水工混凝土表面防護保溫涂料的制備與性能研究

汪在芹,馮 菁,梁 慧,肖承京,李 珍

(1.長江水利委員會長江科學院,湖北武漢430010；2.河海大學水利水電學院,江蘇南京201198;3.國家大壩安全工程技術研究中心,湖北武漢430010；4.三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北宜昌443000)

水工混凝土表面防護保溫涂料的制備與性能研究

汪在芹1,2,3,4,馮 菁1,3,4,梁 慧1,2,3,4,肖承京1,3,4,李 珍1,3,4

(1.長江水利委員會長江科學院,湖北武漢430010；2.河海大學水利水電學院,江蘇南京201198;3.國家大壩安全工程技術研究中心,湖北武漢430010；4.三峽地區(qū)地質災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北宜昌443000)

提出一套水工混凝土雙層表面防護保溫涂層材料系統(tǒng),通過試驗研究,驗證了該系統(tǒng)面層涂料選用自主研發(fā)的CW620系列聚脲涂層,能與底層涂料較好地粘合,且其保溫性能、耐候性和防滲抗裂能力良好,外表美觀；底層材料選用聚苯乙烯、珍珠巖與環(huán)氧膠泥復摻,與混凝土粘結性能好,且具有較好的保溫性能,還可填平混凝土表面凹凸不平的基面,形成相對平整的工作界面；此雙層保溫涂層材料系統(tǒng)可與水工混凝土形成一個整體,對水工建筑物起到有效的防護保溫作用。

保溫涂料；表面防護；聚脲；環(huán)氧膠泥；聚苯乙烯；水工混凝土

隨著我國節(jié)能減排工程的進行,建筑保溫材料得到了廣泛的應用。目前建筑工程常用的有機類保溫材料有聚苯乙烯(EPS、XPS)、橡塑(NBR/PVC)和聚氨酯(PU)等。有機保溫隔熱材料質量較輕,且吸水率低,具有較強的隔熱性能、力學性能,并已配套較成熟的施工工藝與技術,在建筑保溫市場占有率高達90%以上[1-3],為我國的建筑節(jié)能作出了巨大貢獻。

我國西部及東北地區(qū)冬季寒冷,尤其是西藏地區(qū)日溫度波動劇烈且日照輻射強度高,易造成水電工程建筑物尤其是混凝土結構遭受較嚴重的凍融破壞。本實驗擬研發(fā)一種由保溫底涂和耐候性面涂層構成的保溫涂層材料系統(tǒng)。其中,自主研發(fā)的CW620聚脲涂層由于具有良好的耐候性和防滲抗裂能力,適合作為保溫涂層的面層材料。底層材料需具備較好的保溫功能,且與混凝土、聚脲層均具有較好的粘結力。

1 原材料與試驗方法

1.1 原料及試劑

原材料包括：聚天冬氨酸酯,自制；脂肪族異氰酸酯預聚體,德國進口；以及聚苯乙烯顆粒,閉孔珍珠巖等?；钚韵♂寗┑炔捎蒙虾；S生產(chǎn)試劑。

1.2 試驗儀器和設備

材料制備及其過程控制的儀器和設備主要包括：UC100C型超聲波清洗機,廣州維力超聲電子設備有限公司；GFJ-0.4高速分散機,上海現(xiàn)代環(huán)境工程技術研究所；NDJ-1型旋轉式粘度計,上海越平科學儀器有限公司；101-A型電熱鼓風干燥箱,上海滬南科學儀器聯(lián)營廠。

材料結構表征設備包括：TENSOR27紅外光譜儀,德國Bruker公司；JSM-6610LA型掃描電子顯微鏡,日本電子株式會社。

1.3 試驗方法

(1)按照GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》,利用電子萬能試驗機測試材料的力學性能,主要包括粘結強度、拉伸強度以及斷裂伸長率等。

(2)按照GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定(褲形、直角形和新月形試樣1》測試材料的撕裂強度。

(3)按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第1部分邵氏硬度計法(邵爾硬度)》,利用邵A橡膠硬度計測材料的硬度。

(4)導熱系數(shù)采用熱線法測量,利用QTM-500型導熱系數(shù)測定儀,樣品尺寸要求大于12 cm×5 cm×1 cm。

(5)對涂敷聚脲材料的混凝土試件進行接觸角分析試驗、抗?jié)B水壓力試驗、水汽滲透性試驗、氯離子滲透性試驗等。

2 試驗結果與分析

2.1 保溫材料系統(tǒng)設計

最佳保溫涂料的基本功能是在陽光照射下具有全面協(xié)同的光譜特征和阻止熱傳遞的功能?，F(xiàn)階段最有效可行的方法是制備一個多涂層的復合體系,面涂層的功能要求符合光、熱的反射、吸收和發(fā)射機理；底漆通過熱傳遞的阻抗作用實現(xiàn)隔熱,一般采用低導熱率的組合物或在涂膜中引入熱導率極低的空氣,以獲得良好的隔熱效果,且具有防腐防水功能,使之成為一個完整的隔熱體系。

