聚脲材料在丰满水电站重建工程中的应用

薛建峰，姚宝永，常昊天

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.中国水利水电建设工程咨询北京有限公司，北京 100024)

丰满水电站重建工程是在原丰满老坝下游120m处新建一座大坝，恢复原电站功能和任务，不改变水库特征水位。电站枢纽由拦河坝、泄洪消能、引水发电过鱼设施等建筑物和保留的原三期电站组成。新建大坝为碾压混凝土重力坝，坝长1068m，最大坝高94.5m。电站地处我国东北地区，昼夜温差大、冰冻周期长，多年平均气温为5.7℃，极端最高气温为37.9℃，极端最低气温为-39.9℃〔1〕，运行条件极其恶劣。特别是混凝土裂隙渗水以及表面含水低温结冰后会发生冻胀，极易损伤混凝土表面，甚至造成大体积混凝土局部冻融破坏；此外当坝体内外温差较大时，如果保温措施不到位可能会发生坝体开裂等一系列问题。因此，有必要对大坝等水工建筑物的重要部位表面采取一定的防护措施。

聚脲材料具有抗冲磨性高、防渗性能好、耐腐蚀性强以及优异的综合力学性能，在国防工程、工民建工程、汽车制造等领域应用广泛。特别是作为一种新型无污染、无溶剂的绿色施工技术的喷涂聚脲弹性体技术，在解决处理水利水电工程中的抗腐蚀、冲磨以及防渗等方面具有很大的优势〔2〕。根据温控和耐久性要求，丰满水电站重建工程在大坝上游面、进水口流道、溢洪道、厂房屋顶等不同部位应用不同聚脲材料达到辅助防渗及劣化保护的目的；采用“防冰拔聚脲涂层+发泡聚氨酯”对大坝上游面进行保温防护；使用聚脲胶泥和聚脲砂浆对混凝土表面缺陷进行修补。

1 聚脲材料分类及其适用性

聚脲是异氰酸酯组分和氨基化合物组分反应生成的一种弹性体物质。

从发展轨迹上看，聚脲材料主要分为芳香族聚脲、常规脂肪族聚脲和聚天门冬氨酸酯聚脲。芳香族聚脲是最早开发、应用最广泛的聚脲，其主要特点包括凝胶时间短、不会产生流挂、综合力学性能优异、抗冲磨性较高、防渗性能好、耐腐蚀性强、具有很好的附着力(可与多种底材黏结)、使用专业设备进行大面积快速施工、紫外线下易变黄、易污染不喷涂区域等。为了得到具备合理反应速度、理想施工时间的聚脲材料，脂肪族聚脲和聚天门冬氨酸酯聚脲应运而生。特别是聚天门冬氨酸酯聚脲具有慢反应特性、对紫外线有很好的耐受性，色彩稳定、不泛黄，抵抗环境侵蚀能力强，可低温固化，应用前景十分广阔〔3〕。

从施工工艺上看，聚脲材料通常分为喷涂聚脲和涂刷聚脲。对于水工混凝土建筑物来说，涂刷聚脲施工简便、开桶即用、成本较高；喷涂聚脲施工快速、成本低，宜用于大面积施工〔4〕。

2 工程应用

2.1 混凝土表面防护

根据聚脲材料分类特性和经济比选，在丰满水电站重建工程大坝挡水坝段上游面、发电厂房屋顶、主变油池等无水流冲刷部位采用2mm厚双组分喷涂聚脲进行表面防护；在大坝厂房坝段上游面、进水口、闸门槽、通风竖井等长期水流冲刷的部位，采用聚天门冬氨酸酯涂刷聚脲材料进行了防护，防护总面积约12000m2；在溢洪道门槽上游面高速水流冲刷区采用单组分涂刷聚脲进行混凝土表面保护。

