新型聚脲混凝土保护材料开发及工程应用研究

冯 菁，韩 炜，李 珍，汪在芹

(长江科学院a.材料与结构研究所;b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心;c.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

船闸是重要的通航建筑物，不仅承担频繁的通航任务，同时对水利枢纽的正常、安全服役起到关键作用。船闸闸墙混凝土因长期受到船只的碰撞和摩擦，破损问题非常突出，最严重的部位甚至已露出了钢筋并出现锈蚀。此类问题不仅严重影响了船闸闸墙的美观;并且随着时间的推移，极有可能影响到水利水电工程功能的正常、高效发挥，继而对国家的防洪安全、水利航运、电力能源产生负面影响。如何采取有效的措施以防止或减少船闸闸墙混凝土的碰撞、摩擦破损等问题是一个世界性的难题，应尽快解决这一问题。

聚脲弹性体(polyurea elastomer)是国外近l0年来研发出的一种新型无溶剂、无污染的绿色材料，是继高固体分涂料、水性涂料、辐射固化涂料、粉末涂料等低(无)污染涂料之后的新一代环保涂料。聚脲弹性体突破了传统环保型涂料的局限，将塑料、橡胶、涂料、玻璃钢等多种材料的功能集于一身，适用于混凝土的裂缝修补以及表面防护［1］。聚天门冬氨酸酯聚脲是继芳香族和脂肪族聚脲之后的第3代聚脲材料，具有反应速度可调、对基材的附着力好、可低温固化、涂层不易泛黄、不易发泡等诸多优点，在国内外得到越来越广泛的关注［2－3］。

本文拟采用聚天门冬氨酸酯和异氰酸酯为主要原料，制备一种具有优异抗冲撞性和耐候性的脂肪族聚脲材料［4－8］，并对其力学性能和耐久性进行室内研究及现场生产性试验，从而判断制备的聚脲材料是否适合作为船闸混凝土的新型抗冲撞材料。

2 试验

2.1 原材料

聚天门冬氨酸酯A和脂肪族异氰酸酯B均购自Bayer公司。

硅微粉、硅烷偶联剂、活性稀释剂购自武汉道尔化工有限公司。

2.2 聚天门冬氨酸酯聚脲材料的制备

以添加硅微粉的聚天门冬氨酸酯为A组分，不同结构的脂肪族异氰酸酯为B组分，A组分与B组分反应后制得聚脲材料，基本配方如表1所示。

2.3 力学性能试验

利用万能试验机(深圳市瑞格尔仪器有限责任公司，RGM－30A型)和冲击实验机(承德试验机有限责任公司，KJJ－50型)测试材料的力学性能。试件按照国家标准规定的方法制作，28 d后进行性能测试。

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

2.4 耐久性试验

所有试验按照《水工混凝土试验规程》(SL 352－2006)规定的方法进行。

利用全自动混凝土冻融试验机(日本圆井公司，MIT－683－0－63型)进行冻融试验。采用40mm×40mm×160mm的棱柱体混凝土试件作为标准试件，抗冻标号为F75。在试件表面涂刷1mm厚聚脲材料，7 d后进行冻融试验。

利用混凝土碳化试验箱(北京数智意隆仪器有限公司，CCB－70W型)进行碳化试验。标准试件为70.7mm的立方体混凝土试件。在试件表面涂刷1mm厚聚脲材料，7 d后进行碳化试验。

利用混凝土抗冲磨试验机(南京水利科学研究院仪器厂，HKS－Ⅱ型)进行抗冲磨试验。抗冲磨试验的标准试件为直径300mm，高100mm的圆柱体混凝土试件。在试件表面涂刷1mm厚的聚脲材料，7 d后进行试验。

3 结果与讨论

3.1 力学性能试验

在大量试验的基础上，选择了2种不同的A组分与B组分的配比，制备了Ⅰ，Ⅱ两种聚脲材料，其主要力学性能如表2所示。

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

由表2可见，聚脲Ⅰ，Ⅱ两种材料的力学性能有所差别。聚脲Ⅰ的抗压强度、抗拉强度以及黏结强度略高于聚脲Ⅱ，但聚脲Ⅰ的抗冲击性能明显低于聚脲Ⅱ。综合考虑，材料Ⅱ更适于作为抗冲撞材料。因此，以下性能试验主要针对聚脲Ⅱ材料展开。

3.2 冻融试验

经冻融试验发现，未涂刷聚脲材料的混凝土试件在经历150个冻融循环后，试件质量损失达18%，相对动弹性模量降了55.4%;而涂刷聚脲材料的混凝土试件在经历150次冻融循环后，试件质量损失为1%，相对动弹性模量略有损失，降了4.8%左右。

