CW系列混凝土表面保护修补材料研究与应用

魏 涛，廖灵敏，韩 炜，肖承京，李 珍，汪在芹

(长江科学院a.材料与结构研究所;b.国家大坝安全工程技术研究中心;c.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010)

1 概述

随着“十二五”期间国家对水利投资的加大，我国正在大规模、高速度地进行水利开发。混凝土是水利工程建设中不可缺少的、用量最大的建筑材料，对整个工程的运行安全性起重要作用。由于水工混凝土结构所处的运行环境非常复杂，即使在结构设计合理、施工质量较好的情况下，外表面经常承受温度变化、水流冲刷、干湿交替、冻融循环等作用，往往发生裂缝、碳化、剥蚀等劣化问题，随时间的推移逐步向内扩展加剧。混凝土表面的劣化以及向内的扩张影响限制了水工混凝土结构的正常使用功能并缩短了结构的使用年限，不仅造成较大的经济损失，甚至危及水利工程的安全。目前全国大量病险老坝需进行除险加固，而新建的水利工程为实现良好的运行状态，同样需要进行表面防护处理，因此，高性能混凝土表面保护修补材料的开发和利用具有重大的工程实用价值，同时也具有广阔的市场前景。

在众多的混凝土表面保护材料中，涂料类修护材料的发展和应用相对更加广泛和完善，而且有机高分子类材料占绝大部分。国外近10年来经历了高固体分涂料、水性涂料、辐射固化涂料、粉末涂料等低(无)污染涂装技术阶段，目前为适应环保要求研制开发出一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术——聚脲弹性体(polyurea elastomer)技术，此种涂料发展已进入喷涂聚脲弹性体阶段。它具有快速而稳定的反应性，集塑料、橡胶、涂料、玻璃钢多种功能于一身，全面突破了传统环保型涂装技术的局限，很适合作为混凝土的表面保护修补材料［1－4］。然而，传统的聚脲材料在应用过程中也存在着一些问题，如反应速度过快，对基底材料的浸润性不好，附着力低等。聚天门冬氨酸酯聚脲材料作为新一代的聚脲材料，彻底改变了传统聚脲以伯胺为原料，反应速度太快、附着力差的缺点。而且它是由聚天门冬氨酸酯与同是脂肪族的异氰酸酯反应生成，属于脂肪族聚脲的范畴，具有与常规有机高分子材料相比倍加优异的耐久性，在国外尤其是美国得到越来越广泛的应用［5，6］。

基于此新型脂肪族聚脲材料，2006年长江科学院利用纳米二氧化硅(SiO2)、有机硅烷偶联剂和活性稀释剂对其进行改性，制备出一种高耐久性和环保的新型双组分混凝土表面保护修补材料——CW系列混凝土表面保护修补材料。该材料在混凝土表面涂刷后，能有效提高混凝土等结构的抗紫外老化、抗冲磨、抗渗、抗碳化、抗冻融、抗化学侵蚀等耐久性能，而且它与混凝土表面黏结良好，干燥和潮湿面均可施工，施工简便，环保性好，可广泛适用于病险水库的除险加固工程及新建大坝、水库的混凝土表面防护工程。近5年来，该材料不仅在三峡大坝、丹江口大坝坝面等重点水利工程进行了大量生产性试验，显示出良好的防护效果，而且在水利工程其他防渗抗老化等领域也得到成功应用。本文全面阐述了CW系列混凝土表面保护修补材料的研发制备和优化、性能指标特性及施工工艺，最后详细介绍了该材料在水利工程领域的总体应用情况。

