新型双组分氟改性抗冰拔面漆的研发及应用

冯明伟

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

1 概述

寒冷地区的水库在冬季蓄水运行中，水位会在冰冻封库以后，继续蓄水，水库冰面抬高，造成对坝体向上拔起的破坏；而水位下降，会造成冰面脱落，对坝体产生向下撕裂的破坏。目前常用的抗冰推、冰拔破坏的防治措施主要有以下几种：①破冰开槽法，即在结冰冰面上采用人工或者机械方式进行开槽，但是此方法费事费工，且对冰面厚度有严格要求，否则会出现冰面塌落的危险；②加长缓坡法，即将大坝缓坡加长、加高，但是此方法工程量较大，施工难度高，投资也较高；③卵石、块石护坡法，卵石、块石具有抵御风浪淘刷的能力，而且对冰推、冰拔具有缓冲作用，但是此方法也需要每年在水位下降时修复裸露的卵石，并且目前许多大型水库坝体采用混凝土浇筑，无法采用卵石、块石护坡。

基于严寒地区水电站冬季运营的需要，结合新型材料的创新与研发，飞扬骏研公司科研人员创造性地研发出这种耐老化、憎水性、柔韧性、抗冲磨性、抗低温性等功能优异的氟改性防护材料。双组分氟改性抗冰拔材料是一种抗冰防护层，该抗冰防护层能够有效解决寒冷地区冬季水库水面结冰时产生的冰推、冰拔现象对大坝造成的危害。适用于水利大坝防渗防护层冻融、冰害的防护。

2 材料的选择

2.1 防冰拔材料性能要求

按照冰冻破坏机理及形式，涂层材料应具有如下性能：①良好的防渗性和较低的吸水率，可以基本隔绝库水渗入混凝土及保护层内部，并且防止防冰拔涂层与冰层之间的粘接；②涂层表面光滑，具有较强的憎水性，可大大降低冰与混凝土面的粘结力，从而有效减小冰拔破坏； ③涂层与混凝土及保护层结合良好，保证上述保护效果有效发挥；④涂层材料具有良好的耐候性能，适应工程环境的基本需要。

选用的防冰拔涂层要既能适应其变形，又能够抵抗冰层的挤压拉拔破坏，根据长期以来对寒冷地区水工建筑物冰冻破坏的研究成果，目前只有手刷聚脲材料能够满足上述要求。市场常见聚脲材料主要有双组分喷涂聚脲、单组分涂刷聚脲和聚天门冬氨酸酯手刷聚脲三种。双组分喷涂聚脲耐候性较差并且表面光洁度不好，不宜作为防冰拔涂层材料。单组分聚脲与聚天门冬氨酸酯聚脲均属于手刷聚脲，适宜作为表面防护涂层，聚天门冬氨酸酯聚脲属于纯脂肪族聚脲材料，材料固含量超过90%以上，其中不含增塑剂，交联密度更高，耐候性较好、吸水率更低；而单组分聚脲的固含量只有80%左右，由于含有增塑剂，长期泡水条件下增塑剂会吸水造成水分子迁移，且其长期耐候性较聚天门冬氨酸酯聚脲低。因此，本材料选择双组分聚天门冬氨酸酯手刷聚脲作为防冰拔涂层载体较佳。

2.2 抗冰拔材料设计

双组分氟改性抗冰拔材料，是由氟改性脂环族慢反应仲胺基树脂与多异氰酸酯预聚体构成的双组分型面漆材料。由于引入的氟元素电负性大，F-C键能高，表面能低等，双组分氟改性抗冰拔材料具有特别优越的各项性能，漆膜使用寿命可达20a～25a。双组分涂刷氟改性抗冰拔材料施工活化期在1h～2h，具有优异的力学性能和耐候能力，低温柔韧性好，抗冲磨性能好，与基面附着力强，不泛黄和褪色，受外界温湿度影响小，即可进行刮涂或者喷涂施工。适用于水工建筑物的各类表面防护处理。

3 抗冰拔材料的试验

3.1 基面粘接试验

为检验氟改性面漆涂层和聚脲防渗保护层之间的粘接力，采用拉拔仪对防冰拔试件进行粘接强度测试。拉拔试验结果见表1。

表1 防冰拔涂层与保护层粘接强度试验检测结果

基面粘接试验结果表明：防冰拔聚脲涂层与混凝土粘接强度达到4.5MPa以上，拉拔均从混凝土内部断裂，粘接效果良好。

3.2 冰粘接力试验

为检验防冰拔层与冰层之间的粘接强度，本实验在低温试验箱内制作了专门的冰粘接力试件，采用拉拔仪设备测试冰层与混凝土保护层和防冰拔涂层之间的粘接强度。冰粘接力试验结果见表2。

表2 冰粘接力试验结果

冰粘接力试验结果表明：冰与防冰拔涂层之间的粘接力仅有0.0027MPa，是冰与混凝土保护层粘接力的十分之一左右，结果可以证明防冰拔涂层可以大大降低混凝土保护层受冰拔破坏的风险。

3.3 抗压抗剪试验

为检验防冰拔试件抗冰压力变形能力，本试验成型10cm×10cm防冰拔抗压试件和10cm×40cm的抗剪试件，采用万能试验机进行抗压变形和抗剪变形试验。试验结果见表3。

表3 抗压抗剪试验结果

抗压试验结果表明：在0.3MPa作用下，试件变形位移S<0.5mm，表明冰拔层在压力作用下变形较小，在冰压力作用下不会发生抗压破坏；抗剪试验表明，在压力作用下，防冰拔涂层与基面防护层粘接良好，在接触面边部没有发生剪切破坏。

