聚脲材料在豐滿水電站重建工程中的應(yīng)用

薛建峰，姚寶永，常昊天

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.中國水利水電建設(shè)工程咨詢北京有限公司，北京 100024)

豐滿水電站重建工程是在原豐滿老壩下游120m處新建一座大壩，恢復(fù)原電站功能和任務(wù)，不改變水庫特征水位。電站樞紐由攔河壩、泄洪消能、引水發(fā)電過魚設(shè)施等建筑物和保留的原三期電站組成。新建大壩為碾壓混凝土重力壩，壩長1068m，最大壩高94.5m。電站地處我國東北地區(qū)，晝夜溫差大、冰凍周期長，多年平均氣溫為5.7℃，極端最高氣溫為37.9℃，極端最低氣溫為-39.9℃〔1〕，運行條件極其惡劣。特別是混凝土裂隙滲水以及表面含水低溫結(jié)冰后會發(fā)生凍脹，極易損傷混凝土表面，甚至造成大體積混凝土局部凍融破壞；此外當(dāng)壩體內(nèi)外溫差較大時，如果保溫措施不到位可能會發(fā)生壩體開裂等一系列問題。因此，有必要對大壩等水工建筑物的重要部位表面采取一定的防護(hù)措施。

聚脲材料具有抗沖磨性高、防滲性能好、耐腐蝕性強以及優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在國防工程、工民建工程、汽車制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。特別是作為一種新型無污染、無溶劑的綠色施工技術(shù)的噴涂聚脲彈性體技術(shù)，在解決處理水利水電工程中的抗腐蝕、沖磨以及防滲等方面具有很大的優(yōu)勢〔2〕。根據(jù)溫控和耐久性要求，豐滿水電站重建工程在大壩上游面、進(jìn)水口流道、溢洪道、廠房屋頂?shù)炔煌课粦?yīng)用不同聚脲材料達(dá)到輔助防滲及劣化保護(hù)的目的；采用“防冰拔聚脲涂層+發(fā)泡聚氨酯”對大壩上游面進(jìn)行保溫防護(hù)；使用聚脲膠泥和聚脲砂漿對混凝土表面缺陷進(jìn)行修補。

1 聚脲材料分類及其適用性

聚脲是異氰酸酯組分和氨基化合物組分反應(yīng)生成的一種彈性體物質(zhì)。

從發(fā)展軌跡上看，聚脲材料主要分為芳香族聚脲、常規(guī)脂肪族聚脲和聚天門冬氨酸酯聚脲。芳香族聚脲是最早開發(fā)、應(yīng)用最廣泛的聚脲，其主要特點包括凝膠時間短、不會產(chǎn)生流掛、綜合力學(xué)性能優(yōu)異、抗沖磨性較高、防滲性能好、耐腐蝕性強、具有很好的附著力(可與多種底材黏結(jié))、使用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行大面積快速施工、紫外線下易變黃、易污染不噴涂區(qū)域等。為了得到具備合理反應(yīng)速度、理想施工時間的聚脲材料，脂肪族聚脲和聚天門冬氨酸酯聚脲應(yīng)運而生。特別是聚天門冬氨酸酯聚脲具有慢反應(yīng)特性、對紫外線有很好的耐受性，色彩穩(wěn)定、不泛黃，抵抗環(huán)境侵蝕能力強，可低溫固化，應(yīng)用前景十分廣闊〔3〕。

從施工工藝上看，聚脲材料通常分為噴涂聚脲和涂刷聚脲。對于水工混凝土建筑物來說，涂刷聚脲施工簡便、開桶即用、成本較高；噴涂聚脲施工快速、成本低，宜用于大面積施工〔4〕。

2 工程應(yīng)用

2.1 混凝土表面防護(hù)

根據(jù)聚脲材料分類特性和經(jīng)濟比選，在豐滿水電站重建工程大壩擋水壩段上游面、發(fā)電廠房屋頂、主變油池等無水流沖刷部位采用2mm厚雙組分噴涂聚脲進(jìn)行表面防護(hù)；在大壩廠房壩段上游面、進(jìn)水口、閘門槽、通風(fēng)豎井等長期水流沖刷的部位，采用聚天門冬氨酸酯涂刷聚脲材料進(jìn)行了防護(hù)，防護(hù)總面積約12000m2；在溢洪道門槽上游面高速水流沖刷區(qū)采用單組分涂刷聚脲進(jìn)行混凝土表面保護(hù)。