經(jīng)過方案比選,綜合分析了材料的成本和性能,設計了雙層保溫涂層材料系統(tǒng)(見圖1),底層材料直接涂刷于處理后的混凝土表面,待該層表干后涂刷面層。

圖1 材料系統(tǒng)結構設計示意

2.2 底涂的制備及性能研究

經(jīng)篩選,環(huán)氧樹脂膠泥(以下簡稱“環(huán)氧膠泥”)適用于潮濕環(huán)境中,與基體混凝土粘接能力強,且價格便宜,盡管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,但是作為底層材料,不會直接暴露于陽光下,因此環(huán)氧膠泥可作為底層材料的主劑。本試驗所用環(huán)氧膠泥的主要性能見表1。

表1 底層環(huán)氧膠泥主要性能指標

為了獲得良好的保溫性能,可選擇合適的保溫填料與環(huán)氧膠泥進行復摻。目前市面上的保溫填料主要為輕質的、導熱系數(shù)低的無機礦物原料,如?；⒅?、硅藻土、蛭石、珍珠巖、海泡石等。此外,聚苯乙烯顆粒球形度好,吸水率低,導熱系數(shù)小,保溫性能優(yōu)良,也可用作保溫填料。因此,本項目選擇聚苯乙烯顆粒和珍珠巖為主要的保溫填料,參數(shù)見表2。

表2 保溫填料的導熱系數(shù)

將保溫填料摻入環(huán)氧膠泥中,考察填料種類、粒徑和用量對導熱系數(shù)的影響,從而確定保溫底層材料的最佳配方。首先,在環(huán)氧膠泥中摻入聚苯乙烯(或珍珠巖)顆粒,混合后充分攪拌,在不混入氣泡的情況下倒入15 cm×7 cm×7 cm模具中,表面刮平,放置于水平臺上,在標準條件下養(yǎng)護96 h后,脫模繼續(xù)養(yǎng)護72 h；然后,采用熱線法測量各材料的導熱系數(shù),考察兩種填料及其摻量對環(huán)氧膠泥材料導熱系數(shù)的影響,結果見表3。初步試驗結果顯示,與珍珠巖相比,聚苯乙烯顆粒保溫效果較好；底層材料整體導熱系數(shù)隨著聚苯乙烯摻量增多而減小,即聚苯乙烯摻量越多,底層材料的保溫效果越好；但當聚苯乙烯顆粒摻量大于0.2 wt.%(質量百分數(shù),下同)后,隨著摻量的增加,保溫效果減弱。因此,底層材料選用摻入聚苯乙烯顆粒的環(huán)氧膠泥,聚苯乙烯顆粒最佳摻量為0.2 wt.%。

表3 保溫填料對底層材料性能的影響

對摻0.2 wt.%聚苯乙烯顆粒的環(huán)氧膠泥材料進行微觀表征,如圖2所示,從圖2可以看出,聚苯乙烯顆粒在環(huán)氧膠泥中,與之形成一個有機整體。

圖2 底層材料微觀表征

2.3 面層保溫性能和耐候性研究

作為混凝土表面防護材料,與混凝土的良好粘結性能是發(fā)揮其防滲抗裂等防護性能的先決條件,綜合考慮涂層材料的拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度、硬度、抗?jié)B性能等,選取本課題組研制開發(fā)的CW620聚脲防護涂層材料作為保溫材料系統(tǒng)的面涂。該涂料與水工混凝土的粘接強度較好,具有一定的柔韌性,抵抗局部塑性變形的能力較好,能滿足水工混凝土表面防護材料的抗裂要求[4- 6],且混凝土表面涂刷1 mm聚脲涂層后,抗?jié)B能力有了顯著提高，由0.4 MPa提升為2.4 MPa。此外,作為保溫涂層系統(tǒng)的面層材料,應具有較好的保溫隔熱性能和耐候性。聚脲材料基本性能見表4。從表4可以看出,聚脲導熱系數(shù)為0.18 W/(m·K),保溫隔熱性能較好；同時,加速碳化深度為0,抗凍性能>F200,經(jīng)紫外輻照和氙燈老化2 000 h后聚脲表面無變色和粉化現(xiàn)象,耐候性較好。

