SK手刮聚脲在西北高寒地區輸調水工程的應用

胡普年

摘要：莊浪河渡槽是甘肅省引大入秦工程重點建筑物之一，地處西北高寒地區，經20多a的輸水運行，出現混凝土凍融剝蝕破壞，鋼筋銹蝕、裸露等病害缺陷。選擇SK手刮聚脲作為防護材料進行適用性試驗研究，針對SK手刮聚脲本體強度、抗凍防護性能、耐低溫性能、抗沖磨及耐老化性能開展室內試驗和現場工藝性試驗研究，結果表明：SK手刮聚脲材料在高寒地區氣候環境下，不僅表現出良好的綜合力學性能、較強的抗沖磨能力，而且工藝簡便。試驗結束后，通過莊浪河渡槽3a的通水運行檢驗，SK手刮聚脲材料能夠滿足渡槽安全運行的要求，是目前西北寒冷地區水利工程混凝土表面缺陷較為理想的修補材料。

關鍵詞：聚脲;高寒地區;輸調水工程：莊浪河渡槽

中圖分類號：TV68

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019. 04.027

隨著我國水利工程的發展，一批大型和特大型長距離輸調水工程相繼投入建設和運行。輸調水工程運行距離長，建筑物類型多，運行條件復雜。特別在我國西北高寒地區，冬季與水接觸的建筑物混凝土常因凍融而遭到破壞，表現為表面酥松、層狀脫落、強度降低、鋼筋銹蝕等，嚴重影響工程的安全運行及使用壽命。因此對混凝土襯砌進行表面防滲處理，是寒冷地區渠系建筑物安全運行和增強耐久性的重要手段。

引大人秦工程莊浪河渡槽位于甘肅省永登縣境內，是引大人秦工程的重點建筑物之一。渡槽全長2 194.8 m，設計流量18.0 m/s.加大流量21.5 m/s.設計縱坡1/750.設計過水斷面為2.8 mx3.3 m的矩形槽。冬季最低環境溫度達-35℃，渡槽自1994年建成投入運行至今已有20多a.受外界環境及工程運行影響，渡槽槽身（底板）混凝土存在表層剝蝕破壞嚴重，槽身側墻鋼筋銹蝕、裸露等病害缺陷。病害的存在影響渡槽的結構安全和耐久性，給渡槽的安全運行帶來極大隱患，亟需進行除險加固。

1 試驗方案

莊浪河渡槽地處西北高寒地區，紫外線照射強烈，因此選用的防護材料必須適用于高寒地區的環境，根據技術調研和參考相關工程，選擇SK手刮聚脲作為防護試驗材料。根據水工建筑物凍融破壞機制及破壞形式，結合莊浪河渡槽現狀及當地氣候環境，試驗分為室內試驗和現場工藝性試驗。室內試驗主要針對SK手刮聚脲本體強度、抗凍防護性能、耐低溫性能、抗沖磨及耐老化性能進行研究。為驗證材料的適用性，選擇具有代表性的3個跨段，開展SK手刮聚脲現場工藝性試驗研究，根據試驗結果，確定莊浪河渡槽修補加固技術方案。

2 材料特性

SK手刮聚脲主要由含多異氰酸酯-NCO的小分子或高分子的A組分與含有2個或2個以上端氨基的高分子或低分子組合物R組分組成。A組分和R組分混合后迅速反應生成聚脲。化學封閉R組分的端氨基，在隔絕空氣和水分的條件下穩定;與空氣接觸，發生反應生成多元胺，并繼續與異氰酸酯-NCO反應生成單組分聚脲[1]。

SK手刮聚脲的特征：可以任意厚度成膜，能有效提高施工效率并避免施工錯誤;不含增塑劑、白油和粉料，對混凝土或大多數基材都有良好附著力;耐久性強，一般情況下材料有15-20 a的使用壽命：在陽光下暴露，其耐久性在20 a以上。

3 室內試驗研究

3.1 抗拉強度性能試驗

為了測試材料的抗拉強度，采用拉伸試驗機進行拉伸性能試驗。參照《建筑防水涂料試驗方法》（GB/T 16777-2008）進行聚脲涂膜的制備和試驗，試驗結果見表1。

3.2 低溫條件下的力學性能

采用高低溫電子萬能試驗機測試SK手刮聚脲在低溫環境下的力學性能，分別在-23、-45℃條件下進行拉伸強度、拉斷伸長率檢測。-23℃條件下，拉伸強度、拉斷伸長率分別為17.3 MPa、384%;-45℃條件下，拉伸強度、拉斷伸長率分別為35.2 MPa、144%。

