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聚脲技术在水利工程防护中的作用

发布日期:2022-01-04点击次数:

近年来极端气候正日益频繁地发生,尤其是2010年西南地区发生特大干旱、多数省区市遭受洪涝灾害、部分地方突发严重山洪泥石流,造成重大生命财产损失,建立完善的防洪抗旱水利体系刻不容缓。今年全国多地也出现干旱和洪涝灾害。但是,许多水利工程混凝土存在裂缝、溶蚀、冻融、温度疲劳、波沙磨蚀等病患,严重危及水利设施的正常使用和服役安全。2011年中央一号文件“国务院关于加快水利改革发展的决定”指出,加大、加强、加快水利基础设施建设在“十二五”期间社会经济发展中具有重大的战略地位,未来10年国家将投资4万亿元用于水利基础设施建设。纯聚脲技术作为新型无溶剂、无污染的绿色施工技术,以其优异的力学性能及耐老化、耐腐蚀、防渗漏、抗冻融、抗冲击、抗疲劳破坏等性能,以及快捷、先进的施工技术在水电站大坝坝面、溢洪道、排沙洞、导流洞、输水渠等水利工程建设中具有广泛的应用前景。 1、聚脲的定义及纯聚脲的技术优势 1.1、聚脲的定义 美国“聚脲发展协会(PDA)”对聚脲的科学定义原文如下: 聚脲涂层或者弹性体是由异氰酸酯A组分与混合树脂B组分反应生成的物质。A组分可以是芳香族异氰酸酯,也可以是脂肪族异氰酸酯;可以是异氰酸酯单体、多聚体、异氰酸酯的改性衍生物、半预聚物或预聚物。异氰酸酯预聚物或半预聚物是由端氨基(或者端羟基)聚醚与异氰酸酯反应而得。B组分必须是由端氨基聚醚、端氨基扩链剂组成,端氨基聚醚中不得人为引入羟基化合物,但允许氨化过程中非完全氨化的微量羟基物质存在。B组分可以含有涂料助剂(或者称之为非主要成分),这些助剂允许含有羟基,例如:颜料分散剂。通常,B组分不得含有催化剂。根据上述定义制备的聚脲产品又称为纯聚脲。 根据以上定义,可以得出以下结论: (1)聚脲必须是由双组份,严格遵循化学等当量原理,经高温、高压、撞击混合反应生成的,不存在单组份聚脲; (2)B组分必须是由端氨基聚醚、端氨基扩链剂组成。 1.2、聚脲应用水利工程的技术优势 1.2.1、优异的野外恶劣环境的适应性 我国西南地区拥有四川盆地、云贵高原以及高山寒带,水资源极为丰富,这为水利水电基础设施建设提供了最佳的天然条件,然而我国西南地区天气气候特点鲜明,包括湿润北亚热带季风气候区、亚热带季风气候区、相互作用的青藏高原与大气环流区;垂直分布的横断山区气候区等。这些复杂的气候环境因素与水利设施高难度作业给聚脲的施工提出了严峻的考验。 通过化学反应原理可知:纯聚脲中胺基组分与NCO组分的反应活性远远高于假聚脲中羟基与NCO组分的反应活性,避免了假聚脲在野外环境下遇潮发生R-NCO +H2O →RNH2 + CO2反应,CO2导致涂层起泡产生“癞蛤蟆皮”或分层、开裂、脱落等现象;此外,胺基组分与NCO组分的巨大的反应活性即使在很低的温度下(如-20℃)也能正常固化,避免了假聚脲在冬季施工时固化不完全产生的发粘等现象。然而,无论在实验室还是野外恶劣温度、湿度环境下,纯聚脲都能形成性能稳定可靠的涂层,其拉伸强度可达20MPa以上、断裂伸长率可达500%以上,完全能够抵御昼夜、四季环境温差造成的温度应力,不会产生开裂和脱落现象。假聚脲则完全不同,只有在实验室可控的温湿度条件下,才能形成物理力学性能符合要求的涂层。 水电大坝的施工基材异常复杂,存在高落差、陡坡、施工作业面不规则等固有因素,同时面临着下雨、刮风、结露、潮湿等随机环境因子的影响。