大坝溢流面喷涂聚脲工艺研究

大坝溢流面喷涂聚脲工艺研究 苗孝哲  葛建中  朱 飞  摘  要  针对当前抗冲磨材料在工程应用中存在的问题，结合官地大型高水头电站对抗冲磨材料的需求，寻求新一代高性能抗冲磨材料与适合复杂环境施工工艺，对于当前及今后兴建高坝大库具有重大的意义。 关键词  大坝溢流面  涂聚脲弹性体  抗冲耐磨  工艺  研究 1  前言 含沙高速水流对水工建筑物过流面混凝土的冲刷磨损和空蚀破坏，是水工泄流建筑物如溢流坝、泄洪洞(槽)、泄水闸等常见的病害。尤其是当流速较高且水流中又带着悬移质或推移质时，水工建筑物遭受的冲磨、空蚀就更为严重。官地水电站过流面的泄流流速均达60～70m/s，对抗冲磨材料的抗裂性、抗冲磨能力和快速易施工性（特别是对新型抗冲磨防护材料）提出了更高的要求，设计要求溢流坝面及两边侧墙增加聚脲抗冲磨防护层。 喷涂聚脲弹性体技术融合了聚脲树脂的反应特点和反应注射成型技术的快速混合、快速成型工艺特点，实现了双组分快速混合、喷出，迅速反应固化成型的一体化过程，可用于金属、混凝土面的防腐、防侵蚀、抗冲磨防护处理。聚脲是一种无溶剂、无VOC、无污染和快速固化高分子弹性体材料。                                                    2  工艺研究 针对官地水电站环境气候特点（主要针对雨季）、溢流面反弧段施工复杂性、喷涂与刮涂的工艺比较等，安排了不同的实验方案。具体包括喷涂施工工艺、手刮施工工艺下的聚脲喷涂施工、模拟两次聚脲施工搭接、聚脲破损处快速修复，基材处理包括单独一道底漆施工、一道底漆与一道修复腻子施工。具体施工区域划分如图2-1所示。其中喷涂为25m2，刮涂区为16m2。                  3  现场施工环境检测 根据现场环境划定施工区域，每一天中每隔一定时间测试环境的温湿度、基材温度、基材含水。 环境最高温度出现在中午14时前后，地面最高温度可以高达36°左右，而此时环境湿度降低到20%；因此最佳喷涂时间为上午10时以后，并且不能超过下午19点。 4  基材处理 涂层施工前第一道工序为基材处理。主要内容如下： （1）去除混凝土表面浮浆、油污、疏松物质，提高涂层与基材的附着力； （2）封闭孔洞和缺陷，使聚脲在混凝土表面形成一层致密、连续、光顺、均匀、无针孔无缺陷的高强度、高弹性、高抗冲耐磨的防护屏障； （3）阻止外界腐蚀介质进入混凝土，提高其抗冻融破坏、抗干湿交替、抗碳化腐蚀的综合能力。 4.1  阴阳角平滑过渡处理 聚脲涂层在混凝土的阴阳角部位应力集中最大，也是聚脲涂层最容易失效的部位，施工之前应进行圆滑过渡处理，即用角磨机对阳角打磨出45度的过渡区，用专用修补腻子在阴角部位圆滑过渡，在喷涂聚脲涂层之前做一层加强层，同时保证加强层与底涂层及聚脲涂层良好的结合。处方式和效果如图4-1所示。 4.2  基材表面除尘清理 保证工作面的清洁是聚脲施工过程中一个重要环节，作业面上的杂质、浮尘、油脂以及其他任何降低聚脲涂层附着力的污染物都会影响聚脲涂层的质量，严重时将导致聚脲涂层施工失败，因此在基层处理系统施工之前必须清理工作面的污染物。施工时，采用强力吹风机清理工作面污染物。 4.3  底漆施工 第一道底漆应现配现用，严格按照使用书要求准确称量。一般采用辊涂工艺，边角沟槽辅以刷涂施工。 4.4  基层修补处理方案 经过试验，从附着力、腻子流动性、干燥时间以及施工性等几方面最终确定平面修补腻子调配,平面经过修补之后，表面的针眼、孔洞、缺陷基本上封闭。 垂直立面在施工过程中容易流挂，需要重新调配腻子的比例，试验中的结果如表1所示，修补效果不理想。两种方案处理结果如图4-2所示。针对垂直面的表面缺陷情况，进行了局部点补工艺。 表1    垂直面修补方案 处理方式 修补料比例 用量(kg) 总面积m2 单位面积用量（g/m2） 工艺时间(min) 效果 第一道底漆 1:0 1.5 15 100 15 不流挂 腻子 1:2 4.5 15 300 44 流挂，有孔洞 第二道底漆 1:0 1.4 15 90 12 有孔洞               a一道底漆              b一道底漆与一道腻子        c 局部修补 图4-2  垂直面两种方案处理结果及修补 遮护与收边处理：对不需要喷涂的施工面要做遮护处理，同时要收边处理。具体的收边处理方式有三种： （1）钢丝胶带收边，利用胶带边缘的细钢丝切割涂层，形成均匀平直的边界，缺点是边界处涂层与基材有一个涂层的厚度差。（2）泡沫管收边，泡沫管有不同的直径尺寸，直径越大越有利于收边与平滑过渡，它是利用泡沫管的圆弧面弧度与基材之间的缝隙达到收边的效果，目前这种收边处理在有特殊要求的水利抗冲磨工程中应用较为合理。