聚脲類水工混凝土防護涂層研究進展

劉 建, 梁 慧, 朱 澤 文, 邱 興 飛, 毛 琳,張 愷, 劉 夢 穎

(1.江西省交通投資集團有限責任公司項目建設管理公司,江西 南昌 330200;2.長江水利委員會長江科學院,湖北 武漢 430010;3.江西省交通科學研究院有限公司,江西 南昌 330200;4.江西省橋梁結構重點實驗室,江西 南昌 330200)

0 引 言

近年來,隨著中國經濟的快速發展,高速鐵路、電站大壩、海港碼頭、城市地鐵等基礎設施的建設項目越來越多,混凝土憑借其造價低廉、易澆筑成型、硬化后抗壓輕度高等特點,被廣泛應用于大型建筑[1]。尤其是在水利工程中,混凝土作為一種使用頻繁的材料,需要保證處于各種復雜環境下的工程能夠正常運行。因此,混凝土的耐久性直接影響到水利工程的安全和使用壽命。但在實際工程中,特別是在一些西部的高海拔地區,由于紫外輻射強烈、晝夜溫差大、嚴寒等氣候環境,混凝土面臨著嚴峻的劣化問題,因此對混凝土的防護與處理提出了更加嚴苛的要求[2-3]。

混凝土防護涂層作為一種能有效提高混凝土耐久性的措施,日益受到廣泛關注,但由于處在大氣環境中受到各種因素的影響,涂層會發生老化,出現開裂、脫落等現象,甚至失去對基材的防護效果[4-5]。在各類混凝土防護涂層中,聚脲類涂層環保無污染,具有優異的防水抗滲性、耐沖磨性、低溫固化和抗化學侵蝕等性能,其老化行為及機理的研究已成為當下專家學者的關注熱點。

1 混凝土表面涂層防護

混凝土表面涂層防護技術是一種保護水工混凝土結構的有效方法,是防止混凝土結構劣化和被破壞的重要措施。近年來,在工程領域中常用的防護涂層材料主要為有機硅涂料、環氧涂料、氟碳樹脂涂料、聚氨酯涂料、聚脲涂層等,其中聚脲類防護涂層以其優異的性能和獨特的能力得到廣泛應用。

1.1 涂層防護技術

混凝土的表面有許多孔隙,在混凝土的表面涂刷涂層材料可以防止環境中的有害物質進入混凝土內部,從而保護混凝土的結構,使其防護下的混凝土試件獲得了良好的耐老化性能,提高混凝土的耐久性。同時,防護涂層材料還能有效改善混凝土的表面缺陷,增強表面美觀度,并提高混凝土的強度,延長其壽命[6-7]。涂層的使用壽命對被保護體的使用有著重大影響,涂層的老化性能直接關系到被保護體的使用性能,在一定程度上,涂層老化性能的好壞就代表了該涂層實際使用價值的高低,影響涂層的綜合性能。目前,國內外對于涂層老化機理和壽命預測方面的研究并不詳盡;因此,研究涂層的老化機理,歸納國內外對涂層服役壽命預測方面的研究,對各種涂層的研發和改性都具有十分積極的指導作用[8-9]。

1.2 聚脲類防護涂層

聚脲是一種彈性體物質,由氨基化合物與異氰酸酯組分反應生成,是近年來新研發出的一種新型無污染、可噴涂、可涂刷的綠色環保型涂料[10-11]。與常規的涂層材料相比,聚脲涂層具有施工方便快捷、抗熱沖擊性能好、潮濕環境適應性好、抗濕滑及耐老化能力強、防腐性及低溫韌性優異等優點,能顯著提高混凝土結構的整體性能。自聚脲涂層技術發明以來,就在大壩壩面、溢洪道、排沙洞、導流洞、輸水渠等水工建筑物中得到了快速應用和發展[12-14],但在溫度、光照等自然環境的作用下,涂層會發生變色、粉化、龜裂、脫落等一系列老化現象。因此,對聚脲涂層老化行為的研究已經成為不少專家學者的關注熱點。

2 聚脲類防護涂層材料研究分析

美國是聚脲技術的起源地,在20世紀80年代首先研發成功,很快也在歐洲使用[15]。在中國,則是在1995年黃微波等人開始研究聚脲涂層技術,海洋化工研究院、江蘇化工研究院等先后引進該項技術,經過研究者們數十年的不斷探索,聚脲涂層材料在眾多領域中獲得了廣泛關注及應用。

2.1 聚脲類防護涂層老化行為研究

聚脲涂層作為一種有機材料,在大氣環境中不可避免的面臨著各種老化問題,影響其正常工作。為了能夠更好地預測聚脲涂層的使用性能和服役壽命,必須對聚脲涂層的老化行為進行研究[16]。

聚脲涂層老化過程緩慢,持續時間長,影響因素多且復雜。聚脲涂層的老化研究方法一般分為兩種,分別為自然暴露老化和人工加速老化,研究人員對此進行了深入的討論。李珍等[17]對聚脲進行了一系列的室內試驗,包括抗沖耐磨性、拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度、耐久性以及環保性能等項目。試驗結果表明,聚脲本體的性能良好,在混凝土表面噴涂聚脲具有很好的防護效果,抗老化能力強。Damith Mohotti等[18]通過對聚脲涂層復合鋁板和無涂層鋁板進行低速沖擊試驗,試驗結果發現聚脲具有能有效減輕低速沖擊損傷的能力,可以作為一種阻尼材料來保護結構免受沖擊威脅。上述研究結果均指出,聚脲涂層具有優異的防護性能,值得推廣使用。

