SK手刮聚脲在西北高寒地区输调水工程的应用

胡普年

摘要：庄浪河渡槽是甘肃省引大入秦工程重点建筑物之一，地处西北高寒地区，经20多a的输水运行，出现混凝土冻融剥蚀破坏，钢筋锈蚀、裸露等病害缺陷。选择SK手刮聚脲作为防护材料进行适用性试验研究，针对SK手刮聚脲本体强度、抗冻防护性能、耐低温性能、抗冲磨及耐老化性能开展室内试验和现场工艺性试验研究，结果表明：SK手刮聚脲材料在高寒地区气候环境下，不仅表现出良好的综合力学性能、较强的抗冲磨能力，而且工艺简便。试验结束后，通过庄浪河渡槽3a的通水运行检验，SK手刮聚脲材料能够满足渡槽安全运行的要求，是目前西北寒冷地区水利工程混凝土表面缺陷较为理想的修补材料。

关键词：聚脲;高寒地区;输调水工程：庄浪河渡槽

中图分类号：TV68

文献标志码：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2019. 04.027

随着我国水利工程的发展，一批大型和特大型长距离输调水工程相继投入建设和运行。输调水工程运行距离长，建筑物类型多，运行条件复杂。特别在我国西北高寒地区，冬季与水接触的建筑物混凝土常因冻融而遭到破坏，表现为表面酥松、层状脱落、强度降低、钢筋锈蚀等，严重影响工程的安全运行及使用寿命。因此对混凝土衬砌进行表面防渗处理，是寒冷地区渠系建筑物安全运行和增强耐久性的重要手段。

引大人秦工程庄浪河渡槽位于甘肃省永登县境内，是引大人秦工程的重点建筑物之一。渡槽全长2 194.8 m，设计流量18.0 m/s.加大流量21.5 m/s.设计纵坡1/750.设计过水断面为2.8 mx3.3 m的矩形槽。冬季最低环境温度达-35℃，渡槽自1994年建成投入运行至今已有20多a.受外界环境及工程运行影响，渡槽槽身（底板）混凝土存在表层剥蚀破坏严重，槽身侧墙钢筋锈蚀、裸露等病害缺陷。病害的存在影响渡槽的结构安全和耐久性，给渡槽的安全运行带来极大隐患，亟需进行除险加固。

1 试验方案

庄浪河渡槽地处西北高寒地区，紫外线照射强烈，因此选用的防护材料必须适用于高寒地区的环境，根据技术调研和参考相关工程，选择SK手刮聚脲作为防护试验材料。根据水工建筑物冻融破坏机制及破坏形式，结合庄浪河渡槽现状及当地气候环境，试验分为室内试验和现场工艺性试验。室内试验主要针对SK手刮聚脲本体强度、抗冻防护性能、耐低温性能、抗冲磨及耐老化性能进行研究。为验证材料的适用性，选择具有代表性的3个跨段，开展SK手刮聚脲现场工艺性试验研究，根据试验结果，确定庄浪河渡槽修补加固技术方案。

2 材料特性

SK手刮聚脲主要由含多异氰酸酯-NCO的小分子或高分子的A组分与含有2个或2个以上端氨基的高分子或低分子组合物R组分组成。A组分和R组分混合后迅速反应生成聚脲。化学封闭R组分的端氨基，在隔绝空气和水分的条件下稳定;与空气接触，发生反应生成多元胺，并继续与异氰酸酯-NCO反应生成单组分聚脲[1]。

SK手刮聚脲的特征：可以任意厚度成膜，能有效提高施工效率并避免施工错误;不含增塑剂、白油和粉料，对混凝土或大多数基材都有良好附着力;耐久性强，一般情况下材料有15-20 a的使用寿命：在阳光下暴露，其耐久性在20 a以上。

3 室内试验研究

3.1 抗拉强度性能试验

为了测试材料的抗拉强度，采用拉伸试验机进行拉伸性能试验。参照《建筑防水涂料试验方法》（GB/T 16777-2008）进行聚脲涂膜的制备和试验，试验结果见表1。

3.2 低温条件下的力学性能

采用高低温电子万能试验机测试SK手刮聚脲在低温环境下的力学性能，分别在-23、-45℃条件下进行拉伸强度、拉断伸长率检测。-23℃条件下，拉伸强度、拉断伸长率分别为17.3 MPa、384%;-45℃条件下，拉伸强度、拉断伸长率分别为35.2 MPa、144%。

