新型雙組分氟改性抗冰拔面漆的研發(fā)及應(yīng)用

馮明偉

(中國葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，成都，610091)

1 概述

寒冷地區(qū)的水庫在冬季蓄水運(yùn)行中，水位會(huì)在冰凍封庫以后，繼續(xù)蓄水，水庫冰面抬高，造成對(duì)壩體向上拔起的破壞；而水位下降，會(huì)造成冰面脫落，對(duì)壩體產(chǎn)生向下撕裂的破壞。目前常用的抗冰推、冰拔破壞的防治措施主要有以下幾種：①破冰開槽法，即在結(jié)冰冰面上采用人工或者機(jī)械方式進(jìn)行開槽，但是此方法費(fèi)事費(fèi)工，且對(duì)冰面厚度有嚴(yán)格要求，否則會(huì)出現(xiàn)冰面塌落的危險(xiǎn)；②加長緩坡法，即將大壩緩坡加長、加高，但是此方法工程量較大，施工難度高，投資也較高；③卵石、塊石護(hù)坡法，卵石、塊石具有抵御風(fēng)浪淘刷的能力，而且對(duì)冰推、冰拔具有緩沖作用，但是此方法也需要每年在水位下降時(shí)修復(fù)裸露的卵石，并且目前許多大型水庫壩體采用混凝土澆筑，無法采用卵石、塊石護(hù)坡。

基于嚴(yán)寒地區(qū)水電站冬季運(yùn)營的需要，結(jié)合新型材料的創(chuàng)新與研發(fā)，飛揚(yáng)駿研公司科研人員創(chuàng)造性地研發(fā)出這種耐老化、憎水性、柔韌性、抗沖磨性、抗低溫性等功能優(yōu)異的氟改性防護(hù)材料。雙組分氟改性抗冰拔材料是一種抗冰防護(hù)層，該抗冰防護(hù)層能夠有效解決寒冷地區(qū)冬季水庫水面結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的冰推、冰拔現(xiàn)象對(duì)大壩造成的危害。適用于水利大壩防滲防護(hù)層凍融、冰害的防護(hù)。

2 材料的選擇

2.1 防冰拔材料性能要求

按照冰凍破壞機(jī)理及形式，涂層材料應(yīng)具有如下性能：①良好的防滲性和較低的吸水率，可以基本隔絕庫水滲入混凝土及保護(hù)層內(nèi)部，并且防止防冰拔涂層與冰層之間的粘接；②涂層表面光滑，具有較強(qiáng)的憎水性，可大大降低冰與混凝土面的粘結(jié)力，從而有效減小冰拔破壞； ③涂層與混凝土及保護(hù)層結(jié)合良好，保證上述保護(hù)效果有效發(fā)揮；④涂層材料具有良好的耐候性能，適應(yīng)工程環(huán)境的基本需要。

選用的防冰拔涂層要既能適應(yīng)其變形，又能夠抵抗冰層的擠壓拉拔破壞，根據(jù)長期以來對(duì)寒冷地區(qū)水工建筑物冰凍破壞的研究成果，目前只有手刷聚脲材料能夠滿足上述要求。市場常見聚脲材料主要有雙組分噴涂聚脲、單組分涂刷聚脲和聚天門冬氨酸酯手刷聚脲三種。雙組分噴涂聚脲耐候性較差并且表面光潔度不好，不宜作為防冰拔涂層材料。單組分聚脲與聚天門冬氨酸酯聚脲均屬于手刷聚脲，適宜作為表面防護(hù)涂層，聚天門冬氨酸酯聚脲屬于純脂肪族聚脲材料，材料固含量超過90%以上，其中不含增塑劑，交聯(lián)密度更高，耐候性較好、吸水率更低；而單組分聚脲的固含量只有80%左右，由于含有增塑劑，長期泡水條件下增塑劑會(huì)吸水造成水分子遷移，且其長期耐候性較聚天門冬氨酸酯聚脲低。因此，本材料選擇雙組分聚天門冬氨酸酯手刷聚脲作為防冰拔涂層載體較佳。

2.2 抗冰拔材料設(shè)計(jì)

雙組分氟改性抗冰拔材料，是由氟改性脂環(huán)族慢反應(yīng)仲胺基樹脂與多異氰酸酯預(yù)聚體構(gòu)成的雙組分型面漆材料。由于引入的氟元素電負(fù)性大，F(xiàn)-C鍵能高，表面能低等，雙組分氟改性抗冰拔材料具有特別優(yōu)越的各項(xiàng)性能，漆膜使用壽命可達(dá)20a～25a。雙組分涂刷氟改性抗冰拔材料施工活化期在1h～2h，具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐候能力，低溫柔韌性好，抗沖磨性能好，與基面附著力強(qiáng)，不泛黃和褪色，受外界溫濕度影響小，即可進(jìn)行刮涂或者噴涂施工。適用于水工建筑物的各類表面防護(hù)處理。