作為一種能有效提高混凝土結構耐久性的材料,大量研究人員通過不同的研究方法對聚脲涂層的制備和改性進行了研究。Justin M. Sirrine等[19]采用無溶劑、無催化劑的合成方法,使用尿素二硅氧烷二胺擴鏈劑制備PDMS聚脲的無異氰酸酯,聚合得到的 PDMS 聚脲,可形成透明且延展良好的獨立膜。這種簡單的且不含異氰酸酯的方法為目前高性能彈性體工業工藝提供了一種商業上可行的替代方案。梁慧等[20]以環氧材料作為底層涂料,設計聚脲復合涂料體系,通過抗凍、抗滲、耐氙燈-熱老化雙因素耦合等老化試驗,發現這種聚脲復合涂層材料的整體性能良好,適用于水工混凝土的表面防護和修補處理。魏濤等[21]在聚天門冬氨酸酯聚脲材料的基礎上,添加納米SiO2、有機硅烷偶聯劑和活性稀釋劑,制備出CW系列混凝土表面保護修補材料。該材料具有多種特性,在眾多除險加固和表面防護工程得到了成功應用。

在實際工程應用方面,韓煒等[22]和黃微波等[23]分別依托多個水利工程和青島海灣大橋承臺結構防護工程為研究對象,研究了聚脲涂層在內陸地區和海港工程中的應用情況,結果發現聚脲涂層具有出色的補強修復功能和耐海洋腐蝕性能。關于聚脲防護涂層技術的應用現狀,李炳奇等[24]指出聚脲防護涂層的耐久性對水利工程的安全運行具有重大意義,目前缺乏將涂層的分子結構和力學性能結合,進行綜合考慮;因此,需要從聚脲材料的化學構成出發,研究聚脲涂層服役壽命預測的理論與公式。

2.2 聚脲類防護涂層老化機理研究

隨著聚脲涂層的快速發展,對涂層的穩定性和壽命預測方面提出了更高的要求,因此,對涂層老化機理的研究就顯得尤為重要。

聚脲涂層材料在實際服役狀態下,環境條件比較復雜,影響性能劣化的因素眾多。Atif Mohammed Shaik等[25]將聚脲長時間暴露于紫外線輻射下,研究其微觀結構。結果表明,紫外輻射對原始聚脲的結構產生了巨大影響,紫外輻射會誘導裂紋擴展到核心,導致其過早破壞,從而危及結構的完整性。George Youssef等[26]將6組樣本連續暴露在不同時間的紫外線輻射下長達18周,研究聚脲的動態力學性能隨紫外線照射時間的變化。結果發現,隨著加載時間的增加或聚脲在高溫下工作,紫外線暴露和溫度對性能的影響變得高度耦合。

聚脲材料在高溫、潮濕環境共同作用下使用是一種常見情況,其優異的耐熱和濕熱老化性能與其內部分子結構有關,研究人員對此進行了相關研究。車凱圓[27]對聚脲涂層在自然曝曬環境和氙弧燈加速環境下的氫鍵行為及相分離形態進行研究。研究結果顯示,從微觀上看,涂層表面出現的孔洞和微裂紋是表面性能下降的重要原因,而老化后的涂層分子間的作用力降低,是導致涂層力學性能下降的原因。周中行[28]對單組分聚脲涂層材料進行室內加速老化試驗研究,觀察各時段涂層的外觀和掃描電子顯微鏡照片。結果發現,單組分聚脲涂層材料中脲鍵的含量主要影響涂層材料的拉伸性能,氫鍵和羥基含量主要影響涂層材料的粘結強度。Kaiyuan Che等[29]研究了聚脲涂層在海洋大氣中暴露150天后的老化行為,通過ATR-FTIR和XPS對其機理進行了分析。結果表明,在老化過程中,N-H、C=O和C-O-C鏈斷裂明顯,脲羰基區氫鍵化程度呈下降趨勢,軟段和硬段的相對含量發生顯著變化,增加了相分離程度。

3 結 語

目前,由于水利工程中對混凝土結構的耐久性提出了越來越高的要求,混凝土表面防護涂層材料得到了廣泛應用,而聚脲涂層因其自身具備的其他材料無可比擬的優異性能,在各種復雜環境中都能起到較好的防護作用。與傳統涂層相比,聚脲涂層技術有諸多優點,它具有良好的物理化學性能,如較高的拉伸強度、較好的耐候性和耐腐蝕性等。

中國大力提倡使用各種環保型防護涂層,涂層的耐久性成為了主要問題。自聚脲涂層技術研發以來,研究人員們大都關注于單因素作用下聚脲涂層的耐久性研究,并且在涂層老化方面形成了較為成熟的理論體系,但在大溫差、紫外線、荷載等多種因素耦合作用下的研究較為少見,追其原因,可能是室內老化試驗儀器難以改裝以滿足多種因素同時耦合作用的要求,這是聚脲涂層要研究的一個方向。如何定性分析聚脲涂層的老化機理,有效降低涂層老化,提高涂層服役壽命,開發性能更優的涂層,將是未來研究的重要方向。