南水北调中线浙川段高填方渠段新型聚脲结构缝修补材料研究

邝亚力，韩 炜，景 锋，邵晓妹，李 珍，汪在芹

(长江科学院a.材料与结构所；b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c.国家大坝安全工程技术研究中心；d.长江工程技术公司,武汉 430010)

南水北调中线浙川段高填方渠段新型聚脲结构缝修补材料研究

邝亚力a，b，c，韩 炜b，c，d，景 锋b，c，d，邵晓妹b，c，d，李 珍b，c，d，汪在芹b，c

(长江科学院a.材料与结构所；b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c.国家大坝安全工程技术研究中心；d.长江工程技术公司,武汉 430010)

为了加强南水北调中线一期工程总干渠未实施防渗墙、土工膜加厚等加强措施的高填方渠段止水功能,需在渠坡和渠底衬砌板混凝土结构缝处涂抹聚脲材料进行止水。所用聚脲材料不仅要与混凝土粘接良好,还应能够适应结构缝伸缩应变。试验选取长江科学院长江工程技术公司研所发的CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统,在淅川六标段渠坡的结构缝(通缝)处进行试验,经过3个月的现场应用与试验,效果良好,能够满足该渠段输水的安全运行。

南水北调；高填方渠；裂缝；聚脲；修补材料；慢反应

2015,32(11):99-101,109

1 研究背景

南水北调中线一期工程总干渠部分需采取加强安全措施的高填方渠道已按原设计完成土工膜铺设和混凝土衬砌施工,但无法实施防渗墙、土工膜加厚等加强措施。为了提高止水防渗效果,需要在洪水综合影响等级高的渠段的渠坡和渠底衬砌板结构缝处(通缝和半缝)涂覆聚脲材料进行止水。

工程现场环境对聚脲材料性能的具体要求体现在以下几个方面:①由于地处北方,昼夜温差大,渠坡和渠底衬砌板结构缝宽度会随气温进行变化,需要聚脲材料具有裂缝伸缩适应功能；②需要聚脲材料能够与混凝土结合牢固,才能保证其适应裂缝宽度变化时,不会发生脱落而失去止水效果；③由于南水北调工程输水用于民用,聚脲材料不能够对水有污染,因此要求材料具有优异的环保性能。

针对以上工程要求,长江科学院长江工程技术公司特别研发出CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统,并在淅川六标段渠坡结构缝处(通缝)进行试验,经过近3个月的现场应用试验,效果良好。

2 材料选择

聚脲弹性体(Polyurea elastomer)技术是国外近10年来继高固体分涂料、水性涂料、辐射固化涂料、粉末涂料等低(无)污染涂装技术之后为适应环保需求而研制、开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术。聚脲弹性体材料集塑料、橡胶、涂料、玻璃钢多种功能于一身,全面突破了传统环保型涂装技术的局限,比较适合作为混凝土裂缝修补涂层材料[1-10]。

CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统是长江科学院长江工程技术公司自主研发的新型功能性材料,是以脂肪族聚脲原料为基材,通过添加纳米材料以及各种助剂制备的纳米复合材料,具有优异的强度、韧性、黏结性、耐久性以及环保性能。由于其慢反应的特性,使树脂基体能够对混凝土进行充分浸润,从而与混凝土结合牢固。此外材料具有灵活多变的施工方式,不仅可以滚涂也可进行涂刮、喷涂施工,以适应不同的施工环境。

CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统性能如表1至表3所示。

由表1和表2分析可知,CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统底层材料具有优异的拉伸强度、黏接性能以及较好的拉伸形变性能,因此底层材料可以提供优异的黏接性和抗裂性能。而面层材料具有优异的拉伸形变能力,对裂缝特别是伸缩缝具有很好的修补效果。此外,抗渗压力、渗透压力对比数据表明材料具有优良的抗渗性能；碳化深度、抗冻融性能显示了材料对混凝土的耐久性保护效果显著。

