聚脲弹性体在长河坝水电站防渗体系中的应用

张 鹏， 郭 志 浩， 姚 娇

(中国水利水电第五工程局有限公司 长河坝施工局，四川 康定 626001)

1 工程概述

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝坝顶高程为1 697 m，坝顶宽16 m，最大坝高240 m，坝基河床覆盖层深约50 m。大坝心墙河床廊道长160.79 m，为城门洞形，廊道尺寸为3 m×4 m(宽×高)，廊道侧墙和顶拱厚2 m，底板厚3 m(图1)。河床廊道均采用C40W12F50混凝土浇筑，廊道内设置50 cm×30 cm(宽×高)的排水沟。廊道底板、边墙与两岸基岩接触面设置弹性垫层材料；廊道与两岸混凝土板相交线处设置SR止水带，并用钢丝网和砂浆包裹。

图1 长河坝水电站河床廊道典型剖面图

2 心墙廊道外表面处理方案

根据近年已建高心墙坝的运行情况，心墙河床廊道混凝土在大坝填筑过程及蓄水运行过程中存在不同程度的开裂，对裂缝采取的处理方案一般为在廊道内进行化学灌浆。如果廊道存在贯穿性裂缝，在总结其他工程采取的处理措施的基础上，对于外表面处理方案，应考虑封闭既要能承受不利工况廊道开裂时的正向水压(230 m水头)，又能起到化灌时的止浆效果。其他工程采用的的封闭方案有：外包改性沥青防水卷材、涂刷赛柏斯防水基材。防水卷材在高水头下能满足防渗要求，但其与混凝土面的粘结强度不能满足止浆要求，且存在易戳破、断裂破坏、整体性差、结合部粘接质量难以保证等缺点；赛柏斯属于脆性材料，不能满足适应变形的要求。通过对比，本工程选用聚脲弹性体材料处理廊道外表面。长河坝水电站河床廊道采用的喷涂聚脲弹性体材料及工艺具有以下优点：

(1)快速固化，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，不产生流挂现象，5 s即可凝胶，1 min即可达到步行强度。

(2)对湿气、温度不敏感，施工时不受环境温度、湿度的影响(可在-28 ℃温度下施工，可在冰面上喷涂固化)。

(3)双组分，100%固体含量，不含任何挥发性有机物，对环境友好，施工无污染。

(4)热喷涂，一次施工厚度范围可从数百微米到数厘米，克服了以往需多次施工的弊病。

(5)具有优异的理化性能；极高的抗张抗冲击强度、防腐蚀、耐磨、防湿滑、耐老化等。

(6)具有良好的热稳定性，可在120 ℃温度下长期使用，可承受350 ℃温度的短时热冲击。

(7)原形再现性好，涂层连续、致密、无接缝，无针孔、美观实用、耐久。

(8)使用成套设备施工，效率极高；一次施工即可达到设计厚度要求，设备配有多种切换模式，既可喷涂，也可浇注，并可通过施工工艺控制达到防滑效果。

(9)具有良好的粘结力。聚脲涂层与混凝土基面的粘结强度(28 d)可以达到2 MPa以上。

(10)喷涂聚脲弹性体采用高分子混合物材料，通过机械喷射至基面可实现瞬时成膜。

(11)具有施工效率高、可一次性喷涂完成、涂层为无缝整体膜等技术优势。

3 聚脲喷涂相关材料要求

3.1 聚脲材料

长河坝水电站廊道聚脲喷涂工程选用的聚脲材料的基本性能除满足《喷涂聚脲防水材料》(GB/T23446-2009)中喷涂聚脲防渗涂料Ⅱ型聚脲指标的要求外，还结合长河坝工程实际需要进行了高水头不透水性、与高塑性粘土接触渗透性检测，完全能够满足长河坝工程廊道防水的要求。喷涂聚脲厚度为4 mm时，混凝土出现5 mm裂缝、300 m水头作用下不发生渗漏；与高塑性粘土接触面渗透系数≤3×10-7cm/s，接触面渗透破坏坡降≥13。

3.2 混凝土缺陷修补材料

对于混凝土基材表面孔洞和局部不平整部位的修补材料采用高渗透改性环氧防水与粘结双功能界面粘合剂，要求其具有良好的聚脲涂层黏结性能(表1)，能在潮湿混凝土表面提供足够的附着力。