图1为未涂刷(图1(a))和涂刷(图1(b))聚脲材料的混凝土试件冻融150次后的照片，照片显示涂有聚脲材料的试件表面无明显损失，而未涂任何保护材料的试件表面损失严重。

因此，冻融试验说明制备的聚脲材料能显著提高混凝土的抗冻融能力。

图1 经150次冻融实验后涂刷聚脲Ⅱ材料与未涂刷的混凝土试件对比Fig.1 Images of concrete sample without any coating and sample coated with polyurea materials after freeze-thaw for 150 times

3.3 碳化试验

通过28 d的碳化试验(图2)发现:未涂刷任何保护材料的混凝土试件(图2(a))碳化深度已达8mm，但涂刷聚脲材料的混凝土试件(图2(b))仍未发生碳化。

碳化试验说明制备的聚脲材料能显著提高混凝土的抗碳化能力。

图2 碳化试验28 d后涂刷聚脲Ⅱ材料与未涂刷的混凝土试件对比Fig.2 Images of concrete sample without any coating and sample coated with polyurea material after carbonation for 28 days

3.4 冲磨试验

通过72 h的冲磨试验发现，未涂刷任何保护材料的混凝土试件质量损失已达1.50 kg;但涂刷聚脲材料的混凝土试件质量损失小于0.01 kg。图3为未涂刷(图3(a))和涂刷(图3(b))聚脲材料的混凝土试件冲磨72 h后的照片。

图3 抗冲磨试验72h后涂刷聚脲II材料与未涂刷的混凝土试件对比Fig.3 Images of concrete sample without any coating and sample coated with polyurea material after abrasion for 72 hours

冲磨试验说明制备的聚脲材料能显著提高混凝土的抗冲磨能力。

3.5 现场生产性试验

室内性能测试结果已经表明制备的聚脲材料具有很好的力学性能、抗冻融、抗碳化以及抗冲击能力，符合我们的预期。

为了进一步考察该材料是否具有实际应用的潜力，将该材料涂覆在葛洲坝船闸闸墙表面，进行了现场生产性试验，实施现场如图4所示。通过2年时间的观察发现材料表面完好无损，很好地保护了船闸闸墙混凝土。

图4 葛洲坝闸墙涂刷聚脲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，将该聚脲材料涂覆在三峡大坝船闸闸墙表面进行现场生产性试验，运行22个月后比较涂覆和未涂覆聚脲材料的闸墙(图5);结果表明，涂覆了聚脲材料的闸墙受损程度较轻，该材料很好地保护了船闸闸墙混凝土。

当然，若要将该材料作为新型船闸抗冲撞材料投入工程应用，仍需进一步考察其服役效果和期限。

图5 三峡大坝涂刷聚脲Ⅱ材料Fig.5 Images of concrete before the coating and 22 months after coated with polyurea material

4 结论

本文通过调整聚天门冬氨酸酯组分(A组分)与脂肪族异氰酸酯组分(B组分)的比例，成功制备了新型的聚天门冬氨酸酯聚脲材料，并对材料的力学性能和耐候性进行了测试分析。

结果表明:所得材料不但具有较好的力学性能，而且能明显改善混凝土试件的抗冻、抗碳化、抗冲磨能力，有望成为新型船闸混凝土抗冲撞材料。在葛洲坝和三峡大坝船闸皆进行了生产性试验，通过观察发现聚天门冬氨酸酯聚脲材料起到了很好的抗冲撞防护效果，显示出巨大的应用潜力。因此，长江科学院制备的聚天门冬氨酸酯聚脲材料有望用于水利水电工程的大坝表面保护，防止和减少过往船只对大坝冲撞造成的损毁，提高大坝服役年限，保证大坝长久、安全运行。

［1］黄微波.喷涂聚脲弹性体技术概况［J］.上海涂料，2006，44(1):29－31.(HUANG Wei-bo.Overview of Spraying Polyurea Elastomer Technology［J］.Shanghai Coatings，2006，44(1):29－31.(in Chinese))

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［4］黄微波，刘培礼，胡松霞，等.喷涂聚脲技术领域的新进展－聚天门冬氨酸酯聚脲［J］.中国涂料，2005，20(8):36－38.(HUANG Wei-bo，LIU Pei-li，HU Songxia，et al.Polyaspartic，New Material of Spraying Polyurea Technology Field［J］.China Paint，2005，20(8):36－38.(in Chinese))

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