雙組分噴涂聚脲為高溫碰撞反應(yīng)，瞬間成膜，因此對施工基面及施工環(huán)境要求相對較高。在施工過程中，基面必須干燥清潔，無孔洞；需控制好噴涂壓力、速度和角度，確保施工厚度均勻；做好基面防護(hù)，保證噴涂以外區(qū)域不被污染；基面溫度大于露點溫度5℃以上。

對于涂刷聚脲，需確保聚脲與基面黏接良好，防止發(fā)生鼓包、分層等問題。在施工過程中，必須對基面進(jìn)行仔細(xì)打磨清洗，并采用環(huán)氧膠泥對混凝土表面局部缺陷和孔洞進(jìn)行封堵；界面劑涂覆要求薄而均勻；待底涂界面劑指觸表干后，刮涂聚脲膠泥，保證涂刷聚脲前基面平整無氣孔；聚脲分層涂刷直至厚度達(dá)到設(shè)計要求，后續(xù)涂層應(yīng)在前一道涂層表面干燥后進(jìn)行。

2.2 大壩上游面保溫防護(hù)

根據(jù)壩體溫度控制的需要，豐滿水電站重建工程大壩上游面需噴涂發(fā)泡聚氨酯進(jìn)行保溫。冬季庫區(qū)冰層最大厚度可達(dá)0.8m以上，當(dāng)冰層與混凝土聚氨酯保溫層黏接在一起時，隨著庫水位變動，厚冰層會對聚氨酯保溫層產(chǎn)生拉拔、推動、撞擊現(xiàn)象，進(jìn)而造成保溫層拉拔破壞。因此，采用直接涂刷“聚脲+氟改性聚脲面漆”(稱作防冰拔涂層)的方式對聚氨酯保護(hù)層進(jìn)行防冰拔保護(hù)。

為保證防冰拔涂層與基面聚氨酯保溫層之間的有效結(jié)合，在施工過程中需注意基面打磨的平整度；涂刷防冰拔涂層要控制涂層材料的黏度，分層涂刷，保證材料與聚氨酯保溫層之間的充分浸潤；涂刷過程中，作業(yè)面不得被水、灰塵及雜物污染。

2.3 聚脲膠泥與聚脲砂漿應(yīng)用

傳統(tǒng)水工混凝土表面缺陷通常采用環(huán)氧砂漿和環(huán)氧膠泥進(jìn)行修補。環(huán)氧類材料與基材黏接力好、強度高，但由于其剛性特點，受溫度變化影響易開裂。

雙組分聚脲膠泥是在雙組分涂刷聚脲材料的基礎(chǔ)上，通過添加部分填料和助劑，調(diào)整聚脲材料的黏稠度和抗流掛性能，使其滿足厚涂要求的一種柔性膩子材料，其仍具有聚脲材料所特有的力學(xué)性能和耐候能力，柔韌性好，與基面附著力強，適用于水工混凝土建筑物的各類表面防護(hù)處理。豐滿水電站重建工程使用聚脲膠泥對進(jìn)水口流道部位表面氣孔進(jìn)行了修補，取得良好效果。

雙組分聚脲砂漿是在雙組分涂刷聚脲材料的基礎(chǔ)上，添加部分石英砂混合而成的高韌性抗沖磨聚脲砂漿。豐滿水電站重建工程泄洪兼導(dǎo)流洞出口擴散段，泄洪后在氣蝕作用下混凝土表面破損，2017年汛后在沖刷破損部位采用聚脲砂漿進(jìn)行了修補，2018年泄洪后經(jīng)40余天檢查，聚脲砂漿修補部位未見破損，效果良好。

3 結(jié)語

豐滿水電站重建工程采用雙組分噴涂聚脲、單組分涂刷聚脲、聚天門冬氨酸酯涂刷聚脲等不同類型的聚脲材料對不同部位混凝土表面進(jìn)行防護(hù)；在大壩上游冬季水位變化區(qū)聚氨酯保溫層表面采用“聚脲+氟改性聚脲面漆”進(jìn)行防冰拔處理。大壩蓄水后滲漏量觀測表明，聚脲防護(hù)效果良好。

聚脲材料在豐滿水電站重建工程的成功應(yīng)用表明不同種類的聚脲材料應(yīng)根據(jù)使用條件的不同進(jìn)行選擇：雙組分噴涂聚脲施工快速、成本低、柔性好，適用于迎水面大面積的輔助防滲；聚天門冬氨酸脂聚脲物理力學(xué)優(yōu)異、耐候性好、與混凝土底材黏接可靠，可應(yīng)用于水流沖刷、有抗凍蝕要求等混凝土表面防護(hù)；聚脲膠泥和聚脲砂漿可應(yīng)用于混凝土過流表面缺陷處理。