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(jié)構(gòu)重點實驗室,江西 南昌 330200)

0 引 言

近年來,隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展,高速鐵路、電站大壩、海港碼頭、城市地鐵等基礎(chǔ)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(huán)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(qū),由于紫外輻射強烈、晝夜溫差大、嚴寒等氣候環(huán)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(guān)注,但由于處在大氣環(huán)境中受到各種因素的影響,涂層會發(fā)生老化,出現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)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(huán)保無污染,具有優(yōu)異的防水抗?jié)B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(guān)注熱點。

1 混凝土表面涂層防護

混凝土表面涂層防護技術(shù)是一種保護水工混凝土結(jié)構(gòu)的有效方法,是防止混凝土結(jié)構(gòu)劣化和被破壞的重要措施。近年來,在工程領(lǐng)域中常用的防護涂層材料主要為有機硅涂料、環(huán)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(yōu)異的性能和獨特的能力得到廣泛應用。

1.1 涂層防護技術(shù)

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(huán)境中的有害物質(zhì)進入混凝土內(nèi)部,從而保護混凝土的結(jié)構(gòu),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(guān)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(nèi)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(nèi)外對涂層服役壽命預測方面的研究,對各種涂層的研發(fā)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(zhì),由氨基化合物與異氰酸酯組分反應生成,是近年來新研發(fā)出的一種新型無污染、可噴涂、可涂刷的綠色環(huán)保型涂料[10-11]。與常規(guī)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(huán)境適應性好、抗?jié)窕澳屠匣芰姟⒎栏约暗蜏仨g性優(yōu)異等優(yōu)點,能顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的整體性能。自聚脲涂層技術(shù)發(fā)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(fā)展[12-14],但在溫度、光照等自然環(huán)境的作用下,涂層會發(fā)生變色、粉化、龜裂、脫落等一系列老化現(xiàn)象。因此,對聚脲涂層老化行為的研究已經(jīng)成為不少專家學者的關(guān)注熱點。

2 聚脲類防護涂層材料研究分析

美國是聚脲技術(shù)的起源地,在20世紀80年代首先研發(fā)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(shù),海洋化工研究院、江蘇化工研究院等先后引進該項技術(shù),經(jīng)過研究者們數(shù)十年的不斷探索,聚脲涂層材料在眾多領(lǐng)域中獲得了廣泛關(guān)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(huán)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(xù)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(nèi)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(huán)保性能等項目。試驗結(jié)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(jié)果發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)免受沖擊威脅。上述研究結(jié)果均指出,聚脲涂層具有優(yōu)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(jié)構(gòu)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(yè)工藝提供了一種商業(yè)上可行的替代方案。梁慧等[20]以環(huán)氧材料作為底層涂料,設計聚脲復合涂料體系,通過抗凍、抗?jié)B、耐氙燈-熱老化雙因素耦合等老化試驗,發(fā)現(xiàn)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(chǔ)上,添加納米SiO2、有機硅烷偶聯(lián)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(jié)構(gòu)防護工程為研究對象,研究了聚脲涂層在內(nèi)陸地區(qū)和海港工程中的應用情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚脲涂層具有出色的補強修復功能和耐海洋腐蝕性能。關(guān)于聚脲防護涂層技術(shù)的應用現(xiàn)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(jié)構(gòu)和力學性能結(jié)合,進行綜合考慮;因此,需要從聚脲材料的化學構(gòu)成出發(fā),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(fā)展,對涂層的穩(wěn)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(tài)下,環(huán)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(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,紫外輻射對原始聚脲的結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(jié)構(gòu)的完整性。George Youssef等[26]將6組樣本連續(xù)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(tài)力學性能隨紫外線照射時間的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),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(huán)境共同作用下使用是一種常見情況,其優(yōu)異的耐熱和濕熱老化性能與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān),研究人員對此進行了相關(guān)研究。車凱圓[27]對聚脲涂層在自然曝曬環(huán)境和氙弧燈加速環(huán)境下的氫鍵行為及相分離形態(tài)進行研究。研究結(jié)果顯示,從微觀上看,涂層表面出現(xiàn)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(nèi)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(jié)果發(fā)現(xiàn),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(jié)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(jié)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(qū)氫鍵化程度呈下降趨勢,軟段和硬段的相對含量發(fā)生顯著變化,增加了相分離程度。

3 結(jié) 語

目前,由于水利工程中對混凝土結(jié)構(gòu)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(yōu)異性能,在各種復雜環(huán)境中都能起到較好的防護作用。與傳統(tǒng)涂層相比,聚脲涂層技術(shù)有諸多優(yōu)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(huán)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(shù)研發(fā)以來,研究人員們大都關(guān)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(nèi)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(fā)性能更優(yōu)的涂層,將是未來研究的重要方向。