新型聚脲混凝土保护材料与工程运用分析

新型聚脲混凝土保护材料与工程运用分析

赵学

石屏金池商品混凝土有限公司 云南红河哈尼族彝族自治州 662200

摘要：船闸闸墙混凝土受到过往船只碰撞的影响会降低自身的耐久性，需要对闸墙混凝土进行有效的防护措施。将聚天门冬氨酸酯树脂作为基体配制出聚脲材料，对其进行力学性能测试后，可选用性能最佳的材料作为闸墙混凝土新型抗冲撞保护材料。基于此，本文介绍了新型聚脲混凝土保护材料的概念特点及相关技术，并结合耐久性能测试、力学性能试验、冻融试验、碳化试验等环节，对新型聚脲混凝土保护材料的工程运用进行了分析。

关键词：聚脲；混凝土；保护材料

引言：聚脲材料是一种基于聚氨酯技术发展的无溶剂环保型材料，与环氧、聚氨酯、丙烯酸等传统材料相比，其成膜速度更快、耐介质性能良好、弹性和韧性更好，并且还具有无公害、施工效率高的特点。因此，将聚脲混凝土保护材料运用于工程实践当中，能达到相对理想的保护效果。

1. 研究背景

船闸作为通航建筑物需要承担较为频繁的交通任务，并持续保证着水利枢纽的正常运行。船闸闸墙混凝土在经受船只长期的碰撞和摩擦后会出现严重的破损问题，严重时会甚至暴露出钢筋，并出现腐蚀情况。此类问题不仅影响闸墙的美观，并且长时间保持这种状态会影响水利工程的正常运行，给电力能源带来不良影响。

聚脲是国外研制出的无溶剂、无污染的环保型涂料。聚脲弹性体打破了传统环保型涂料存在的限制性，集合了塑料、橡胶、涂料等材料的功能，可以修补混凝土裂缝部位并对其表面进行防护。聚天门冬氨酸酸酯聚脲的反应速度可以调节，对基材的附着力较好，能在低温时进行固化，涂层位置不容易泛黄等特点。聚脲材料的抗冲击能力较强，并且伸长率、撕裂强度等都较为优秀，其最高的拉伸强度能够达到2715MPa, 伸长率能够达到1000%。聚脲材料使用在室外较长时间也不会出现粉化、开裂、脱落等情况，对延伸钢结构，延长混凝土使用寿命起到重要作用。聚脲弹性体与混凝土黏结强度至少为5MPa，远远超出普通混凝土的黏结强度，是一种“万能”材料。

喷涂聚脲弹性体是由半预聚体、胺扩链剂等原料组合而成，应采用先进的喷涂技术让其快速固化，其具有良好的理化性能，能够在工程中凸显出自身的性能特点。聚脲弹性体中可以加入多颜色，还可以在其中增加短玻璃丝纤维等材料来提升其强度，并且其具有一定的热稳性，能在高温下保持稳定的使用状态。聚脲快速固化的特点可以让其在任何的表面上进行连续喷涂，并且不会产生流挂。

本文选用聚天门冬氨酸酯和异氰酸酯制作出具有良好冲撞性能的聚脲材料，并对其进行耐久性和力学性能测试，以此判断材料是否能够作为新型的船闸混凝土保护材料。

2. 聚脲弹性体喷涂技术

聚脲弹性体喷涂技术具有优异的理化性、工艺性和环保性，其表现的技术特点有：

1. 现场施工方便。聚脲弹性体喷涂不会受到施工环境温度、湿度影响，能够进行冰上施工，并且不包含催化剂、快速固化凝胶等，能在三分钟内快速达到强度。在连续喷涂的过程中不会产生流挂，施工效率高，进行一次施工就能达到预期施工的厚度，还减少多道施工存在的麻烦等。喷涂施工较为简单，通常具有完整的喷涂设备，能在一天内完成1000m²的施工，喷涂聚脲材料采用的细节施工都比较方便，不用专门设置纤维增强层，施工完成后不会产生额外的维修费用，降低了施工成本^[1]。

2. 涂层性能良好。应用聚脲材料涂刷的涂层有着致密、连续、光滑、防腐等特点，并且具有良好的可靠性和维修性，使用年限较长，可以明显降低每年在防护方面上投入的成本。

3. 具有化工防腐性能。聚脲弹性体能够在酸、碱、水、高寒等恶劣的条件下表现其优越的防腐性，可以将其用作在化工钢制的储存罐内，外壁防腐可以代替橡胶衬里，具有固化快、施工方便、无污染的特点，其耐介质腐蚀的性能十分优越。聚脲材料还能用于通航运输中船闸闸墙的外部保护涂层，能够避免海水腐蚀闸墙混凝土内的钢筋，进而充分保障闸墙的使用寿命。