表1 高渗透改性环氧防水与粘结双功能界面粘合剂胶砂体主要性能指标要求表

3.3 底漆涂料

底漆涂料的作用：一是封闭混凝土底材表面毛细孔中的空气和水分，避免聚脲涂层喷涂后出现鼓泡和针孔现象；二是起到胶黏剂的作用，提高聚脲涂层与混凝土底材的附着力，提高防护效果。

表2 底漆涂料主要性能指标要求表

4 施工工艺

长河坝水电站大坝心墙河床廊道外表面聚脲喷涂区域根据现场情况、各工序完成时间划分为10个区域，按照混凝土基面清理、涂刷环氧腻子、涂刷底漆、喷涂聚脲四个主要工序进行流水作业，每个区域约为350 m2。廊道外墙外包聚脲于2013年7月17日开始施工，施工材料采用CW730弹性聚脲类防渗材料，8月10日完成廊道聚脲弹性体的喷涂施工，平均每个施工区域耗用2.5个工日。

4.1 聚脲喷涂工艺流程

施工准备——基层处理(打磨、清洗等)——涂刷胶砂体——涂刷底漆——喷涂聚脲——表面加糙——完工验收。

4.2 聚脲喷涂施工准备

聚脲喷涂使用的主要设备有喷涂机、喷枪、空气压缩机、打磨机、底漆滚涂工具、电缆、防护服、防护材料、脚手架以及小型机具等。喷涂聚脲弹性体喷射所需的专业机具必须具有平稳的物料输送系统、精确的物料计量系统、均匀的物料混合系统、良好的物料雾化系统及方便的物料清洗系统。长河坝水电站大坝心墙河床聚脲喷涂主要采用美国固瑞克GRACO/H-XP3喷射系统和AP喷枪。尽管聚脲弹性体具有较强的温度适应性，但宜将施工区域的环境温度控制在5 ℃～35 ℃为宜，混凝土表面温度不低于2 ℃，无粉尘影响，故聚脲喷涂作业应尽量选择在晴天、无大风时施工。

4.3 聚脲喷涂施工工艺

4.3.1 混凝土基面处理

混凝土的表层状态直接决定了聚脲涂层在其表面的附着能力，混凝土表面的水分、灰尘、油污、脱模剂、疏松层、水泥浮浆及混凝土的内部强度都会对涂层的附着力产生极大的影响，因此，必须对其表层进行处理。混凝土表面的缺陷孔、裂缝对喷涂后涂层的完整性有极大的影响，必须进行修补。新混凝土应在水化28 d、完全固化、干燥后进行聚脲施工。

打磨、喷砂：对混凝土表面进行打磨或喷砂，除去未清洁掉的水泥浮浆、表面疏松层、毛刺等一方面可以暴露出空洞，以便修补；另一方面也可以打磨出坚固的混凝土面，以保证聚脲基层的强度。

清洗表面污染：指清除混凝土表面的灰尘、油污、盐析、脱模剂。清洗的方法包括扫除、水洗、洗涤剂清洗和溶剂清洗。如果采用洗涤剂清洗，清洗后必须用清水将残留的洗涤剂冲洗干净。

修补：对于混凝土表面外露的钢筋头、表面的蜂窝、麻面、气泡密集区、错台、挂帘、表面缺陷、表面裂缝等缺陷应进行切割、打磨和修补处理，以保证聚脲喷涂基层面的平顺和致密。对缝宽在0.1 mm以上的裂缝进行化学灌浆处理。混凝土基面处理完毕，其表面应保持干燥、洁净。对混凝土表面的凹陷部位采用高渗透改性环氧防水与粘结双功能界面粘合剂胶砂体填补平整，待找平材料干燥后，应尽快涂刷底漆。

4.3.2 涂刷底漆涂料

底漆可封闭混凝土表面的毛细孔，减少喷涂后涂层的缺陷，并可增加聚脲涂层与混凝土基材的附着力，底漆施工6～24 h内可进行下一步喷涂施工。如果时间间隔超过24 h，在喷涂弹性层前一天应重新施工一道封闭底漆，然后再施工聚脲涂层。底层涂料应现配现用，严格按照使用说明书要求准确称量。

4.3.3 喷涂聚脲涂层的施工

喷射成膜机理是运用撞击混合原理，即活化性极高的A(异氰酸酯组分)、R(活性氢组分)组分别经由各自的抽料泵从料桶输送至主机进行计量、加压、升温，然后输送至喷枪，在高压驱动下相互撞击，经枪体混合室湍流混合、通过喷枪后雾化再均匀混合，在极短的适用期内将其喷涂在基面上，形成整体无缝的聚脲弹性体涂层。喷涂时，应按照满足设计指标要求的、预先设定的压力、温度等参数进行施工，喷涂雾化要均匀。喷枪最大压力可达到24 MPa，温度达到75 ℃。

