单组分聚脲材料在寒冷地区某大坝溢流面防护中的应用

马 宇，任 亮，冯 启，孙志恒，夏世法

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部综合事业局，北京 100053；3.北京市南水北调东干渠管理处，北京 100176）

单组分聚脲材料在寒冷地区某大坝溢流面防护中的应用

马 宇1，任 亮2，冯 启3，孙志恒1，夏世法1

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.水利部综合事业局，北京 100053；3.北京市南水北调东干渠管理处，北京 100176）

水利水电工程泄洪建筑物表面经常遭受高速含沙水流或携带推移质的冲刷，经过一段时间的运行，往往会出现不同程度的磨损及气蚀破坏，采用性能优越的水工混凝土抗冲耐磨材料修复和防护尤为重要。本文通过单组分聚脲材料性能试验揭示了材料的特点，介绍了其在新疆某大坝溢流面防护中的应用情况，其处理技术对类似工程具有良好的借鉴意义。

寒冷地区；水工建筑物；冲蚀磨损；单组分聚脲防护涂层

1 研究背景

水利水电工程泄水建筑物混凝土表面磨损冲击和空蚀破坏是常见的病害，特别是当水流流速较高、水流中挟带沙石等磨损介质时，这种破坏更为严重，直接影响工程的安全运行，降低使用寿命，且维修费用巨大，我国北方寒冷地区溢流面混凝土破坏现象尤为严重［1-2］。为了解决这一问题，国内外学者对泄水建筑物混凝土抗冲耐磨防护技术做了大量的研究，除了科学地对建筑物表面体型特征进行水力学和水工设计外，采用性能优越的材料对泄水建筑物进行防护和修复尤为必要。

抗冲磨混凝土护面修复材料品种繁多，按材料的基本成分划分主要有无机材料和有机材料两类，无机材料方面主要是研究和发展抗冲磨混凝土技术，有机材料方面主要是研究高分子材料的性能。按混凝土缺陷修复处理深度划分主要分为深层修复材料、薄层修复材料和表面防护材料，其中深层修复材料主要以混凝土类修复材料为主，薄层修复材料主要是聚合物砂浆（如环氧砂浆、高弹性抗冲磨砂浆）和聚合物水泥砂浆，表面防护材料主要以聚脲类、环氧类和聚氨酯类涂层为主。

近些年，硅粉混凝土、钢纤维混凝土和环氧砂浆等材料抗冲磨性能较普遍混凝土均有显著提高，但在工程应用的过程中，依然存在着各自的问题。硅粉混凝土存在工作性能差、施工困难、早期干缩大以及裂缝严重等问题［3］。钢纤维混凝土难以搅拌均匀、和易性差、施工性能差［4］。环氧树脂其自身在提高断裂韧性和抗裂性，以及方便快速易于施工、适应有水或潮湿混凝土表面并具有高黏接强度等方面，尚有待进一步改善［5］。近些年，随着聚脲概念的普及深入，聚脲技术在越来越多的领域得到了开发与应用，例如海洋及海岸设施、地坪抗冲、管道防腐和建筑防水等均得到了成功应用，但其应用在水利工程溢流面混凝土抗冲耐磨防护中的工程案例却较少，本文介绍单组分聚脲材料在新疆某大坝溢流面防护中的应用实践，以期对类似工程具有良好的借鉴作用。

2 单组分聚脲材料室内性能试验

2.1基本性能单组分聚脲材料是国内近十几年来发展起来的一类反应型、无溶剂污染的涂料产品，其由含多异氰酸酯的高分子预聚体与经封端的多元胺（包括氨基聚醚）混合，并加入其他功能性助剂所组成。在无水状态下，体系稳定，一旦开桶施工，在空气中水分的作用下，迅速产生多元胺，多元胺迅速与异氰酸酯反应，形成涂膜材料。其基本性能测试结果见表1。

表1 单组分聚脲（抗冲磨型）基本性能［6］

由表1可知，单组分聚脲材料具有拉伸强度大、硬度高、柔性好、伸长率大、抗冲耐磨性好、低温柔性等特点，可以适用于寒冷地区的混凝土溢流面、泄洪洞等具有抗冲磨要求的泄水建筑物表面防护及裂缝表面封闭。

2.2绿色环保性能现代有机高分子材料的发展趋势是环境友好，特别是在水利工程中，由于涉及到水环境污染，材料所具有绿色环保性能显得尤为重要。针对单组分聚脲材料的环保性能进行了测试分析，检测结果见表2。