2 CW系列混凝土表面保护修补材料的研发制备和优化

2.1 原材料

聚天门冬氨酸酯和脂肪族异氰酸酯，由德国某公司进口;无机纳米SiO2粒子、有机硅烷偶联剂、活性稀释剂为国内产品。

2.2 材料的研发制备

首先需要制备纳米改性的聚天门冬氨酸酯，制备方法如下:①将纳米SiO2与活性稀释剂、有机硅烷偶联剂按照一定比例混合，并在高速分散机中分散1 h，以达到混合均匀;②将聚天门冬氨酸酯与纳米SiO2、活性稀释剂、有机硅烷偶联剂的均匀混合物在高速分散机中分散30 min;③在超声分散机(频率80 kHz、功率4 kW)中进行超声分散，直至分散混合均匀，最后静置1 h。

以制备的纳米改性聚天门冬氨酸酯为A组分，脂肪族异氰酸酯为B组分，根据氨基和异氰酸酯氨的等当量反应原理，选择合适的A组分与B组分的用量比，2个组分通过聚合反应即生成聚天门冬氨酸酯聚脲纳米复合材料——CW系列混凝土表面保护修补材料。在材料的初始研发阶段，考察了纳米SiO2粒子的粒径和添加量对该复合材料性能的影响。结果显示:当材料制备过程中超声分散时间达到10 min以上，能较好地保证纳米SiO2粒子在复合材料中的均匀分散性。随着纳米SiO2粒子添加量的增加，该复合材料的冲击强度、拉伸强度和断裂伸长率均随之提升。当纳米SiO2粒子添加量达到质量百分比为6%时，该复合材料的力学性能达到最佳，此时材料的冲击强度、拉伸强度和断裂伸长率分别提高了47%，8%和20%。

将该复合材料涂刷在混凝土表面后，进行了一系列的性能测试，包括冻融试验、碳化试验、抗冲磨试验等。试验结果表明，表面涂刷了复合材料的混凝土试件抗冻融性能达到F150以上，经过28 d碳化试验的碳化深度为0，冲磨72 h之后的质量损失可忽略不计。与空白混凝土试件相比，其抗冻融能力、抗碳化能力和抗冲磨能力大幅度提升［7］。

2.3 材料的优化

在水工建筑物混凝土表面保护工程的实际施工中，往往还需要对混凝土表面已有的裂缝等问题进行处理。针对工程的实际需要，我们进一步通过调整制备过程中异氰酸酯的种类和用量，对材料性能进行优化，以适用于大坝混凝土表面的裂缝修补［8］。材料配方仍然是以制备的纳米改性聚天门冬氨酸酯为A组分，脂肪族异氰酸酯为B组分，2个组分聚合反应生成复合材料。不同的是B组分由2类脂肪族异氰酸酯B1(短链)、B2(长链)混合而成。试验发现材料的拉伸强度随B组分中B1的含量的增加而增大(图1(a))，而断裂伸长率随B组分中B2的含量的增加而增大(图1(b))，即通过调整 B1和B2的当量比值，可获得具有不同材料拉伸强度和断裂伸长率的CW系列混凝土表面保护修补材料。因此，在制备材料时，可根据工程现场的实际情况对A，B1，B2组分进行必要的复配调整，以达到所需的性能要求。

根据表面保护修补材料在不同工程现场的应用情况发现，不同施工环境下材料与混凝土的黏结性(如潮湿基面)对其应用效果是一个关键性的影响因素。为了发挥该表面保护修补材料对混凝土表面耐久性和力学性能的最大提升，我们进一步研发出CW系列表面保护修补材料系统［9］。首先，调整合适的材料配方制备得到具有优异的拉伸强度及黏结性能的聚天门冬氨酸酯聚脲纳米复合材料，并作为底层材料;然后，调整配方获得具有较高断裂伸长率的复合材料作为面层材料。底层和面层材料配合成CW系列表面保护修补材料系统，可进一步提高与混凝土的黏结性，充分发挥聚天门冬氨酸酯聚脲基材料“刚柔并济”的性能，具有优异的防渗抗裂能力，同时能很好地保护混凝土结构，提高其抗紫外线照射、抗冲磨、抗碳化、抗冻融、抗化学侵蚀等耐久性能。

