程中的應(yīng)用情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚脲涂層具有出色的補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)功能和耐海洋腐蝕性能。關(guān)于聚脲防護(hù)涂層技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,李炳奇等[24]指出聚脲防護(hù)涂層的耐久性對(duì)水利工程的安全運(yùn)行具有重大意義,目前缺乏將涂層的分子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能結(jié)合,進(jìn)行綜合考慮;因此,需要從聚脲材料的化學(xué)構(gòu)成出發(fā),研究聚脲涂層服役壽命預(yù)測(cè)的理論與公式。

2.2 聚脲類(lèi)防護(hù)涂層老化機(jī)理研究

隨著聚脲涂層的快速發(fā)展,對(duì)涂層的穩(wěn)定性和壽命預(yù)測(cè)方面提出了更高的要求,因此,對(duì)涂層老化機(jī)理的研究就顯得尤為重要。

聚脲涂層材料在實(shí)際服役狀態(tài)下,環(huán)境條件比較復(fù)雜,影響性能劣化的因素眾多。Atif Mohammed Shaik等[25]將聚脲長(zhǎng)時(shí)間暴露于紫外線輻射下,研究其微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,紫外輻射對(duì)原始聚脲的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大影響,紫外輻射會(huì)誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展到核心,導(dǎo)致其過(guò)早破壞,從而危及結(jié)構(gòu)的完整性。George Youssef等[26]將6組樣本連續(xù)暴露在不同時(shí)間的紫外線輻射下長(zhǎng)達(dá)18周,研究聚脲的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能隨紫外線照射時(shí)間的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著加載時(shí)間的增加或聚脲在高溫下工作,紫外線暴露和溫度對(duì)性能的影響變得高度耦合。

聚脲材料在高溫、潮濕環(huán)境共同作用下使用是一種常見(jiàn)情況,其優(yōu)異的耐熱和濕熱老化性能與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān),研究人員對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。車(chē)凱圓[27]對(duì)聚脲涂層在自然曝曬環(huán)境和氙弧燈加速環(huán)境下的氫鍵行為及相分離形態(tài)進(jìn)行研究。研究結(jié)果顯示,從微觀上看,涂層表面出現(xiàn)的孔洞和微裂紋是表面性能下降的重要原因,而老化后的涂層分子間的作用力降低,是導(dǎo)致涂層力學(xué)性能下降的原因。周中行[28]對(duì)單組分聚脲涂層材料進(jìn)行室內(nèi)加速老化試驗(yàn)研究,觀察各時(shí)段涂層的外觀和掃描電子顯微鏡照片。結(jié)果發(fā)現(xiàn),單組分聚脲涂層材料中脲鍵的含量主要影響涂層材料的拉伸性能,氫鍵和羥基含量主要影響涂層材料的粘結(jié)強(qiáng)度。Kaiyuan Che等[29]研究了聚脲涂層在海洋大氣中暴露150天后的老化行為,通過(guò)ATR-FTIR和XPS對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,在老化過(guò)程中,N-H、C=O和C-O-C鏈斷裂明顯,脲羰基區(qū)氫鍵化程度呈下降趨勢(shì),軟段和硬段的相對(duì)含量發(fā)生顯著變化,增加了相分離程度。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前,由于水利工程中對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提出了越來(lái)越高的要求,混凝土表面防護(hù)涂層材料得到了廣泛應(yīng)用,而聚脲涂層因其自身具備的其他材料無(wú)可比擬的優(yōu)異性能,在各種復(fù)雜環(huán)境中都能起到較好的防護(hù)作用。與傳統(tǒng)涂層相比,聚脲涂層技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn),它具有良好的物理化學(xué)性能,如較高的拉伸強(qiáng)度、較好的耐候性和耐腐蝕性等。

中國(guó)大力提倡使用各種環(huán)保型防護(hù)涂層,涂層的耐久性成為了主要問(wèn)題。自聚脲涂層技術(shù)研發(fā)以來(lái),研究人員們大都關(guān)注于單因素作用下聚脲涂層的耐久性研究,并且在涂層老化方面形成了較為成熟的理論體系,但在大溫差、紫外線、荷載等多種因素耦合作用下的研究較為少見(jiàn),追其原因,可能是室內(nèi)老化試驗(yàn)儀器難以改裝以滿(mǎn)足多種因素同時(shí)耦合作用的要求,這是聚脲涂層要研究的一個(gè)方向。如何定性分析聚脲涂層的老化機(jī)理,有效降低涂層老化,提高涂層服役壽命,開(kāi)發(fā)性能更優(yōu)的涂層,將是未來(lái)研究的重要方向。