3. 实验、结果和讨论

1. 聚天门冬氨酸酯聚脲材料制备

将聚天门冬氨酸酯中添加硅微粉设置成A组，将结构不同的脂肪族异氰酸酯设置为B组。A组与B 组进行充分反应后可以制作成聚脲材料。

其中A组成分中聚天门冬氨酸酯配比占有30~50%，活性稀释剂占据1~6%，硅微粉占据1~10%，并在其中加入微量的甲烷偶联剂。

B 组成分为脂肪族异氰酸酯20~40%。

2. 力学性能测试

在对材料进行力学测试时需要使用万能试验机和冲击试验机。实验需要按照国家制定的标准进行，等到28天后才能进行性能测试。

3. 耐久性能测试

进行耐久性测试中试验内容需要按照《水工混凝土试验规程》中的方法进行。

应用全自动混凝土冻融试验机完成冻融试验，可以采用40mm×40mm×160mm的棱柱混凝土试件作为标准试件，并在试件表面刷涂1mm厚的聚脲材料，经过7天后才可以进行碳化试验。

进行抗冲磨试验需要使用混凝土抗冲磨试验机。这种机器的标准试件是直径300mm,高度100mm的圆柱形混凝土试件。并在试件表面刷涂1mm厚的聚脲材料，等到7天后才能进行试验。

（四）力学性能试验

基于大量试验的基础上，可以选择两组不同材料配比的聚脲材料进行力学性能测试，将其归类为A、B两组。因其聚脲配比不同，所以表现出来的力学性能存在一定差距，根据测试结果显示，A组聚脲的抗压强度、抗拉强度和黏结性都要比B 组高，但A组的抗冲击性低于B组。进行综合考量，B组更加适合作为冲撞材料。下文对B组聚脲材料进行实验分析。

（五）冻融试验

对聚脲材料进行冻融试验可以发现，没有刷涂聚脲材料的混凝土试件经过150次冻融循环后，会给试件质量造成约18%的损害，但相对动弹性的模量会下降大约55.4%。刷涂聚脲材料的混凝土试件经过150次冻融循环后，给试件造成的损失约为1%，相对动弹性的模量只下降大约4.8%左右。结合实际测验拍摄的照片显示，刷涂聚脲材料的混凝土试件在冻融150次后没有明显的变化，未刷涂的试件表面损失严重。经过冻融实验能够表明，聚脲材料可以明显提升混凝土抗冻融性能。

（六）碳化试验

选择两块相同的保护材料的混凝土试件，分别对其刷涂聚脲材料，并对其进行28天碳化试验，根据实际结果显示，未刷涂聚脲材料的混凝土试件碳化的深度达到8mm，而刷涂聚脲材料的试件并未发生碳化。通过碳化试验能够说明聚脲材料可以提高混凝土抗碳化的性能。

（七）冲磨试验

进行冲磨试验时将冲磨时间设置为72小时，经过试验发现未刷涂保护性材料的混凝土试件产生的损失能够达到1.5kg，刷涂聚脲材料的混凝土试件在质量上的损失不超过0.01kg。冲磨试验可以表明聚脲材料可以明显提高混凝土抗冲磨的能力^[2]。

（八）现场生产性试验

室内性能测试可以反映出制备的聚脲材料具有一定良好的力学性能、抗冻融、抗碳化、抗冲击等能力，与试验的预期标准一致。

为明确聚脲材料在实际应用的过程中是否具有使用的潜力，可以将材料涂刷在船闸墙面进行实际测试。在经过两年的实际测试后发现涂刷材料的墙面完好无损，有效地保护了闸墙混凝土。

总结：综上所述，聚脲材料不仅具有良好的力学性能，还可以提高混凝土抗冻、抗碳化、抗冲磨等能力，可以作为船闸混凝土抗冲撞的材料。并且通过试验表明，聚天门冬氨酸酯聚脲材料在抗冲撞防护上起到明显的作用，因此水力工程部门可以使用这种材料刷涂在各个大坝表面上，降低往来船只撞击大坝造成的影响，延长大坝的使用寿命，给大坝安全运行提供保障。

参考文献：

[1]刘竞,苗同梦,郁培云.混凝土表层防护涂料研究进展[J/OL].化工进展:1-12[2021-04-01].1000-6613.2020-2131.

[2]徐伟.新型混凝土材料应用初探[J].四川水泥,2019(01):10.