图1 异氰酸酯B1与B2的比值对拉伸强度和断裂伸长率的影响Fig.1 The influence of the ratio of isocyanate B1 to B2 on tensile strength and breaking elongation of the materials

3 CW系列混凝土表面保护修补材料的性能

国家建筑工程质量监督检验中心检测结果表明，CW系列混凝土表面保护修补材料的涂层性能超过国家优等品指标(检测结果见表1)。其环保性能由国家建筑工程质量监督检验中心根据《民用建筑工程室内环境污染控制规范》(GB 50325－2001)标准检测，各项检测值均大大低于标准规定值(检测结果见表2)，表明该材料绿色环保。经过近5年的发展，该材料的结构性能和施工工艺持续优化和提升。表3给出了目前该材料的主要力学性能指标，其与混凝土表面的黏结性，对混凝土耐久性的防护性和裂缝修补能力均表现优异。

表1 CW系列混凝土表面保护修补材料的涂层性能Table 1 Coating properties of CW series concrete surface protection and patching materials

表2 CW系列混凝土表面保护修补材料的环保性能Table 2 Environmental performance of CW series concrete surface protection and patching materials

表3 CW系列混凝土表面保护修补材料的主要力学性能指标Table 3 Mechanical properties of CW series concrete surface protection and patching mat erials

4 CW系列混凝土表面保护修补材料的应用

自长江科学院研发出CW系列混凝土表面保护修补材料以来，首先经历了在三峡工程、丹江口水库工程中的生产性试验阶段，该材料表现出了优异的防护效果，并获得2项相关国家发明专利(ZL200810048487.5 和 ZL200510019468.6)。在生产性试验的基础上，进一步优化材料性能和施工工艺，又分别在南水北调工程、重庆万盛板辽水库、宜昌汤渡河水库、宜昌尚家河水库等水利工程除险加固表面防护中得到成功应用。具体的应用实例如下。

4.1 三峡工程下游坝面混凝土防裂防渗生产性试验

三峡大坝下游坝面因受到裂缝以及混凝土老化影响，对坝体安全及表面美观造成了影响。2007年11月，采用CW系列混凝土表面保护修补材料在三峡大坝下游右岸混凝土坝面现场进行了修补处理。运行半年后，大坝表面无渗漏现象出现，而且由于该材料的透明及高耐老化特性，坝面混凝土能够保持长期的外观美观整洁，并初步总结出了一套切实可行的大坝混凝土表面保护施工工艺。

4.2 丹江口水库坝面混凝土裂缝修补生产性试验

丹江口水库始建于1958年，1973年竣工，由于建成时间较长，丹江口水库坝面混凝土老化严重，并伴随大量裂缝产生，对水库的安全运行产生不利影响。采用CW系列混凝土表面保护修补材料对坝面混凝土进行表面防护处理，修补了坝面混凝土裂缝，从而提高了坝面的防渗能力。而且该材料与其他表面保护材料相比，对坝面混凝土表现出更好的抗老化、抗外界侵蚀以及保持外观美观整洁的作用(图2)。

图2 丹江口水库坝面混凝土裂缝修补生产性试验情况Fig.2 Productive experiments of concrete crack repairing on Danjiangkou Dam surface

4.3 南水北调京石段奥运输水应急渠道裂缝修补工程

南水北调总体规划推荐东线、中线和西线3条调水线路。其中中线京石段奥运输水工程渠坡混凝土因昼夜温差的影响产生大量裂缝，其中多数为伸缩活缝，极大影响到了工程在2008北京奥运会期间的输水功能。采用CW系列混凝土表面保护修补材料对裂缝进行表面修补后，经过长时间的现场检验，材料对渠坡和底板的裂缝起到了很好的修补作用［8］，使工程顺利通过验收并投入正式运行，保证了奥运会期间正常供水。

