聚脲防水材料在水利水电工程中的应用_孙志恒

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2013年第31卷第10

期

聚脲防水材料在水利水电工程中的应用

孙志恒，郝巨涛

（中国水利水电科学研究院，北京100038）

这两种材料均具有较高的抗冲耐磨性、良好的防渗效果、耐腐【摘要】聚脲材料分为双组份喷涂聚脲和单组份手刮聚脲，

蚀性强及优异的物理力学性能等。本文介绍了这两种材料的定义、原理、优缺点、应用范围及在水利水电工程中的应用实例。提出单组份手刮聚脲宜用于水工混凝土建筑物的迎水面防渗、裂缝和伸缩缝表层防渗，以及流速小于30m/s的过流面的抗冲磨防护与表面耐久性防护；双组份喷涂聚脲宜用于水工混凝土建筑物的迎水面防渗、流速小于5m/s的过水面保护及表面耐久性防护。

双组份喷涂聚脲；水利水电工程【关键词】单组份手刮聚脲；

【中图分类号】TV4

【文献标志码】A

10－0020－03【文章编号】1671－3702（2013）

Application of Polyurea Waterproof Material in Hydraulic Engineering

SUN Zhiheng ，HAO Jutao

(ChinaInstitute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China)

Abstract:Polyurea materials can be divided into two groups, one component is brush polyurea and the other component is spray polyurea, both of them can be highly resistant to water flow abrasion, water seepage, chemical erosion, with perfect physical and mechanical properties. In this paper, definitions and reaction mechanisms of the two polyureas are introduced, together with their characteristics, application scopes and examples in hydraulic engineering project. The brush polyurea is proposed to be suitable to the waterproofing of upstream surface, expansion joints and crack defects of concrete structures, as well as the surface protections to against hazardous erosion and water flushing abrasion with its flow velocity being less than thirty meters per second. The spray polyurea is suitable to the waterproofing of upstream surface, as well as the surface protections to against hazardous erosion and water flushing abrasion with its flow velocity being less than five meters per second.

Keywords:one component brushing polyurea; two component spraying polyurea; hydraulic engineering

1概述制，如果仅处理混凝土局部破坏或裂缝，采用双组份喷涂聚脲修补也不经济。为了弥补这一缺陷，开发了施工简单、不需要专用设备的单组份手刮聚脲。2材料定义及原理

双组份喷涂聚脲涂层是由异氰酸酯组份（A 料）与端氨基化合物组份（B 料）通过专用喷涂设备快速混合反应形成的弹性涂层。单组份手刮聚脲涂层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的弹性涂层。

聚脲材料具有较高的抗冲耐磨性、良好的防渗效果、耐腐蚀性及优异的物理力学性能，在工业与民用建筑、水利水电工程、国防建设等方面得到了广泛应用。聚脲材料分为双组份聚脲和单组份聚脲。双组份喷涂聚脲原料体系不含溶剂，固化速度快，工艺简单，可很方便地在立面、曲面上喷涂几十毫米厚的涂层而不流挂。但是，喷涂双组份聚脲需要专门的喷涂设备，该设备尺寸较大，在水利水电工程中的应用受到一定的限

作者简介：孙志恒，男，教授级高工，主要从事建筑材料的检测、评估与缺陷修补工作。

--

第10期孙志恒等：聚脲防水材料在水利水电工程中的应用

双组份聚脲是由两个组份构成的，其中A 组份为R 组份含有多个－NCO 的小分子或高分子（预聚体），为含有二个或二个以上端氨基的高分子或低分子组合A 组份和R 组份混合后迅速反应生成聚脲物。（端－NCO 基团与端－NH 2反应非常快，其反应形成脲键），其作用时间通常只有几秒。

－NCO +－NH 2→－NHCONH －

如果将R 组份分子中的多氨基换成多羟基－OH （如聚醚多元醇，聚酯多元醇），则反应形成氨酯键（氨基甲酸酯），即为双组份聚氨酯。

－NCO +－OH →－NHCOO －

如果将R 组份中端氨基进行化学封闭，封闭后的中间体在隔绝空气和水分的条件下不会与含－NCO 的组份发生化学反应，能够共存于同一体系中。其混合物一旦与空气接触，封端多元胺在水分作用下封闭解除，释放出端氨基－NH 2或－NH －，迅速与－NCO 发这就是单组份聚脲的反应原理。生反应形成脲键。

单组份聚脲由含多异氰酸酯－NCO 的高分子预聚体与经封端的多元胺（包括氨基聚醚）混合，并加入其它功能性助剂所组成。在无水状态下，体系稳定，一旦开桶施工，在空气中水分的作用下，迅速产生多元胺，多元胺迅速与异氰酸酯－NCO 反应，形成单组份聚脲。3材料物理力学性能

双组份喷涂聚脲与单组份手刮聚脲均具有良好的JGJ/T物理力学性能。《喷涂聚脲防水工程技术规程》200－2010中要求的喷涂聚脲性能指标如表1所示；单组份手刮聚脲性能指标如表2所示。