表2 CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统面层材料主要性能指标Table 2 Main properties of material system CW680 used in surface layer

表3 CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统环保性能指标*Table 3 Environmental performance properties of novel slow reacting polyurea

3 工程现场应用试验研究

在南水北调中线一期工程总干渠淅川段高填方渠段六标渠坡某结构缝处(通缝)进行现场工程试验,现场照片如图1所示。施工工艺:①基层混凝土表面处理；②CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统底层材料配制及涂覆；③CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统面层材料配制及涂覆；④CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统自然养护。裂缝修补后照片如图2所示。

图1 现场试验所需修补的结构缝Fig.1 Stuctural joint in the project site

图2 CW680材料系统修补结构缝后情况Fig.2 Structural joint repaired by CW680 material

由于试验地点在河南淅川段,且正值4月份,早晚温差大,因温度变化引起结构裂缝的伸缩,导致中午和晚上的裂缝宽度发生明显变化。CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统因具有良好地粘接性和拉伸形变,因此能够较好地适应裂缝的宽度变化,起到了优异的修补效果。图3(a)是中午温度较高时, CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统随着裂缝宽度的变化而产生形变的照片；图3(b)是傍晚温度较低时,CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统随裂缝宽度变化而恢复原样的照片。可见,CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统具有较强的伸缩缝修补能力,能够适应裂缝宽度的形变,并且与混凝土结合牢固,从而起到较好的防渗止水效果。

图3 现场试验日不同温度时CW680材料系统适应裂缝形变Fig.3 CW680 material adapting to the deformation of structural joint of in-situ experiments under different temperatures

经过近3个月的现场试验,CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统仍能够保持随裂缝宽度变化而形变的特性,并且材料本身并没有受到现场环境(阳光、温度、湿度)的影响,外观崭新美观没有任何变化,具体情况如图4所示。可见材料现场试验初具成效。

图4 现场试验3个月后CW680材料系统适应裂缝形变Fig.4 CW680 material adapting to the deformation of structural joint after three months

南水北调中线工程通水运行2个月后,CW680聚脲材料起到了较好的止水效果,保证了输水渠道的安全运行。如图5所示。具体效果仍需南水北调工程正式运行较长时间以后的观测评价结果而定。

图5 工程运行中的CW680材料系统Fig.5 CW680 material during project operation

4 结 论

根据工程现场实际需要,长江科学院长江工程技术公司特别研制出CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统,对南水北调中线一期工程总干渠淅川段高填方渠段结构缝进行修补试验研究。

(1)CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统具有优异的粘接性和裂缝修补能力,以及抗渗性能和耐久性能。

(2)3个月的现场试验表明,CW680新型慢反应聚脲裂缝修补材料系统对渠坡结构缝的修补初具成效。南水北调中线工程正式通水运行2月后, CW680聚脲材料起到了较好的止水效果,保证了输水渠道的安全运行。

[1]黄微波.喷涂聚脲弹性体技术概况[J].上海涂料,2006, 44(1):29-31.(HUANG Wei-bo.A Survey of Spraying Polyurea Elastomer Technology[J].Shanghai Coatings, 2006,44(1):29-31.(in Chinese))

[2]崔绍波,卢中远,刘德春.界面聚合技术及其应用研究进展[J].化工进展,2006,25(1):47-50.(CUI Shao-bo, LU Zhong-yuan,LIU De-chun,Interfacial Polymerization and Its Applications[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2006,25(1):47-50.(in Chinese))

[3]冯 菁,韩 炜,李 珍.新型聚脲混凝土保护材料开发及工程应用研究[J].长江科学院院报,2012,29(2): 64-67.(FENG Jing,HAN Wei,LI Zhen,et al.Aliphatic Polyurea Coating Materials Based on Novel Polyaspartic Ester:Preparation and Application[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2012,29(2):64-67. (in Chinese))