(1)原料准备：检查A 、R 两组分的包装是否正常。由于R 组分含有颜料和助剂，因此，喷涂前应将R组分用电动搅拌器进行充分搅拌(20 ～30 min)。R组份应搅拌到颜色均匀一致，无浮色、无发花、无沉淀为止。

(2)喷涂：喷涂开枪时，应先在塑料布或干燥的混凝土表面进行5 ～ 10 s试喷，观察混合及雾化效果是否良好，涂层是否正常，然后开始喷涂。喷枪和底材之间要垂直，距离为300～800 mm。操作人员左右移动喷枪，边操作、边后退，喷枪走速要均匀，每一喷涂幅宽应盖上一喷涂幅宽的50%，喷涂厚度应保持一致。喷涂时，根据涂层厚度，每道涂层采用纵横交叉喷涂，下一遍喷涂方向与上一遍喷涂方向成垂直角度，平面喷涂4 mm厚的聚脲喷涂层一般需6～7遍完成。停枪时，应在非喷涂工程表面停枪(关枪时混合室内残余物料是由压缩空气或阀杆推出混合室，而不是高压流体，其混合效果也很差，极易造成鼓泡)。工程结束后，应将抽料泵放在有DOP 溶液的保护缸内，以免A料结晶固化。根据下次工程时间看是否需要对抽料泵、设备、管道进行清洗。一般来说，设备停用不超过一个月不用清洗，如果下次施工时间在一个月后则建议对设备进行冲洗封存。

涂层厚度要均匀，弹性层的喷涂间隔应小于3 h；如果超过3 h，应刷一道活化剂，30 min后(不宜超过2 h)再喷涂弹性层。喷涂后涂层的厚薄应均匀一致、平整美观。对于垂直面施工，应在平面施工要求的基础上每遍喷涂不能太厚，防止产生“流挂”。为达到表面均匀的效果，应通过喷枪、混合室、喷嘴的不同组合控制或通过控制喷枪的移动进行调整。在喷涂聚脲弹性层后24 h内采用SK手刮聚脲进行封边。

(3)表面加糙：为保证喷涂聚脲与高塑性粘土之间的接触渗透特性，对喷涂聚脲的表面应进行加糙。喷涂聚脲层外表面需加糙，加糙层不属于4 mm喷涂聚脲层厚范围。表面加糙的方法为将喷枪保持在光面聚脲涂层80～100 mm范围内

开枪，待聚脲雾气颗粒自由散落黏结在聚脲涂层的光面上，即为完成表面加糙工序。

(4)修补：对于有漏点和针孔的小面积涂层损坏或缺陷部位，只需对其用手工修补料进行修补；对于有漏涂、空鼓、大面积针孔或厚度不足等缺陷的涂层应进行重涂，重涂时，应通过喷砂或打磨等方法去除损坏和未固化的涂层，打磨范围应由涂层损坏范围向周围扩展5 ～ 10 cm；若原涂层粘结牢固且干燥、清洁，也可不必将原涂层去掉，但必须将损伤和松动的涂层去除，并将剩余涂层及裸露部位打毛，然后用同一涂料进行重涂。重涂的涂层应进行最终的质量检查。

4.3.4 质量控制与检测

每次施工要有详细的施工记录，包括施工时间、施工设备、施工环境、管道压力、加热温度、基层平整度、坚实程度、洁净程度。涂刷底漆前必须对凹凸部分进行打磨、填补，达到平整的效果。聚脲喷涂层应与基层粘结牢固，表面平整均匀，不得有流挂、堆积、折皱、鼓泡等现象。

外观检查采用目视检查涂层，涂层应均匀连续、无漏涂、无气泡、无开裂、无剥落、无划伤等缺陷。厚度检验可采用针测或切片。聚脲喷涂层的厚度应符合设计要求且均匀一致。每500 m2为一个厚度抽查单位，小于500 m2按500 m2计。每500 m2至少抽查2处。抽查位置随机选取且间距大于2 m。

5 结 语

室内试验和现场检测结果证明，喷涂聚脲弹性体工艺具有较好的适用性。喷涂聚脲防渗技术由于其具有快速喷射整体成膜、物理力学性能优异等特性，可有效地解决目前普通防渗卷材防渗方式存在的一些缺陷，能广泛用于水利工程的防渗、防水及病害处治中。