上述表中的材料指标是可以根据实际工程需要，通过调整配方来改变聚脲的物理力学性能。两种聚脲延伸率可以调到的抗拉强度都可以调到15～25MPa 、200%～500%，但相应的成本会增加。4两种材料的优缺点比较4.1双组份喷涂聚脲的特点

1）材料本体抗冲磨性能好、耐老化；2）与基础混凝土粘结强度大于2.0MPa ；3）机械化施工，表面喷涂聚脲涂层施工速度快，但基础处理要求高；

4）材料反应速度极快，解决了以往喷涂工艺中易斜面及垂直面上一次产生的流挂现象，可在任意曲面、喷涂成型；

序号序号

表１双组份喷涂聚脲物理力学性能指标

项

目

Ⅰ

≥

10.030040－35

Ⅱ16.045050－40

12345

拉伸强度/MPa

断裂伸长率/%≥撕裂强度/（N/mm）≥低温弯折性/℃≤不透水性

0.4MPa ，2h 不透水

备注：喷涂聚脲防水工程技术规程JGJ/T200－2010

表２单组份手刮聚脲物理力学性能指标

项

比重

（25℃）粘度/mPa·s 表干时间/h拉伸强度/MPa断裂伸长率/%粘结强度/MPa撕裂强度/（N/mm）低温弯折性/℃硬度（邵A ）

抗冲磨强度/（h/（kg/m2））不透水性

目

Ⅰ

1.10±0.05≥3000≤4≥15≥350≥2.5≥40≤－45≥60≥20

Ⅱ

[1**********]11

≥20≥200≥3.0≥60≤－45≥80≥25

2.0MPa ，2h 不透水

5）低温柔性较好，在－30℃下对折不产生裂纹；6）防渗、防冻效果好，耐化学腐蚀；

7）芳香族聚脲表面颜色会有变化，耐老化较脂肪族聚脲差，但脂肪族喷涂聚脲价格高；

8）无毒，可用于饮用水输水工程；

9）喷涂聚脲对施工人员和喷涂设备要求极高，喷涂均匀性不易控制，可能出现局部强度偏低及厚度不均匀的情况。施工质量的好坏90%以上取决于施工人员的水平。

4.2单组份手刮聚脲的特点

1）耐化学腐蚀，防渗效果及抗冲磨性能好；2）与基础混凝土粘结强度大于3.0MPa ；3）单组份材料就一种材料，避免了施工中配合比不当造成质量缺陷，不需要专门的设备，分层施工，涂层厚度的均匀性及宽度可控，施工质量有保证；

4）低温柔性好，在－45℃下仍保持50%以上的延伸率，能适应高寒地区低温环境的运行要求；

5）材料为脂肪族，耐老化性能好，不变色；6）无毒，可用于饮用水输水工程；

7）由于固化时间长，混凝土裂缝及伸缩缝表面封闭可以增设胎基布增强；

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8）局部缺陷修补使用同一种材料，施工方便；

工程质量第31卷

的泄洪建筑物表面应用的效果较好，在流速较大的泄洪建筑物表面应用的效果较差。6.2单组份手刮聚脲应用实例

黄河公伯峡水电站工程位于青海省循化撒拉族自治县和化隆回族自治县交界处，枢纽主要由大坝、引水发电系统和泄水建筑物三大部分组成。2010年检测发现公伯峡水电站溢洪道底板横向伸缩缝因发生挤压，龟导致两侧混凝土大部分脱空，并且底板混凝土裂缝、裂比较严重。为防止底板混凝土缺陷进一步恶化及泄2011年采用SK 单组洪时底板混凝土发生气蚀破坏，

份手刮聚脲对公伯峡水电站左岸溢洪道左右孔泄槽段底板破损伸缩缝、裂缝及混凝土脱空和龟裂进行了处理。经过2012年的泄洪考验，发现采用SK 单组份手裂缝及伸缩缝表面无刮聚脲处理的底板混凝土龟裂、

异常变化，处理效果很好，保证了溢洪道的安全。

SK 单组份手刮聚脲已经应用于深圳东江观另外，

深圳龙茜引水PCP 山渡槽和西枝江箱涵伸缩缝止水、

管承插接口止水、北京南水北调PCCP 和山西引黄北线PCCP 管承插接口止水、辽宁太平哨水电站、浙江富春江水电站、新疆克腊塑客水电站及青海龙羊峡水电站等泄洪建筑物混凝土表面抗冲磨防护、陕西安康水电站消力池伸缩缝止水及抗冲磨防护、云南云荞水辽宁双沟水库、新疆吉林台水电站、新疆温泉水电库、

站和北京十三陵抽水蓄能电站等混凝土面板裂缝的快速柔性封闭、河南宝泉水电站混凝土副坝和延吉松月水库上游面大面积防渗等，取得了良好的效果。通过多年运行的考验，证明单组份手刮聚脲适用于处理混凝土伸缩缝、裂缝、大面积防渗及有抗冲磨要求的泄洪建筑物等水利水电工程，以及防止海水腐蚀的海港工程等。7结