表2 环保性能测试分析

由表2的对比数据分析可知，单组分聚脲材料有害物含量远远低于国家规定的《生活饮用水卫生标准》的相关指标，表明其具有较好的环保性能，能够在水利工程中应用。

3 现场施工情况

某水利枢纽工程位于新疆阿勒泰地区的福海县与富蕴县境内，主坝最大坝高121.50 m，枢纽由碾压混凝土重力坝、溢流表孔、泄洪中孔、放水底孔、发电引水系统、电站厂房和副坝组成，主坝全长1 570.0 m。溢流坝段、中孔坝段及底孔坝段布置在主河床左侧，共布置4个溢流表孔，每孔净宽12 m；泄洪中孔布置1孔，坝段宽15 m，溢流面表层抗冲磨混凝土采用常态混凝土，强度等级R400，抗渗等级W8，抗冻等级F300。放空底孔布置1孔，坝段宽15 m。闸井后直接高压管道，采用一洞四机的布置方案，发电引水洞为有压圆洞，洞线总长457.0 m。

该电站地处高寒地区，坝址区极端最低气温-49.8℃，为国内外碾压混凝土重力坝所在地区低温之最，混凝土冻融剥蚀严重。施工单位于2011年和2012年分别对重力坝4个表孔溢流面混凝土表面进行防护施工，主要包括溢流面混凝土缺陷修补、伸缩缝防渗、混凝土表面防护处理等。现场采用环氧砂浆修复混凝土局部缺陷，混凝土表面采用单组分聚脲材料进行整体防护的方案，防护处理面积为10 500 m2。

具体施工过程如下。

（1）混凝土缺陷修复处理。当剥蚀深度大于0.5 cm时，凿除冻融引起的基层混凝土及脱空的混凝土，直至露出新鲜坚硬的混凝土面，凿除深度应大于1 cm，并用高压水冲洗干净，然后在表面涂刷一层界面剂，当界面剂指干后即可回填改性环氧砂浆，每次回填改性环氧砂浆的厚度在1～2 cm，如缺陷较深应分多次回填，并用抹刀将砂浆压实抹平，修补后的部位满足大坝溢流面平整度的要求。

（2）伸缩缝修复处理。对于溢流坝面的伸缩缝，表面进行打磨并清除缝面杂物，在原伸缩缝止水的基础上直接采用单组分聚脲复合胎基布进行封闭，单组分聚脲涂层宽度为60 cm，涂刷厚度大于4 mm。

（3）混凝土表面防护处理。对混凝土基面进行打磨处理，采用高压水枪冲洗干净，混凝土表面干燥后均匀涂刷界面剂，待界面剂指触表干后，涂刮单组分聚脲材料对混凝土表面进行防护处理，涂层厚度不小于2 mm。

（4）工程质量检查。工程验收质量满足设计及合同要求。现场随机抽检15个点采用拉拔仪对涂层正黏接强度进行检测，检测结果表明，单组分聚脲涂层与混凝土黏接强度均大于2.0 MPa，其中3处黏接强度达到2.5 MPa以上，均从混凝土本体间断开，表明聚脲涂层实际黏接强度大于基础混凝土抗拉强度。

图1 新疆某水利枢纽溢流表孔

4 溢流面防护涂层泄水检验

原设计大坝表孔正常运行期不过水，日常灌溉期除发电外，从底孔向下游放水。但2013年和2014年由于底孔闸门出现问题，开启后再关闭时封闭不严，导致底孔漏水严重，所以2013年和2014年下游灌溉需水从表孔排放。放水时堰顶最高流速达20 m/s，溢流面直线段及反弧段泄水流速达到30～40 m/s。2013年过流时间超过170 h，流量430～520 m3/s；2014年4个表孔同时放水，最大流量902 m3/s，过流时间超过200 h。泄水后，对溢流面防护涂层质量进行检查，从现场情况看，泄水后的溢流面单组分聚脲涂层整体质量良好，但局部有破损、起皮脱落现象。破损部位主要集中在：（1）溢流面中间的伸缩缝；（2）2011年、2012年聚脲施工的交界面；（3）溢流面折线部位，如顶部堰面与斜坡段的交界部位，底部斜坡段与反弧段的交界部位，掺气槽折线部位。单组分聚脲涂层在上述部位局部出现了破损现象，但宽度不大，最大宽度约30 cm。经过现场测量，溢流面4个表孔单组分聚脲涂层破损面积约为150 m2。具体破损情况见图2、图3所示。

根据现场检查情况进行分析，单组分聚脲涂层破损的原因主要有以下几个方面：（1）本工程地处严寒地区，一般情况下，冬季最低气温可达-40℃以下，夏季最高气温可达35℃以上，气温年内温差很大。溢流坝段伸缩缝开度在年内变化较大，施工期仅对伸缩缝部位聚脲涂层进行了加厚处理，但仍存在被拉裂的风险。在较大过水流速作用下，可能会局部破坏；（2）单组分聚脲涂层分2年施工，跨年度施工聚脲搭接界面存在局部脱落现象，与搭接面处理工艺有关；（3）大坝溢流面混凝土不平整，尤其是存在折线部位，高速过流时空蚀现象更为严重。另外，在施工过程中，折线部位容易出现厚度较薄现象。

