SK单组分聚脲耐老化试验研究

孙志恒，李敬玮，赵波

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.北京中水科海利工程技术有限公司，北京100038)



SK单组分聚脲耐老化试验研究

孙志恒1，2，李敬玮1，2，赵波1，2

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.北京中水科海利工程技术有限公司，北京100038)

通过室内人工加速老化对比试验，研究了SK单组分聚脲与双组分喷涂聚脲、三元乙丙板、橡胶板的耐老化性能。结果表明，SK单组分聚脲耐老化性能最好，其次是双组分喷涂聚脲和三元乙丙板，橡胶板的耐老化性能较差；十三陵抽水蓄能电站上库现场跟踪测试试验表明，SK单组分聚脲经过7年的运行，其水上、水下及水位变化区材料表面均无异常，SK手刮聚脲与混凝土之间的粘接强度无变化，可以满足正常使用的要求。

SK单组分聚脲；人工老化；现场试验；耐久性

0 引 言

工程实践表明，在已建或新建的混凝土建筑物表面覆涂一层性能良好的柔性防护涂层对于提高建筑物防碳化、防渗、抗冻融破坏及抗冲磨等耐久性指标是一种经济、有效的方法。水工混凝土建筑物目前采用的柔性防护材料有SK单组分聚脲(SK手刮聚脲)、双组分喷涂聚脲、三元乙丙板、天然橡胶板、聚氨酯涂料、GB复合土工膜、SR防渗盖板及聚氯乙烯卷材等高分子材料。其中，SK单组分聚脲是由异氰酸酯预聚体和封闭的胺类化合物、助剂等构成的液态混合物，采用喷涂涂刷、辊涂或刮涂方法施工，在空气中水分作用下，封闭的胺类化合物产生端氨基并与预聚体产生交联点而形成弹性膜。该材料已广泛应用于水工混凝土建筑物伸缩缝、裂缝、大面积防渗、抗冻融破坏及有抗冲磨要求的泄洪建筑物等水利水电工程领域。随着SK单组分聚脲的应用范围不断扩大，材料的使用寿命是人们特别关注的问题，研究其耐老化性能也越来越重要。一种材料的自然老化降解过程由材料自身属性和使用环境的气候条件所决定，本文通过室内人工加速老化试验及十三陵抽水蓄能电站上水库混凝土面板现场自然老化试验，研究SK单组分聚脲的耐老化性能，以供相关工程参考。

1 室内耐老化试验

1.1 试验方法和设备

人工加速老化试验是在人工控制条件下，在室内或设备内模拟近似于大气环境条件或某种特定的环境条件，并强化某些因素，以期在短期内获得试验结果，可以相对比较不同材料在特定因素下的抗老化性能(耐久性)，并对材料的使用寿命提出指导性意见，因此成为评价材料抗老化性能的一种通用方法。

人工加速老化试验方法主要包括：人工气候老化试验(包括氙弧灯、碳弧灯、紫外灯老化)、热老化试验(绝氧、热空气、热氧化吸氧等)、湿热老化试验、臭氧加速老化试验、盐雾腐蚀试验、人工抗霉试验等。根据SK单组分聚脲使用环境和性能特点，确定试验中采用氙灯老化试验、热氧老化试验及湿热老化试验3种方法进行老化性能的测试。

试验同时研究了在水利水电工程中使用较为普遍的双组分喷涂聚脲、三元乙丙板和天然橡胶板3种材料的老化性能，以作为对比参照。

1.2 氙灯人工气候老化试验

氙灯人工气候老化试验用来加速材料的老化，测试材料的光稳定性和抗老化性。氙弧灯达到试样表面的光谱非常接近太阳的光谱。试验中氙灯波长范围300～890 nm，辐射强度(1 000±200)W/m2，黑板温度55℃±3 ℃；相对湿度60%～70%，周期淋水时间为18 min、间隔干燥102 min。电子万能试验机工作范围为0～50 kN，准确度等级0.5级，试验选用拉伸速率500 mm/min。

表1为SK单组分聚脲材料在氙灯人工加速老化试验0～1 869 h的性能变化。从表1可以看出，加速老化试验1 869 h后，SK单组分聚脲老化后强度降低了18%，断裂伸长率从363.6%降低到338.7%，最大仅降低了8%；从拉伸强度变化规律来看，拉伸强度开始下降较快，500 h以后下降趋势稳定；从断裂伸长率变化规律来看，断裂伸长率开始下降较快，1 000 h以后趋于稳定。从材料表面变化情况来看，材料老化也是主要发生在表层。

表1 SK单组分聚脲氙灯人工加速老化试验结果

老化时间/h拉伸强度/MPa性能变化率/%断裂伸长率/%性能变化率/%01711036360058814241734291613691414173354581869139518338707