3.3 低溫條件下黏結強度試驗

低溫條件下SK手刮聚脲與混凝土的黏結性能是評價整個防護體系是否安全的關鍵，在室溫及低溫下SK手刮聚脲與混凝土的黏結強度試驗結果見表2。

3.4 對混凝土抗凍性能的影響

為測試材料對混凝土抗凍性能的影響，采用混凝土快速凍融試驗機進行凍融試驗。通過測試凍融循環前后SK手刮聚脲與混凝土的拉拔黏結強度，檢測該材料的抗凍性以及對混凝土的防護作用。凍融前拉拔黏結強度與凍融300次后拉拔黏結強度對比見表3。

3.5 抗沖磨性能試驗

水工混凝土的沖磨試驗普遍采用《水工混凝土試驗規程》（ SL 352-2006）推薦的圓環法和水下鋼球法。在同等試驗條件下，與抗壓強度為69.9 MPa的C50混凝土相比，SK手刮聚脲的抗沖磨性能非常優異，在同等試驗條件下僅有少量磨損，見表4。

3.6 耐老化性能試驗

通過氙燈人工加速老化試驗檢測材料的光穩定性和抗老化性，結果見表5。從表5可以看出，加速老化試驗1 869 h后.SK手刮聚脲老化后強度僅降低了18%，拉斷伸長率從364%降低到了339%，性能變化率最大僅為8%。

從圖1可以看出，拉伸強度開始下降較快.500 h后趨于穩定。從圖2可以看出，拉斷伸長率開始下降較快，1 000 h后趨于穩定。從材料表面變化情況來看，材料老化主要發生在表層。

3.7 試驗結果分析

SK手刮聚脲涂層材料具有良好的拉伸性能和變形能力，平均拉伸強度達18.21 MPa，極限拉伸伸長率大于300%，能夠較好適應于混凝土裂縫、伸縮縫等部位的防護要求。SK手刮聚脲在低溫環境下仍具有良好性能。SK手刮聚脲與混凝土的黏結性能優良，凍融循環300次前后拉拔黏結強度均大于3 MPa，說明SK手刮聚脲具有較好的抗凍性。SK手刮聚脲抗沖磨強度是C50混凝土材料的100倍以上。氙燈加速老化試驗1869 h后，SK手刮聚脲老化后強度僅降低18%，拉斷伸長率從364%降低到33go-/o.最大僅降低8%.強度仍達到14.0 MPa.伸長率大于300%，說明SK手刮聚脲具有優異的抗老化性能。

4 現場工藝性試驗研究

根據現場條件，選取渡槽的35#、41#、56#三跨進行現場試驗，主要對底板及側墻混凝土50 cm高度范圍內進行剝蝕修復及表面涂層防護處理。采用聚合物砂漿對槽身底板混凝土剝蝕或局部沖蝕破壞的區域進行修復：對于基面比較完整，沒有發生凍融破壞的混凝土表面，進行打磨清洗，對小的孔洞進行封閉;對渡槽底板及側墻高度50 cm范圍內刮涂2 mm厚SK手刮聚脲進行整體表面防護處理?，F場試驗步驟：試驗區域剝蝕混凝土表面鑿毛→聚合物砂漿修補→基面打磨清洗處理→涂刷專用界面劑→涂刷防護材料至設計厚度→防護材料黏結性能檢測→試驗效果分析評價。

涂刷防護材料3個月后，采用TJIO型碳纖維黏結強度檢測儀進行SK手刮聚脲涂層的黏結強度現場測試，檢測結果見表6。從表6可以看出，SK手刮聚脲與渡槽混凝土黏結效果良好，黏結強度均不小于2.5 MPa。

綜合室內試驗及現場工藝性試驗結果，SK手刮聚脲具有優異的力學性能和耐低溫性能，適用于西北高寒地區水利工程混凝土表面缺陷的修復防護處理。

5 結語

甘肅省引大人秦工程地處西北高寒地區，運行環境復雜，工程運行多年后，類似莊浪河渡槽的工程病害問題較為普遍，室內外試驗研究表明，SK手刮聚脲材料在高寒地區氣候環境下，不僅表現出良好的綜合力學性能、較強的抗沖磨能力，而且施工工藝簡便。試驗結束后，通過莊浪河渡槽3a的通水運行檢驗.SK手刮聚脲材料能夠滿足渡槽安全運行的要求，是目前西北寒冷地區水利工程混凝土表面缺陷較為理想的修補材料，在高寒地區水利工程病害治理方面具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]孫志恒，夏世法，付穎千，等，單組分聚脲在水利水電工程中的應用前景[ C]//水電混凝土建筑物評估與修補，北京：海洋出版社，2007：228-231.

【責任編輯呂艷梅】