双组分喷涂聚脲为高温碰撞反应，瞬间成膜，因此对施工基面及施工环境要求相对较高。在施工过程中，基面必须干燥清洁，无孔洞；需控制好喷涂压力、速度和角度，确保施工厚度均匀；做好基面防护，保证喷涂以外区域不被污染；基面温度大于露点温度5℃以上。

对于涂刷聚脲，需确保聚脲与基面黏接良好，防止发生鼓包、分层等问题。在施工过程中，必须对基面进行仔细打磨清洗，并采用环氧胶泥对混凝土表面局部缺陷和孔洞进行封堵；界面剂涂覆要求薄而均匀；待底涂界面剂指触表干后，刮涂聚脲胶泥，保证涂刷聚脲前基面平整无气孔；聚脲分层涂刷直至厚度达到设计要求，后续涂层应在前一道涂层表面干燥后进行。

2.2 大坝上游面保温防护

根据坝体温度控制的需要，丰满水电站重建工程大坝上游面需喷涂发泡聚氨酯进行保温。冬季库区冰层最大厚度可达0.8m以上，当冰层与混凝土聚氨酯保温层黏接在一起时，随着库水位变动，厚冰层会对聚氨酯保温层产生拉拔、推动、撞击现象，进而造成保温层拉拔破坏。因此，采用直接涂刷“聚脲+氟改性聚脲面漆”(称作防冰拔涂层)的方式对聚氨酯保护层进行防冰拔保护。

为保证防冰拔涂层与基面聚氨酯保温层之间的有效结合，在施工过程中需注意基面打磨的平整度；涂刷防冰拔涂层要控制涂层材料的黏度，分层涂刷，保证材料与聚氨酯保温层之间的充分浸润；涂刷过程中，作业面不得被水、灰尘及杂物污染。

2.3 聚脲胶泥与聚脲砂浆应用

传统水工混凝土表面缺陷通常采用环氧砂浆和环氧胶泥进行修补。环氧类材料与基材黏接力好、强度高，但由于其刚性特点，受温度变化影响易开裂。

双组分聚脲胶泥是在双组分涂刷聚脲材料的基础上，通过添加部分填料和助剂，调整聚脲材料的黏稠度和抗流挂性能，使其满足厚涂要求的一种柔性腻子材料，其仍具有聚脲材料所特有的力学性能和耐候能力，柔韧性好，与基面附着力强，适用于水工混凝土建筑物的各类表面防护处理。丰满水电站重建工程使用聚脲胶泥对进水口流道部位表面气孔进行了修补，取得良好效果。

双组分聚脲砂浆是在双组分涂刷聚脲材料的基础上，添加部分石英砂混合而成的高韧性抗冲磨聚脲砂浆。丰满水电站重建工程泄洪兼导流洞出口扩散段，泄洪后在气蚀作用下混凝土表面破损，2017年汛后在冲刷破损部位采用聚脲砂浆进行了修补，2018年泄洪后经40余天检查，聚脲砂浆修补部位未见破损，效果良好。

3 结语

丰满水电站重建工程采用双组分喷涂聚脲、单组分涂刷聚脲、聚天门冬氨酸酯涂刷聚脲等不同类型的聚脲材料对不同部位混凝土表面进行防护；在大坝上游冬季水位变化区聚氨酯保温层表面采用“聚脲+氟改性聚脲面漆”进行防冰拔处理。大坝蓄水后渗漏量观测表明，聚脲防护效果良好。

聚脲材料在丰满水电站重建工程的成功应用表明不同种类的聚脲材料应根据使用条件的不同进行选择：双组分喷涂聚脲施工快速、成本低、柔性好，适用于迎水面大面积的辅助防渗；聚天门冬氨酸脂聚脲物理力学优异、耐候性好、与混凝土底材黏接可靠，可应用于水流冲刷、有抗冻蚀要求等混凝土表面防护；聚脲胶泥和聚脲砂浆可应用于混凝土过流表面缺陷处理。