表2为双组分喷涂聚脲材料在氙灯人工加速老化试验0～1 869 h的性能变化。从表2可以看出，加速老化试验1 869 h后，双组分喷涂聚脲老化后强度降低了16.1%，断裂伸长率从412.8%降低到240.2%，最大降低了42%。拉伸强度开始下降较快，588 h以后下降趋势越来越慢，断裂伸长率开始下降较快，588 h以后下降趋于平缓。从材料表面变化情况来看，材料老化主要发生在表层。

表2 双组分喷涂聚脲氙灯人工加速老化试验结果

老化时间/h拉伸强度/MPa性能变化率/%断裂伸长率/%性能变化率/%0218704128705881838162794732136917222689635186916129240242

天然橡胶板和三元乙丙板也是目前常用的柔性防水材料。表3为天然橡胶在氙灯人工加速老化试验0～1 500 h的性能变化。从表3可以看出，加速老化试验1 500 h后，天然橡胶老化后强度降低了48%，开始强度降低较慢，500 h以后强度快速下降；断裂伸长率降低了53%，老化现象明显。

表3 天然橡胶氙灯人工加速老化试验结果

老化时间/h拉伸强度/MPa性能变化率/%断裂伸长率/%性能变化率/%017060405010500165832901728100012622621557471500894481915753

表4为三元乙丙板在氙灯人工加速老化试验0～1 500 h的性能变化。从表4可以看出，加速试验老化1 500 h后，三元乙丙板强度降低很小(2.5%)，但断裂伸长率降低很快，达到31.1%。

表4 三元乙丙板氙灯人工加速老化实验结果

老化时间/h拉伸强度/MPa性能变化率/%断裂伸长率/%性能变化率/%097305517050095914483412410009492542692261500949253803311

比较表1～4可以看出，在氙灯人工加速老化实验中，SK单组分聚脲材料耐氙灯老化性能最好，双组分喷涂聚脲和三元乙丙板次之，天然橡胶较差。

1.3 湿热老化试验

由于SK单组分聚脲材料可能会在有潮湿、水下及水位变化区环境条件下使用，湿热加速老化可以测试其耐湿热老化性能。试验采用恒温恒湿试验箱，将哑铃型试件悬挂在湿热箱内，老化一定时间后取出试件于标准温度下(23 ℃±2 ℃)放置16 h以上，然后在万能电子拉力机上进行力学性能测试。表5为SK单组分聚脲和双组分喷涂聚脲试件在60 ℃湿热试验条件下的力学性能试验数据。

表5 60 ℃试验条件下SK单组分聚脲和双组分喷涂聚脲湿热老化试验成果

老化时间/d拉伸强度/MPa断裂伸长率/%SK单组分聚脲双组分喷涂聚脲SK单组分聚脲双组分喷涂聚脲SK单组分聚脲双组分喷涂聚脲001543218751223412873316842038540463961477151820905375942652141012262004620044244920301459164354889403976363113216414420537419

从表5可以看出，聚脲这两种材料的拉伸强度和断裂伸长率都是随老化时间的增加而下降的，但是下降速度越来越慢，63 d后SK单组分聚脲抗拉强度和断裂伸长率分别下降了26.6%和13.7%；双组分喷涂聚脲抗拉强度和断裂伸长率分别下降了24.9%和9.34%。

表6 60 ℃条件下天然橡胶和三元乙丙板湿热老化试验成果

老化时间/d拉伸强度/MPa断裂伸长率/%天然橡胶三元乙丙板天然橡胶三元乙丙板01757943533255692631626—46295—716689405066653740101668883465355098730134182337255413586313238203410437648

表6为天然橡胶和三元乙丙板试件在60 ℃试验条件下的力学性能试验数据。从表6可以看出，天然橡胶63 d后抗拉强度和断裂伸长率分别下降了24.7%和36.04%，抗拉强度和聚脲相当，但断裂伸长率较聚脲降低得较快；三元乙丙板63 d后抗拉强度和断裂伸长率分别下降了13.0%和33.8%，抗拉强度降低较小，但断裂伸长率较聚脲降低得快。

比较表5和表6数据，高分子材料在湿热环境下老化较快，相比之下双组分喷涂聚脲和SK单组分聚脲耐湿热老化性能较好，三元乙丙板次之，天然橡最差。

1.4 热氧老化试验

试验采用橡胶老化试验箱，工作温度范围为40～150 ℃，将哑铃型试件悬挂在老化箱内，老化箱空气置换率为3～10次/h。老化一定时间后取出试件于标准温度下(23 ℃±2 ℃)放置16 h以上，然后在万能电子拉力机上进行力学性能测试。

表7为SK单组分聚脲和双组分喷涂聚脲试件在80 ℃试验条件下的力学性能试验结果。从表7可以看出，拉伸强度σ随老化时间增加而下降，由于聚脲材料的耐热老化性能优异，老化性能下降缓慢，56 d后SK单组分聚脲抗拉强度和断裂伸长率分别下降了9.0%和14.6%，双组分喷涂聚脲抗拉强度和断裂伸长率分别下降了17.7%和17.4%。