3.3 低温条件下黏结强度试验

低温条件下SK手刮聚脲与混凝土的黏结性能是评价整个防护体系是否安全的关键，在室温及低温下SK手刮聚脲与混凝土的黏结强度试验结果见表2。

3.4 对混凝土抗冻性能的影响

为测试材料对混凝土抗冻性能的影响，采用混凝土快速冻融试验机进行冻融试验。通过测试冻融循环前后SK手刮聚脲与混凝土的拉拔黏结强度，检测该材料的抗冻性以及对混凝土的防护作用。冻融前拉拔黏结强度与冻融300次后拉拔黏结强度对比见表3。

3.5 抗冲磨性能试验

水工混凝土的冲磨试验普遍采用《水工混凝土试验规程》（ SL 352-2006）推荐的圆环法和水下钢球法。在同等试验条件下，与抗压强度为69.9 MPa的C50混凝土相比，SK手刮聚脲的抗冲磨性能非常优异，在同等试验条件下仅有少量磨损，见表4。

3.6 耐老化性能试验

通过氙灯人工加速老化试验检测材料的光稳定性和抗老化性，结果见表5。从表5可以看出，加速老化试验1 869 h后.SK手刮聚脲老化后强度仅降低了18%，拉断伸长率从364%降低到了339%，性能变化率最大仅为8%。

从图1可以看出，拉伸强度开始下降较快.500 h后趋于稳定。从图2可以看出，拉断伸长率开始下降较快，1 000 h后趋于稳定。从材料表面变化情况来看，材料老化主要发生在表层。

3.7 试验结果分析

SK手刮聚脲涂层材料具有良好的拉伸性能和变形能力，平均拉伸强度达18.21 MPa，极限拉伸伸长率大于300%，能够较好适应于混凝土裂缝、伸缩缝等部位的防护要求。SK手刮聚脲在低温环境下仍具有良好性能。SK手刮聚脲与混凝土的黏结性能优良，冻融循环300次前后拉拔黏结强度均大于3 MPa，说明SK手刮聚脲具有较好的抗冻性。SK手刮聚脲抗冲磨强度是C50混凝土材料的100倍以上。氙灯加速老化试验1869 h后，SK手刮聚脲老化后强度仅降低18%，拉断伸长率从364%降低到33go-/o.最大仅降低8%.强度仍达到14.0 MPa.伸长率大于300%，说明SK手刮聚脲具有优异的抗老化性能。

4 现场工艺性试验研究

根据现场条件，选取渡槽的35#、41#、56#三跨进行现场试验，主要对底板及侧墙混凝土50 cm高度范围内进行剥蚀修复及表面涂层防护处理。采用聚合物砂浆对槽身底板混凝土剥蚀或局部冲蚀破坏的区域进行修复：对于基面比较完整，没有发生冻融破坏的混凝土表面，进行打磨清洗，对小的孔洞进行封闭;对渡槽底板及侧墙高度50 cm范围内刮涂2 mm厚SK手刮聚脲进行整体表面防护处理。现场试验步骤：试验区域剥蚀混凝土表面凿毛→聚合物砂浆修补→基面打磨清洗处理→涂刷专用界面剂→涂刷防护材料至设计厚度→防护材料黏结性能检测→试验效果分析评价。

涂刷防护材料3个月后，采用TJIO型碳纤维黏结强度检测仪进行SK手刮聚脲涂层的黏结强度现场测试，检测结果见表6。从表6可以看出，SK手刮聚脲与渡槽混凝土黏结效果良好，黏结强度均不小于2.5 MPa。

综合室内试验及现场工艺性试验结果，SK手刮聚脲具有优异的力学性能和耐低温性能，适用于西北高寒地区水利工程混凝土表面缺陷的修复防护处理。

5 结语

甘肅省引大人秦工程地处西北高寒地区，运行环境复杂，工程运行多年后，类似庄浪河渡槽的工程病害问题较为普遍，室内外试验研究表明，SK手刮聚脲材料在高寒地区气候环境下，不仅表现出良好的综合力学性能、较强的抗冲磨能力，而且施工工艺简便。试验结束后，通过庄浪河渡槽3a的通水运行检验.SK手刮聚脲材料能够满足渡槽安全运行的要求，是目前西北寒冷地区水利工程混凝土表面缺陷较为理想的修补材料，在高寒地区水利工程病害治理方面具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]孙志恒，夏世法，付颖千，等，单组分聚脲在水利水电工程中的应用前景[ C]//水电混凝土建筑物评估与修补，北京：海洋出版社，2007：228-231.

【责任编辑吕艳梅】