语

9）人工刮涂，一次涂刷厚度为1mm ，需要分层涂但施工工艺简单，只要施工场地容许，可以多个工刷。

作面同时施工。5两种材料的适用范围

由于这两种柔性材料本体抗冲磨性能及防渗性能均很优越，对于迎水面大面积防渗的水工建筑物，只要施工场地能满足吊装和放置喷涂设备的要求，选用这两种材料均可以。对于承受背水面及有抗冲磨要求的水工建筑物来说，关键是提高柔性涂层与基础混凝土之间的粘结强度，保证材料的均匀性和施工质量。对伸缩缝及裂缝表面封闭，需要保证涂刷或喷涂的涂层厚度及宽度。

经过总结多年来在水利水电工程中应用的实例及效果，可以归纳为：

1）单组份手刮聚脲宜用于水工混凝土建筑物的裂缝和伸缩缝表层防渗，以及流速小于迎水面防渗、

30m/s的过流面的抗冲磨防护与表面耐久性防护；

2）双组份喷涂聚脲宜用于水工混凝土建筑物的迎水面防渗、流速小于5m/s的过水面保护及表面耐久性防护。

6两种材料在水利水电工程中的应用实例6.1双组份喷涂聚脲应用实例

小湾水电站位于云南省西部地区南涧县和凤庆县交界的澜沧江中游河段上，主体工程由混凝土双曲拱坝、地下引水发电系统、泄洪隧洞、水垫塘及二道坝等建筑物组成。其中混凝土双曲拱坝最大坝高292.0m ，是世界上最高的混凝土双曲拱坝。小湾水电站坝高库容大，坝址地处强震区，安全性和耐久性极为重要。模型试验和计算分析表明坝踵区应力比较复杂，上游面存在高应力区，为了防止因上游面出现裂缝导致水力劈裂，在小湾拱坝上游面应力比较复杂及拉应力区部位采用了喷涂聚脲技术。拱坝坝面喷涂聚脲范围为从7号坝段到36号坝段，共30个坝段，长约660m ，高度从坝踵诱导缝高程开始向上30m ，两岸延伸至1127m 高另外，喷涂聚脲技术还成功应程，防渗面积约2万m 2。用于北京三家店拦河闸抗冲磨及防碳化、北京黄松峪水库溢洪道抗冲磨防护、山西龙口水电站泄洪底孔抗云南景洪水电站厂房顶防水防渗等工程。通过多冲磨、

年运行的考验，双组份喷涂聚脲在迎水面或流速较小--

双组份喷涂聚脲和单组份手刮聚脲这两种材料均良好的柔性、优异的抗冲磨性和耐老具有较高的强度、

化性，均适用于迎水面大面积防渗。单组份手刮聚脲为脂肪族，耐老化性能好，表面不变色；喷涂聚脲有芳香族和脂肪族两种，脂肪族喷涂聚脲耐老化，但成本很芳香族喷涂聚脲耐老化性差，表面会变色。单组份高。

手刮聚脲分层施工，可以保证涂层厚度的均匀性，但需要分层施工，在混凝土裂缝表面及伸缩缝表面可以增

（下转第26页）

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化规律一致。这说明针对玻璃化温度相近的同种乳液构成的弹性建筑涂料，也可以用其损耗因子的最大值估计其拉伸性能的大小关系。3

结

语

本文通过对5款典型的弹性建筑涂料进行拉伸性能和配方的比较，建立了定性研究和评价弹性建筑涂料的红外光谱方法和热失重分析方法。弹性建筑涂料的动态热机械分析结果说明了弹性建筑涂料的弹性是由乳液的玻璃化温度和填料的补强作用共同决定的，其中乳液的玻璃化温度决定于乳液的低温柔顺性，是

图４弹性建筑涂料的损耗因子与温度的关系

最关键的因素。Q

参考文献

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[5]董善刚，祝洒虎，张洪梅. 高耐沾污弹性涂料的制备[J].中国涂料，200957－58＋65. （04）：

以上。这说明弹性建筑涂料在－100℃时的储能模量与其拉伸强度有一定的相关性，通过弹性建筑涂料在－100℃时的储能模量大体可以估计其拉伸性能的水平。

5款弹性建筑涂料的损耗因子的从图4可以看出，

0.763、0.724、1.051、0.879。QN －最大值依次为0.837、

12样品的低温柔性最佳，因此其损耗因子的最大值明显高于其他4个样品。填料的补强作用降低了损耗因QN －10、QN －11的损耗因子的最大值；因此QN －9、子的最大值依次降低，这与它们拉伸断裂伸长率的变

QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ

（上接第22页）

设胎基布；喷涂聚脲快速固化，一次成型，立面不会流淌，但无法增设胎基布补强。单组份手刮聚脲固化时间长，可以与基础混凝土很好地反应，与基础混凝土粘结强度大于喷涂聚脲，故更适用于有抗冲磨要求的部位。由于双组份喷涂聚脲和单组份手刮聚脲均具有优异的物理力学性能，已在水利水电工程中得到广泛应用。针对实际工程，根据这两种材料各自的特点及适用范围来选择材料，并由专业的施工队伍施工，聚脲材料在水利水电工程中的防渗、防冻、抗冲磨及提高混凝土耐久性等领域具有广阔的应用前景

。Q

参考文献

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