针对溢流面泄水过流后单组分聚脲防护涂层局部破损的问题，根据现场实际情况，分别制定了下列有效的改进措施。

图2 反弧段伸缩缝处聚脲局部破损

图3 2011年和2012年聚脲施工搭接处破损

（1）对于涂层局部破损的情况，首先对混凝土冲毁部位采用环氧砂浆修补，然后对单组分聚脲涂层起皮、脱落部位进行局部铲除，并用钢丝刷头进行彻底打磨并清洗，露出干净的混凝土基面，表面涂刷专用底涂界面剂，重新涂刷聚脲加厚至设计厚度。

（2）对于伸缩缝表面防护涂层出现破坏的情况，先剔除伸缩缝内杂物及原嵌缝泡沫板，重新嵌填GB柔性止水填料作为“聚脲空隔层”，减小因伸缩缝变动对防护涂层的影响，降低单组分聚脲防护涂层由于应力集中而被拉裂的风险。伸缩缝修复处理见图4所示。

图4 伸缩缝修复处理

（3）为了增加聚脲之间的黏接强度，避免修复过程中出现新老聚脲分层的问题，聚脲搭接部位采用活化剂进行了预先处理，重新涂刷聚脲加厚至设计要求。

5 结语

单组分聚脲材料具有优异的力学性能，良好的耐老化能力、可操作性强等特点，尤其在寒冷地区，单组分聚脲材料能适应低温环境，可以抵抗低温时混凝土开裂引起的变形，而不引起渗漏。溢流面底板部位的单组分聚脲防护涂层自2011年施工至今，已历经近5个严冬的考验，单组分聚脲防护材料整体质量良好，光泽及颜色无明显变化，涂层表面无开裂现象。期间经历过2次泄水的检验，虽有局部破损，但是防护涂层未发现大面积脱落或破坏的情况，防护涂层整体质量良好，达到了预期的效果。

实践证明，单组分聚脲材料在我国高寒地区水工建筑物混凝土抗冲耐磨防护施工中具有广泛的应用前景，为今后类似工程积累了宝贵经验。

参考文献：

［1］ 刘丽，王谊，李桂芳，等.严寒地区溢流面混凝土补强设计与施工［J］.东北水利水电，2001，19（2）：1-2.

［2］ 席世宏，陈广山，陈志伟，等.水工混凝土建筑物抗气蚀抗冲磨的研究［J］.水利水电施工，2003（3）：39-41.

［3］ 赵增华，袁跃军.硅粉混凝土在水电工程中的应用［J］.水利电力机械，2007，29（4）：82-85.

［4］ 程庆国，高璐琳，徐蕴贤，等.钢纤维混凝土理论及应用［M］.北京：中国铁道出版社，1999.

［5］ 张涛，郭双.新型NE环氧树脂砂浆的研制及其在水利水电工程中的应用［J］.新型建筑材料，2011，11（6）：94-97.

［6］ 孙志恒，朱德康，王健平，等.富春江水电站溢流面混凝土抗冲磨防护试验［J］.水利水电技术，2013，44（9）：90-92.

Application of one component polyurea material in the overflow surface for the dam protection in cold regions

MA Yu1，REN Liang2，FENG Qi3，SUN Zhiheng1，XIA Shifa1
（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Bureau of Comprehensive Development Ministry of Water Resources，Beijing 100053，China；3.The South-to-North Water Diversion East Main Canal Management of Beijing，Beijing 100176，China）

As the concrete surfaces of the sluice structure in water and hydropower projects would often suf⁃fer from the erosion of high speed sandy flow or water flow with bed load，there will often appear different degrees of wear and cavitations damages after a certain time of operation.Therefore，it is especially impor⁃tant to use the materials with high performance in resisting erosion and abrasion.In this paper，the one component polyurea performance test experiments are used to reveal the characteristics and advantages of this material.This paper introduces its application in the protection of overflow surface of a dam in Xinji⁃ang.The processing technology has good significance for the similar projects reference.

cold regions；Hydraulic structure；Scour-abrasion resistance；One component polyurea protective coatings

TV543.6

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.01.007

1672-3031（2017）01-0049-05

（责任编辑：王冰伟）

2016-01-22

马宇（1985-），男，北京人，硕士，工程师，主要从事水工建筑物缺陷修复加固技术研究。E-mail：mayu@iwhr.com