3 抗冰拔材料的試驗(yàn)

3.1 基面粘接試驗(yàn)

為檢驗(yàn)氟改性面漆涂層和聚脲防滲保護(hù)層之間的粘接力，采用拉拔儀對(duì)防冰拔試件進(jìn)行粘接強(qiáng)度測(cè)試。拉拔試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 防冰拔涂層與保護(hù)層粘接強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

基面粘接試驗(yàn)結(jié)果表明：防冰拔聚脲涂層與混凝土粘接強(qiáng)度達(dá)到4.5MPa以上，拉拔均從混凝土內(nèi)部斷裂，粘接效果良好。

3.2 冰粘接力試驗(yàn)

為檢驗(yàn)防冰拔層與冰層之間的粘接強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)在低溫試驗(yàn)箱內(nèi)制作了專門的冰粘接力試件，采用拉拔儀設(shè)備測(cè)試冰層與混凝土保護(hù)層和防冰拔涂層之間的粘接強(qiáng)度。冰粘接力試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 冰粘接力試驗(yàn)結(jié)果

冰粘接力試驗(yàn)結(jié)果表明：冰與防冰拔涂層之間的粘接力僅有0.0027MPa，是冰與混凝土保護(hù)層粘接力的十分之一左右，結(jié)果可以證明防冰拔涂層可以大大降低混凝土保護(hù)層受冰拔破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 抗壓抗剪試驗(yàn)

為檢驗(yàn)防冰拔試件抗冰壓力變形能力，本試驗(yàn)成型10cm×10cm防冰拔抗壓試件和10cm×40cm的抗剪試件，采用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓變形和抗剪變形試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 抗壓抗剪試驗(yàn)結(jié)果

抗壓試驗(yàn)結(jié)果表明：在0.3MPa作用下，試件變形位移S<0.5mm，表明冰拔層在壓力作用下變形較小，在冰壓力作用下不會(huì)發(fā)生抗壓破壞；抗剪試驗(yàn)表明，在壓力作用下，防冰拔涂層與基面防護(hù)層粘接良好，在接觸面邊部沒有發(fā)生剪切破壞。

試驗(yàn)表明：混凝土保護(hù)層表面涂刷防冰拔涂層之后，在冰推力作用條件下，不會(huì)發(fā)生過大的壓縮變形，在冰層與混凝土保護(hù)層接觸邊緣不會(huì)發(fā)生剪切破壞。

3.4 接觸角試驗(yàn)

為檢驗(yàn)防冰拔涂層材料的疏水性能，試驗(yàn)采用接觸角測(cè)定儀測(cè)試了混凝土防護(hù)層聚脲材料和氟改性抗冰拔面漆材料的接觸角。測(cè)試結(jié)果如圖1和2所示。

圖1 防護(hù)層聚脲測(cè)試結(jié)果(CA=51.71°)

圖2 氟改性面漆測(cè)試結(jié)結(jié)果(CA=85.52°)

接觸角試驗(yàn)結(jié)果表明：防護(hù)層聚脲的接觸角CA=51.71°，疏水性能一般，而氟改性面漆的接觸角為CA=85.52°，較防護(hù)層聚脲的接觸角大33.8°，疏水性能較好。因此，由氟改性脂環(huán)族慢反應(yīng)仲胺基樹脂與多異氰酸酯預(yù)聚體構(gòu)成的雙組分型面漆材料，既提高了防冰拔涂層的抗冰粘接能力，又提高了聚脲防護(hù)涂層長期耐候能力。

4 現(xiàn)場施工工藝性研究

4.1 工藝性施工目的

通過現(xiàn)場工藝性施工，驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果，并通過現(xiàn)場工藝性施工確定防冰拔涂層的最終結(jié)構(gòu)形式和各項(xiàng)工藝參數(shù)，為后期的現(xiàn)場大面積施工提供技術(shù)指導(dǎo)。

4.2 現(xiàn)場工藝性施工方案

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用在混凝土表面涂刷雙組分氟改性抗冰拔面漆保護(hù)層后抗冰拔效果良好?；趯?shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)成果，公司在豐寧抽水蓄能電站攔河壩下庫面板防護(hù)及涂覆型結(jié)構(gòu)止水施工入場后，應(yīng)電站業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和總包單位的要求，首先在施工現(xiàn)場做工藝性試驗(yàn)段，試驗(yàn)段擬涂刷4mm厚天冬聚脲+抗冰拔耐侯面漆(壩縫GB涂覆型結(jié)構(gòu)以下簡稱方案1)和噴涂2mm厚雙組分噴涂聚脲+抗冰拔耐候面漆(面板壩表面防滲以下簡稱方案2)兩種體系做法。因此方案1計(jì)劃在面板壩表面選擇三條板縫，即攔河壩下庫面板18至21壩段間1053m～1063m高程，三條壩段間伸縮縫共計(jì)20.65×3=69.95m，進(jìn)行現(xiàn)場涂覆型止水工藝性施工試驗(yàn)；方案2在攔河壩下庫面板壩19壩段和20壩段， 1053m～1063m高程表面進(jìn)行工藝性施工試驗(yàn)面積為8×20.65×2=330.4m2。