试验表明：混凝土保护层表面涂刷防冰拔涂层之后，在冰推力作用条件下，不会发生过大的压缩变形，在冰层与混凝土保护层接触边缘不会发生剪切破坏。

3.4 接触角试验

为检验防冰拔涂层材料的疏水性能，试验采用接触角测定仪测试了混凝土防护层聚脲材料和氟改性抗冰拔面漆材料的接触角。测试结果如图1和2所示。

图1 防护层聚脲测试结果(CA=51.71°)

图2 氟改性面漆测试结结果(CA=85.52°)

接触角试验结果表明：防护层聚脲的接触角CA=51.71°，疏水性能一般，而氟改性面漆的接触角为CA=85.52°，较防护层聚脲的接触角大33.8°，疏水性能较好。因此，由氟改性脂环族慢反应仲胺基树脂与多异氰酸酯预聚体构成的双组分型面漆材料，既提高了防冰拔涂层的抗冰粘接能力，又提高了聚脲防护涂层长期耐候能力。

4 现场施工工艺性研究

4.1 工艺性施工目的

通过现场工艺性施工，验证室内试验的结果，并通过现场工艺性施工确定防冰拔涂层的最终结构形式和各项工艺参数，为后期的现场大面积施工提供技术指导。

4.2 现场工艺性施工方案

室内试验结果表明，采用在混凝土表面涂刷双组分氟改性抗冰拔面漆保护层后抗冰拔效果良好。基于实验室的实验成果，公司在丰宁抽水蓄能电站拦河坝下库面板防护及涂覆型结构止水施工入场后，应电站业主、设计、监理和总包单位的要求，首先在施工现场做工艺性试验段，试验段拟涂刷4mm厚天冬聚脲+抗冰拔耐侯面漆(坝缝GB涂覆型结构以下简称方案1)和喷涂2mm厚双组分喷涂聚脲+抗冰拔耐候面漆(面板坝表面防渗以下简称方案2)两种体系做法。因此方案1计划在面板坝表面选择三条板缝，即拦河坝下库面板18至21坝段间1053m～1063m高程，三条坝段间伸缩缝共计20.65×3=69.95m，进行现场涂覆型止水工艺性施工试验；方案2在拦河坝下库面板坝19坝段和20坝段， 1053m～1063m高程表面进行工艺性施工试验面积为8×20.65×2=330.4m2。

具体试验方案按如下工序进行涂层施工及观察检测：

方案1：基面打磨清扫处理→涂刷环氧底漆→涂刷2遍手刷聚脲→复合聚酯胎基布→涂刷四遍手刷聚脲→涂刷抗冰拔耐候面漆。

方案2：基面打磨清扫处理→基面干燥处理→涂刷环氧底漆→刮涂环氧腻子→再涂刷1遍聚脲底漆→喷涂双组份喷涂聚脲→涂刷抗冰拔耐候面漆。

具体试验方式和涂层结构形式同面板坝防渗及表层止水一致。

4.3 现场试验工艺流程

坝体表面打磨→环氧渗透底漆涂刷→刮涂环氧腻子→双组分聚脲喷涂→放置GB填料→涂覆手刷聚脲→复合胎基布→滚涂抗冰拔面漆→现场质量检测。

4.4 现场工艺性试验小结

现场工艺性试验表明，由于拦河坝面板拉膜表面十分不平整，坝段间伸缩缝的宽度和深度不一致，这些都会造成施工难度提高。经过施工工艺设计且把控好流程质量控制，现场施工工艺技术要求如下：

(1)基面处理：对面板坝坝面进行表面打磨削平处理，要求基面平整光洁无突变，打磨后采用高压水冲洗对基面进行清洁处理。清除基层表面的浮灰、灰浆等，施工前要求干燥、洁净、无污物。

(2)涂刷环氧渗透底漆，要求满涂，表面涂刷饱满且不流淌；待环氧渗透底漆固化后干燥后，分两遍刮涂环氧腻子，刮涂厚度要均匀，不得有流挂、漏涂现象，环氧腻子的刮涂不要求厚度，主要是用来封堵坝体表面空、洞、眼、细小裂缝等；待环氧腻子完全固化有一定强度后，表面再涂刷一道聚氨酯聚脲底漆，然后再进行坝面喷涂聚脲施工。

(3)涂刷或刮涂过程中，作业面不得被水、灰尘及杂物污染。

(4)涂层施工完成后2h内不宜与水接触，12h内应防止外力冲击。

(5)涂刷双组分刮涂聚脲：在坝段间伸缩缝GB填料加工成型，按设计安装完成后表面涂覆双组分刮涂聚脲，双组分手刷聚脲可采用刮涂、涂刷或者辊涂的方式进行施工。聚脲分层涂刷，为保证聚脲对基面的浸润效果，第一遍涂刷厚度不宜大于0.5mm，涂刷第二遍时及时复合一层聚酯胎基布，胎基布复合时下面浆液饱满一定不能干铺，且随即压实，后续涂刷应在前一道涂层表面干燥后进行，直至达到设计4mm厚要求。

(6)注意事项：在涂刷和刮涂施工过程中，如果遭遇到大风和下雨，必须立刻停止施工，用帆布等防护材料对涂层进行遮盖保护，待雨停后，及时清理涂层上的附着物。

最后现场调整采用多重次环氧腻子修补处理，效果良好。现场按照方案1和方案2两种方案进行了工艺性施工试验，试验结果表明两种方案涂刷效果均较好，没有流挂、鼓泡、空洞眼等情况，表明两种方案均可满足现场防冰拔施工的要求。