表4 聚脲材料的基本性能參數(shù)值

綜上所述,聚脲涂層保溫性能較好,耐候性佳,同時可提高混凝土表面的疏水性,并顯著改善混凝土抗?jié)B性。因此,適合作為保溫涂層系統(tǒng)的面層材料。

2.4 保溫涂料系統(tǒng)的整體性能研究

在該系統(tǒng)中,各層充當?shù)墓δ芎徒巧兴鶇^(qū)別。其中,底層材料為復摻了聚苯乙烯顆粒的環(huán)氧膠泥,與混凝土粘結性能好,且具有較好的保溫性能,還可填平混凝土表面凹凸不平的基面,形成相對平整的工作界面；面層材料為自主研發(fā)的CW620系列聚脲涂層,保溫性能、耐候性和防滲抗裂能力優(yōu)異,外表美觀,且與環(huán)氧膠泥粘結性能好。保溫涂層系統(tǒng)的性能檢測結果如表5所示。

3 結 語

本文設計了雙層保溫涂層材料系統(tǒng),面層涂料選用自主研發(fā)的CW620系列聚脲涂層,能與底層涂料較好地粘合,且其保溫性能、耐候性和防滲抗裂能力良好,外表美觀；底層材料為復摻了2%聚苯乙烯顆粒的環(huán)氧膠泥與混凝土粘結性能好,且具有較好的保溫性能,還可填平混凝土表面凹凸不平的基面,形成相對平整的工作界面。此雙層保溫涂層材料系統(tǒng)可與水工混凝土形成一個整體,對水工建筑物起到有效的防護保溫作用,提高水工建筑物的耐久性能,在水工混凝土表面防護領域具有良好的推廣應用前景。

表5 保溫涂層系統(tǒng)的性能參數(shù)測試結果

[1]BARLETTAA M, GUARINOA S, RUBINO G, et al. Environmentally friendly wooden-based coatings for thermal insulation: Design, manufacturing and performances[J]. Progress in Organic Coatings, 2014, 77 (3): 701- 711．

[2]王萬卷, 葉元堅, 余巧玲, 等. 有機保溫材料熱解行為的研究進展[J]. 材料導報, 2014, 28(12)： 100- 103．

[3]許志中, 李鐵東. 有機建筑保溫材料發(fā)展前景的思考 [J]. 新型建筑材料, 2011(7)： 89- 91．

[4]馮菁, 韓煒, 李珍, 等. 新型聚脲混凝土保護材料開發(fā)及工程應用研究[J]. 長江科學院院報, 2012, 29(2)： 64- 67．

[5]魏濤, 廖靈敏, 韓煒, 等. CW系列混凝土表面保護修補材料研究與應用[J]. 長江科學院院報, 2011, 28(10)： 175- 179．

[6]梁慧, 汪在芹, 李珍. 新型水工混凝土表面防護涂層抗凍融性能研究[J]. 人民長江, 2015,46(22)： 79- 82．

(責任編輯 焦雪梅)

Study on Preparation and Properties of Hydraulic Concrete Surface Protective Thermal Insulation Coatings

WANG Zaiqin1,2,3,4, FENG Jing1,3,4, LIANG Hui1,2,3,4, XIAO Chengjing1,3,4, LI Zhen1,3,4

(1. Changjiang Scientific Research Institute, Wuhan 430010, Hubei, China;2. College of Water Conservancy and Hydroelectric Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China;3. Research Center on National Dam Safety Engineering Technology, Wuhan 430010, Hubei, China; 4. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area, Yichang 443000, Hubei, China)

A set of hydraulic concrete double-deck surface protection and thermal insulation coating material system is designed. The independently developed polyurea coating materials of CW620 series are chosen as finishing coatings, which could bond with the base coatings perfectly. Moreover, the CW620 polyurea coatings had good thermal insulation, weather resistance, seepage control and crack resistance performances and beautiful appearance. The polystyrene, perlite and epoxy daub are mixed as base coating materials, which has a good bonding performance with concrete and relatively fine thermal insulation property, and could fill the rugged concrete surface to form a relatively smooth work interface. This double-deck surface protection and thermal insulation coating material system could form an integral with hydraulic concrete, so that could effectively protect hydraulic structures．

thermal insulation coating material; surface protection; polyurea; polystyrene; hydraulic concrete

2016- 06- 08

水利部公益性行業(yè)專項(201301023)；國家自然科學基金面上項目(51579019)；長江科學院技術開發(fā)和成果轉化推廣項目(CKZS2015003/CL)；長江科學院中央級公益性科研院所基本科研項目(CKSF2017020/CL)

汪在芹(1961—),男,湖北仙桃人,教授級高工,博士生導師，主要研究方向為水工建筑材料；梁慧(通訊作者)．

TV41

A

0559- 9342(2017)03- 0128- 04