4.4 重庆万盛板辽水库面板裂缝修补工程

重庆万盛板辽水库工程为Ⅳ等小(一)型工程。水库正常高水位612.00 m、坝顶高程614.20 m、最大坝高45.2 m、总库容959万m3，主要任务是以工业供水为主，兼有农业灌溉、农村人蓄饮水、旅游等综合利用。水库面板混凝土出现较大的裂缝，影响到了其安全运行，采用CW系列混凝土表面保护修补材料对裂缝进行表面修补后，起到了良好的防护效果，保证了水库安全运行。

4.5 宜昌汤渡河水库溢流坝面裂缝修补工程

宜昌汤渡河水库大坝位于黄柏河下游段。总库容3 682万m3，属中型水库，工程等别为三等，枢纽永久性水工建筑物级别3级，是一座具有灌溉、拦砂、防洪、供水、发电等综合效益的中型工程。由于溢流堰采用的是真空堰型式，因其年久失修，溢流坝面混凝土出现大量裂缝，部分裂缝渗水。采用CW系列混凝土表面保护修补材料进行表面处理后，效果良好，裂缝渗水问题得到彻底解决，同时也提高了溢流面的抗冲磨和耐老化能力［9］。

4.6 宜昌尚家河水库溢流坝面裂缝修补工程

宜昌尚家河水库于1966年10月动工兴建，1967年5月建成小(一)型水库。大坝堰顶高程230.00 m，库容220万 m3。主要为东风渠灌区66万hm2粮田提供灌溉用水，同时也为宜昌市城区居民提供生活用水。由于尚家河水库大坝年久失修，溢流面混凝土出现大量裂缝，混凝土碳化导致表面老化严重。采用CW系列混凝土表面保护修补材料对裂缝进行表面修补，不仅解决了裂缝问题也可有效防止裂缝进一步发展，同时也提高了溢流面的抗冲磨、抗碳化和耐老化能力。

4.7 长江中游界牌河段中滩鱼嘴护坡沙枕防老化应用

长江中游界牌河段新淤洲中滩鱼嘴护坡对当地的防洪安全起到重要作用。然而，由于在主流自左汊向右汊过渡过程中受迎流顶冲，滩面产生水凼并不断发展，威胁着关键工程中滩鱼嘴的安全，目前主要采取沙枕进行守护。由于沙枕的老化寿命有限，部分早期建设的沙枕存在老化现象。为防止充填沙大量冲失导致建筑物受到严重破坏，2009年3月，采用CW系列混凝土表面保护修补材料在沙枕表面进行了涂刷，经过一个汛期后，该材料紧密完好地贴覆在沙枕编织袋表面，无黏结力下降、老化、开裂等现象［10］，有效保护了沙枕编织袋以防止其因河水冲刷和紫外光老化而产生破裂。

经过近年来的发展，CW系列表面保护修补材料的应用领域在持续不断扩大，目前正在进行的有锦屏水电站和宜昌天福庙水库的工程应用。该材料应用范围广泛，不仅局限于对水工混凝土的防护和修复，在水利工程中其他防渗抗老化等领域也具有巨大的市场空间。

5 结语

CW系列混凝土表面保护修补材料作为一种新型的聚天门冬氨酸酯聚脲纳米复合材料，涂刷在混凝土表面后能显著提高混凝土抗冲磨、抗渗、抗冻融、抗化学侵蚀等性能，且对混凝土裂缝也具有较强的修复能力。而且该材料无气味、环保，施工简单，施工完成后的涂层与混凝土黏结性良好，具有光滑、坚硬、平整、美观等优点，是水工建筑物混凝土结构表面保护和修补的高性能材料，可广泛适用于病险水库的除险加固工程及新建大坝、水库的混凝土表面防护工程。随着我国水利建设力度的加大，无论是长期运行的中小型水利工程还是新建水利工程，其安全运行对混凝土耐久性的要求越来越高。CW系列混凝土表面保护修补材料以其施工简便、材料性能佳、适应能力强的优点，在我国未来水利水电行业乃至其他防渗抗老化领域的应用将不断推进和发展。

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