（3）PVC挡板收边，利用PVC挡板与施工面之间闪出的缝隙达到收边目的，这种收边方式适用于规则施工面，且能保证大面积施工。遮护一般使用聚氯乙烯塑料布，先用墨盒画线，沿着墨线贴一层纸胶带，纸胶带上贴一层双面胶，然后贴泡沫管，最后胶带预留出一小块用于粘贴塑料布。 用强力风机将表面明水吹干，预留一部分区域的水分用于模拟下雨环境施工。至上午10时左右测得工作面基材的含水率为8.7%，正式喷涂之前，混凝土基面的表面温度已经达到28℃，基本符合聚脲喷涂施工的要求。 喷涂聚脲之前，检查工作面状态，喷涂必须由专业枪手进行喷涂操作。喷涂前先对设备进行调试： 喷涂聚脲施工时要进行温度控制。首先检测原料桶的温度，温度应该保持在19℃以上。先不连接喷枪，测量加热软管输出末端的温度，这可以通过用泵抽出一些原料放在两个分开的如纸杯之类的容器内用温度计测量，温度应该在60～70℃之间，并且两个组分温度应该一致。 在正式喷涂前应进行测试，试枪时喷涂在硬纸板上喷出的扇形是令人满意的，并且A料与B料是按体积比1:1混合的，确保固化正常。出现问题应及时查明原因，排除故障。 手刮聚脲用专用手刮板、刮刀、挑刀进行施工，具体做法如表2。 如果涂层有鼓泡、破损、遗漏等缺陷，需要对涂层缺陷进行修补。如果缺陷部位涂层喷涂时间较短（小于4h），则可对缺陷涂层进行打磨、清理后直接进行二次喷涂聚脲；如果缺陷部位涂层喷涂时间较长（大于4h），则应在缺陷涂层表面并向外扩展5～10cm，打磨、清理后，涂刷基层处理剂，然后进行二次喷涂聚脲。 表2    手刮聚脲施工 序号 用量(kg) 总面积m2 厚度/mm 触干时间(h) 序号 用量(kg) 总面积m2 厚度/mm 触干时间(h) 第一道 2.7 15 0.2 1.2 第五道 3.7 15 0.2 1 第二道 3.1 15 0.3 1 第六道 2.2 15 0.2 1 第三道 3.3 15 0.4 1 第七道 1.8 15 0.2 1 第四道 2.6 15 0.3 1                               喷涂聚脲表面效果根据施工区域划分以及基面处理方式的不同而不同，其中喷涂区域表面平整、无流挂、无针孔、无起泡、无空鼓、无开裂、无异物混入。喷涂区和手刮区的整体效果图如4-3和4-4所示。 图4-3喷涂聚脲施工效果图                        图4-4 手刮聚脲效果图 手刮聚脲弹性层区域表面平整度不如喷涂聚脲区域、并且有涂刷不均匀的现象。基材的凹凸不平在重复几遍刮涂工艺之后的曲度被放大，局部缺陷严重区域出现流淌、皱褶和翘边等缺陷。 5  喷涂过程中涂层鼓泡成因分析及解决办法 鼓泡是聚脲施工中最常见的问题之一。发现鼓泡后，最重要的一点是判断鼓泡的类型、原因以及如何处理所发现的气泡。若鼓泡面光滑可能为基材不干净，需要清理基材重新涂刷底漆，若鼓泡面粗糙毛状则有潮气参与反应，需要干燥基材、压缩空气，适当调整压力和操作温度。 6  两种不同施工工艺的比较 6.1  施工均匀性 6.1.1  喷涂聚脲 喷涂纯聚脲涂料是一种A、B双组份、无溶剂、快速固化的弹性涂层材料； A、B组分在专用高温高压喷涂设备的喷枪内混合喷出，快速反应固化生成弹性抗冲磨涂层。喷涂过程中采用十字交叉喷涂，通过控制主机与喷枪的输出量控制涂层的厚度、均匀性以及涂层的整体表观效果。喷涂的涂层均匀致密，对不规则面比如阴阳角、裂缝及拐角处均具有良好的适应性。涂层的各项理化性能发展迅速。 6.1.2  手刮聚脲 手刮型聚脲为单组份溶剂型涂料，通过向大气环境中挥发溶剂缓慢固化。使用刮板一遍一遍施工达到厚度，均匀程度不理想，人为影响因素较大，对于不规则面适应性较差。 6.2  施工效率 喷涂聚脲的一个最大特点是使用成套设备，施工方便，处理好基材后，施工效率极高；一次性施工即可达到设计厚度要求，克服了手刮聚脲多层施工的弊病。喷涂聚脲与手涂聚脲的施工效率如表3所示。 表3  两种施工工艺比较 项目 施工次数 施工时间/h 成型厚度/mm 喷涂聚脲 1 2 2.9 手涂聚脲 7 20（两个工作日） 1.4         7  结语 本次官地水电站大坝溢流面喷涂聚脲弹性体抗冲耐磨工艺研究施工得到了大量有价值的结论与经验。主要几个方面： （1）及时收集和检测环境温度和湿度，选择最佳作业时间是做好聚脲施工前提； （2）混凝土基面处理不宜采用冲毛枪，最好采用角磨机处理效果更佳； （3）混凝土缺陷孔洞和坑槽的缺陷修补要彻底，棱角要平滑过渡，避免出现鼓包现象； （4）聚合物改性界面处理剂应选用养护龄期较短的聚合物改性界面处理剂； （5）泡沫管收边有利于收边与平滑过渡，在水利抗冲磨工程中应用较为合理。 （6）喷涂聚脲利于大面积快速施工， 收刮聚脲适合于收边以及喷涂聚脲难以实施的部位； （7）喷涂聚脲对压力、温度、方式等要求严格，必须严格按作业和控制。