[4]魏 涛,廖灵敏,韩 炜,等.CW系列混凝土表面保护修补材料研究与应用[J].长江科学院院报,2011, 28(10):175-179.(WEI Tao,LIAO Ling-min,HAN Wei,et al.Study and Application of CW Series Concrete Surface Protection and Patching Materials[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2011,28 (10):175-179.(in Chinese))

[5]韩 炜,杜 科,李 珍,等.大坝混凝土裂缝修补材料的制研究[J].人民长江,2011,42(10):80-82.(HAN Wei,DU Ke,LI Zhen,et al.Preparation and Study of Patching Materials for Dam Concrete Crack[J].Yangtze River, 2011,42(10):80-82.(in Chinese))

[6]SCOTT R.Effects of Secondary Diamine Content in Spray Polyurea Coating Systems[C]//Polyurea Development Association.Proceedings of the 2nd PDA Annual Conference Meeting.Orlando,Florida,November 28-30,2001:1-23.

[7]YLLGOR E,YLLGOR J,YURTSEVER E.Hydrogen Bonding and Polyurethane Morphology(I):Quantum Mechanical Calculations of Hydrogen Bond Energies and Vibrational Spectroscopy of Model Compounds[J].Polymer, 2002,43(24):6551-6559.

[8]DANIELMEIER K,BRITSCH C M,GERTZMANN R,et al.Polyaspartate Resins with Good Hardness and Flexibility:United States,US 2004/0063894 A1[P].2004-04-01.

[9]SHETH J P,KLINEDINST D B,WILKES G L,et al. Role of Chain Symmetry and Hydrogen Bonding in Segmented Copolymers with Monodisperse hard Segments[J].Polymer,2005,46(18):7317-7322.

[10]张加美.水利水电工程手册[K].北京:中国水利水电出版社,1998.(ZHANG Jia-mei.Manual of Water Conservancy and Hydropower[K].Beijing:China Water Power Press,1998.(in Chinese))

(编辑:曾小汉)

Application of Novel Polyurea Crack Repair Material in High Fill Canal in Middle Route of South-to-North Water Diversion Project at Xichuan County

KUANG Ya-li1,2,3,HAN Wei2,3,4,JING Feng2,3,4,SHAO Xiao-mei2,3,4,LI Zhen2,3,4,WANG Zai-qin2,3
(1.Materials and Structure Department,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China；2.Research Center of Water Engineering Safety and Disease Control Engineering Technology under Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China；3.National Engineering Technology Research Center of Dam Safety,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China；4.Changjiang River Engineering Technology Company,Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China；)

In middle route and first stage of South-to-North water diversion project,several high fill sections of main channel were not implemented reinforcing measures such as anti-seepage wall and geomembrane thickening.For the purpose of strengthening waterproof function of these segments,a new polyurea material was used on the structural joint surface of canal slope and bottom.The polyurea material should have good adaptability of temperature deformation for structural joint and good bonding properties for concrete,so the crack repair material system CW680 of novel slow reacting polyurea developed by Changjiang River Engineering Technology Company was applied to repair structural joint of the sixth segment of the canal at Xichuan county in Henan province.Through experiment for 3 months,the waterproof ability of the novel material is testified to be good,and safety operation of the canal can be guaranteed by using the repair material.

South-to-North water diversion project；high fill canal；crack；polyurea；rapair material；slow reaction

TV44

A

1001-5485(2015)11-0099-03

10.11988/ckyyb.20141018

2014-12-05；

2015-01-30

长江科学院研转基金(CKZS2014015/CF)

邝亚力(1962-),男,湖南郴州人,高级工程师,研究方向为水工建筑材料,(电话)027-82829532(电子信箱)512038669@qq.com。

韩 炜(1976-),男,河南新乡人,教授级高级工程师,博士后,研究方向为水工新型材料及纳米复合材料,(电话)027-82829532(电子信箱)will_ecust@163.com。