表7 80 ℃条件下SK单组分聚脲和双组分喷涂聚脲热氧化试验成果

老化时间/d拉伸强度/MPa断裂伸长率/%SK单组分双组分SK单组分双组分012972187456294128721332053496574244351159201843652373617995194552226413892110071937461014242841916187238157397644910981864393242628561181799389673411

表8为天然橡胶和三元乙丙板在80 ℃条件下热氧化试验成果，从表8可以看出，56 d后天然橡胶抗拉强度和断裂伸长率分别下降了63.92%和74.55%，均超过50%，较聚脲降低得快；56 d后三元乙丙板抗拉强度下降了11.7%，与聚脲相当，但断裂伸长率下降了56.8%，均超过50%，较聚脲降低得快。

表8 80℃ 条件下天然橡胶和三元乙丙板热氧化试验成果

老化时间/d拉伸强度/MPa断裂伸长率/%天然橡胶三元乙丙板天然橡胶三元乙丙板01757878533254646421521735459883925551509687341472895971418709347943254421108—209682081641786902013323202496846861895323125566347751357320057

对比表7和表8试验成果，SK单组分聚脲耐热氧化性能最好，其次是双组分喷涂聚脲和三元乙丙板，天然橡胶较差。

2 现场耐老化试验

十三陵抽水蓄能电站所处地区属严寒地区，上库冬季实测最低气温-22.6 ℃，最大风速23 m/s，每年最低气温小于0 ℃的天数达120天左右。电站运行期间，上库水位涨落频繁，每天1～2个循环，最大水位降速7～9 m/s。面板经受着温差、冻融及干湿交替频繁等多种不利因素作用。因此，十三陵抽水蓄能电站上库混凝土面板运行条件十分恶劣。为了验证SK单组分聚脲的耐久性及抗冻性，2007年在上库混凝土面板进行了现场涂刷SK单组分聚脲防护试验。试验范围包括水下、水位变化区和水上三个部位，并进行了跟踪测试，测试结果见表9。从表9可以看出，无论在水上、水下还是水位变化区，SK单组分聚脲使用7年后，聚脲表面无异常变化。粘接强度测量结果表明，SK单组分聚脲与面板混凝土之间的粘结拉拔强度为2.2～3.8 MPa，随着时间的推移，水上、水位变化区及水下测量的粘结强度基本上没有变化，说明SK单组分聚脲涂层耐久性很好。

表9 SK单组分聚脲与面板混凝土现场粘结拉拔强度 MPa

注：*表示因为当时水位不能降低，未测量；**聚脲与拉拔头之间的胶脱落.

3 结 语

SK单组分聚脲、双组分喷涂聚脲、三元乙丙板和天然橡胶板是水利水电工程中经常采用的柔性防护材料，从本文所述室内老化试验结果来看，SK单组分聚脲综合耐老化性能最好，其次是双组分喷涂聚脲和三元乙丙板，天然橡胶板耐老化性能相对较差。从现场试验来看，SK单组分聚脲位于水上、水下及水位变化区材料表面无异常，与混凝土之间的粘接强度无变化，说明SK单组分聚脲涂层耐久性很好，可以满足工程需要。SK单组分聚脲初期在李家峡水电站泄洪道抗冲磨防护、宝泉水电站混凝土副坝上游面大面积防渗及十三陵抽水蓄能电站上库面板裂缝封闭等工程中的应用已有8～9年的时间，目前效果很好，更长期的效果还需要进一步的观察。

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(责任编辑 焦雪梅)

Study on Aging Test of SK One Component Polyurea

SUN Zhiheng1,2, LI Jingwei1,2, ZHAO Bo1,2

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China; 2. Beijing IWHR-KHL Co., Ltd., Beijing 100038, China)

The aging characteristics of four kinds of material, including SK one component polyurea, two component spray polyurea elastomer, EPDM rubber sheet and natural rubber (NR) sheet, are studied by accelerated aging tests. The test results show that the durability of SK one component polyurea is excellent, followed by two component spray polyurea elastomer and EPDM rubber sheet respectively, and that of the NR sheet is worst. Meanwhile, an on-site aging test of SK one component polyurea is also conducted at upper reservoir of Ming Tombs Pumped-storage Power Station. After 7 years on-site application, the appearance of SK one component polyurea shows no abnormality and the pulling adhesive strength is no change at different positions of dry area, underwater area and water level changing area．

SK one component polyuria; artificial accelerated aging; on-site test; durability

2016- 02- 02

孙志恒(1962—)，男，山东淄博人，教授级高工，主要从事水工混凝土建筑物的检测、评估及修补加固工作．

TV698.2

A

0559- 9342(2016)09- 0116- 04