具體試驗(yàn)方案按如下工序進(jìn)行涂層施工及觀察檢測(cè)：

方案1：基面打磨清掃處理→涂刷環(huán)氧底漆→涂刷2遍手刷聚脲→復(fù)合聚酯胎基布→涂刷四遍手刷聚脲→涂刷抗冰拔耐候面漆。

方案2：基面打磨清掃處理→基面干燥處理→涂刷環(huán)氧底漆→刮涂環(huán)氧膩?zhàn)印偻克?遍聚脲底漆→噴涂雙組份噴涂聚脲→涂刷抗冰拔耐候面漆。

具體試驗(yàn)方式和涂層結(jié)構(gòu)形式同面板壩防滲及表層止水一致。

4.3 現(xiàn)場試驗(yàn)工藝流程

壩體表面打磨→環(huán)氧滲透底漆涂刷→刮涂環(huán)氧膩?zhàn)印p組分聚脲噴涂→放置GB填料→涂覆手刷聚脲→復(fù)合胎基布→滾涂抗冰拔面漆→現(xiàn)場質(zhì)量檢測(cè)。

4.4 現(xiàn)場工藝性試驗(yàn)小結(jié)

現(xiàn)場工藝性試驗(yàn)表明，由于攔河壩面板拉膜表面十分不平整，壩段間伸縮縫的寬度和深度不一致，這些都會(huì)造成施工難度提高。經(jīng)過施工工藝設(shè)計(jì)且把控好流程質(zhì)量控制，現(xiàn)場施工工藝技術(shù)要求如下：

(1)基面處理：對(duì)面板壩壩面進(jìn)行表面打磨削平處理，要求基面平整光潔無突變，打磨后采用高壓水沖洗對(duì)基面進(jìn)行清潔處理。清除基層表面的浮灰、灰漿等，施工前要求干燥、潔凈、無污物。

(2)涂刷環(huán)氧滲透底漆，要求滿涂，表面涂刷飽滿且不流淌；待環(huán)氧滲透底漆固化后干燥后，分兩遍刮涂環(huán)氧膩?zhàn)?，刮涂厚度要均勻，不得有流掛、漏涂現(xiàn)象，環(huán)氧膩?zhàn)拥墓瓮坎灰蠛穸?，主要是用來封堵壩體表面空、洞、眼、細(xì)小裂縫等；待環(huán)氧膩?zhàn)油耆袒幸欢◤?qiáng)度后，表面再涂刷一道聚氨酯聚脲底漆，然后再進(jìn)行壩面噴涂聚脲施工。

(3)涂刷或刮涂過程中，作業(yè)面不得被水、灰塵及雜物污染。

(4)涂層施工完成后2h內(nèi)不宜與水接觸，12h內(nèi)應(yīng)防止外力沖擊。

(5)涂刷雙組分刮涂聚脲：在壩段間伸縮縫GB填料加工成型，按設(shè)計(jì)安裝完成后表面涂覆雙組分刮涂聚脲，雙組分手刷聚脲可采用刮涂、涂刷或者輥涂的方式進(jìn)行施工。聚脲分層涂刷，為保證聚脲對(duì)基面的浸潤效果，第一遍涂刷厚度不宜大于0.5mm，涂刷第二遍時(shí)及時(shí)復(fù)合一層聚酯胎基布，胎基布復(fù)合時(shí)下面漿液飽滿一定不能干鋪，且隨即壓實(shí)，后續(xù)涂刷應(yīng)在前一道涂層表面干燥后進(jìn)行，直至達(dá)到設(shè)計(jì)4mm厚要求。

(6)注意事項(xiàng)：在涂刷和刮涂施工過程中，如果遭遇到大風(fēng)和下雨，必須立刻停止施工，用帆布等防護(hù)材料對(duì)涂層進(jìn)行遮蓋保護(hù)，待雨停后，及時(shí)清理涂層上的附著物。

最后現(xiàn)場調(diào)整采用多重次環(huán)氧膩?zhàn)有扪a(bǔ)處理，效果良好?，F(xiàn)場按照方案1和方案2兩種方案進(jìn)行了工藝性施工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明兩種方案涂刷效果均較好，沒有流掛、鼓泡、空洞眼等情況，表明兩種方案均可滿足現(xiàn)場防冰拔施工的要求。