面对如此复杂的施工条件,无论是所谓的“单组份手刮聚脲”(实质上是潮气型固化聚氨酯,聚脲必须是由双组份严格遵循化学等当量原理,经高温、高压、撞击混合反应生成的),还是其他类型的假聚脲,不可避免的出现流淌、厚薄不均、固化不完全、遇水发泡等问题。纯聚脲10秒内即可凝胶,不会出现流淌、发泡的现象,结合山西恒山水库上游坝面纯聚脲防护工程可以得出:纯聚脲对于复杂基材的适应性极强,附着力显著高于2.5MPa,附着性能优秀。唯有纯聚脲技术的高压无气喷涂工艺才能高效地实现对水电大坝大面积的涂装,唯有纯聚脲技术才能胜任复杂的基材高质量、高效率的施工。 1.2.3、优秀的抗冲蚀磨损的性能 纯聚脲具有优异的抗冲蚀磨损及水流冲刷的功能,能有效地阻止高速含泥沙水流的冲蚀磨损对水工混凝土的破坏,大大延长了水利设施的耐久性。高速(40m/s)含泥沙(10%)水流冲刷30min的结果显示:纯聚脲的磨损率小于0.027g/cm2·h,只有C60高强混凝土的6.5%。而假聚脲因涂层鼓包、起皮、脱落、分层、发粘,其抗冲蚀磨损及水流冲刷性能显著降低,甚至出现在强大水流和泥沙的作用下全线冲毁的结果,因而不能实现对水利工程的有效防护。 2、聚脲的施工工艺 施工工艺在很大的程度上影响着聚脲涂层的性能。采用纯聚脲材料和正确的施工工艺形成的聚脲涂层,因其理化性能优异而被称之为“万能”(versatile)材料。针对不同的基材、不同的气候环境、不同的底漆系统,必须采取与之相对应的处理措施,采用正确的施工工艺,这是核心环节。 把握好聚脲涂层的施工工艺是成功实现对水利工程防护的核心环节。水利工程聚脲施工工艺流程一般包括施工准备、基材处理施工、基材处理验收、底涂施工、底涂施工验收、遮护与收边处理、聚脲涂层施工和自检、修补、验收等。简要介绍以下3个主要的环节: (1)基材处理施工。 要保证聚脲对水工混凝土的防护效果,首先应提高基材处理的质量。对于表面较大的孔洞,应先采用修补腻子进行封闭。表面的毛刺用角磨机磨平,尖端突起处尽量做到圆弧过渡,消除尖端应力。采用风力灭火器除去表面水分、灰尘等,保证基材表面应清洁、干燥,不得有蜂窝麻面、浮碴、浮土、脱模剂和油污等杂质。 (2)底涂施工。 底涂就是连接混凝土与聚脲涂层的桥梁,主要起到以下作用:①清除基层表面的各种污垢;②修整基层表面存在的缺陷;③创造聚脲涂层需要的表面粗糙度,使喷涂时具有良好的喷涂基础;④增强涂层与基层的配套性和相容性。底涂必须现配现用,严格按照专业配方要求准确称量。每一道工序之后需保持施工面整洁。底涂施工一般采用辊涂工艺,边、角、沟、槽辅以刷涂施工。 (3)聚脲涂层施工。 大面积水电设施的防护,无论从工程质量还是操作可行性来讲,溶剂型、手刮聚氨酯涂料都是不现实的。为了有效控制聚脲涂层防护体系的形成过程,喷涂施工设备必须具备如下基本要求:①喷涂时压力范围在1700~2500Psi之间,这样可以确保A、B两组分充分混合和力学性能的形成;②保证物料输送平稳、计量精确、混合均匀、雾化良好;③对细部节点、迎水面、反弧面、拐角、异质材料连接处进行聚脲涂层加厚处理。 3、结语 我国新时期将重点发展水利基础设施建设,基于水利设施服役的恶劣环境和施工难度,聚脲由于拥有环境适应力强和防护性能优异的特点,是水利工程理想的防护材料。 面对高达数百米的垂直溢流坝面,加上西南地区的多雨、潮湿、季风以及水电工程立体交叉作业的复杂工作场面,要想把纯聚脲均匀、牢靠地喷涂上去,还会遇到很多意想不到的施工难题。作为中国聚脲技术的核心研究、开发基地,我们将与业主、设计、监理、施工等单位紧密配合,研制出适合我国国情的水电行业专用聚脲体系、施工工艺和高空作业机具,为发展我国的清洁能源做出应有的贡献。