防护涂层在水利工程中的应用进展研究

周建云 周清勇

(1.江西省袁惠渠工程管理局，江西 新余 338000；2.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029)

水利工程在大土木领域有其独特的结构特性以及功能作用，长期复杂环境下的运行条件严重影响筑坝材料耐久性，尤其是混凝土筑坝材料，材料界面内存在大量孔隙，当外界有害离子通过孔隙进入材料内部孔道后，容易出现裂缝、渗漏、冻融破坏、冲刷、磨损和空蚀等问题，这些也是大体积混凝土结构的主要病害形式[1]。

特别在我国西北高寒地区，是多个重要水系的发源地，具有日夜温差大、严寒干燥、日照强紫外和深覆盖层冻土等恶劣环境条件，因此该区域的水工混凝土结构将面临严重冻融破坏，将加速溶蚀、冲刷和碳化等病害劣化进程。另外，我国的大江大河中通常含有大量泥沙，水利工程高速泄流时含沙水流以及推移质将对结构产生冲击摩擦与空蚀作用，磨损建筑材料从而影响结构安全，因此工程中泄水建筑物无法保障长效安全运行，需定期开展检修及加固[2]。

为有效提升混凝土材料耐久性，防止外界有害因素对材料的侵蚀，通常会在建设初期对结构表层喷涂防护材料，对已建工程出现劣化现象的结构则喷涂防护涂层进行及时有效的修补。本文从防护涂层材料性能研究和防护涂层工程应用研究两方面简要阐述了当前的研究成果，并展望了未来水工结构工程中防护涂层的发展方向。

1 涂层材料性能研究现状

1.1 抗冲耐磨

1.1.1 聚合物砂浆

聚合物在水泥砂浆表面成膜，填充砂浆中的孔隙，同时聚合物中的活性官能团将与水泥基中的基团发生化学反应，相比普通砂浆具有优越的黏结密实性能，抗渗防水性能显著提升。由于聚合物主要分乳液与树脂两类，因此防护砂浆主要是丙烯酸酯乳液砂浆和环氧树脂砂浆，其中丙烯酸酯乳液砂浆黏结强度高，抗裂性能好，但耐磨性能相比环氧树脂砂浆较弱；环氧树脂砂浆的抗汽蚀性能能够达到C40混凝土的6～8倍，耐磨性能突出，但黏度过大导致施工困难，且与混凝土线膨胀系数有较大差异，当温度变化时易导致防护涂层的空鼓、开裂和脱落。

1.1.2 喷涂弹性体

弹性体材料是由氨基化合物组分、羟基化合物组分与异氰酸酯组分反应而得到的，可分为聚氨酯、聚氨酯(脲)和聚脲，三者的应用领域和形式基本一致。从分子结构而言，聚氨酯与聚脲有相似之处，常用的双组分聚脲常常利用异氰酸根与羟基的反应进行预聚改性，导致分子中含有氨酯基结构。通常会将由异氰酸根与氨基反应后完成最终固化的材料称为聚脲材料，而将异氰酸根与羟基反应后完成最终固化的材料称为聚氨酯材料。聚脲材料的一大特点是其固化反应速度快，材料对于施工条件和施工环境适应性强，能够在任意形状的工作面上进行施工，施工效率高，具有较强的抗磨防腐性能，特别在潮湿表面作业时优势尤为明显，基本不会受到异氰酸酯与水反应生成二氧化碳的副反应影响而产生发泡现象[3]。但对喷涂设备要求过高，材料成本相比聚合物砂浆约提升2倍左右，目前主要通过研发环氧树脂类或改性环氧树脂类界面剂来提升聚脲弹性体与混凝土基材黏结强度以降低材料成本。同时有研究表明，涂层体系内的主要成膜物质对涂层材料的抗蚀耐磨性能影响较大，活性氢组分中端胺基聚醚和胺类扩链剂含量的增加将有效提升涂层的耐磨损性能。纯聚脲涂层相比聚脲与聚氨酯混合涂层具有更强的抗蚀耐磨性能，同时明显改善了冲蚀角的敏感性[4]。

1.1.3 抗冲耐磨涂料

涂料由成膜树脂、溶剂、固化剂、耐磨料及助剂组成，成膜树脂来源丰富且成本较低，其中环氧树脂与混凝土或金属的黏结性能强，具有较好的耐水、耐酸和耐碱性能，与其他树脂改性容易，因优点显著而应用广泛。目前新材料研究中采用纳米技术对树脂进行改性以提升涂层的综合性能，纳米粒子具有典型的表面效应与小尺寸效应，在与树脂复合过程中纳米粒子将填充于树脂分子结构起到充分的润滑作用，同时受到外力冲击时将出现微裂纹以吸收能量，达到增强韧性的效果。虽然新材料在多数领域已得到成功应用，但在水利工程泄水建筑物中推广应用时仍需注意纳米粒子的稳定分散性和纳米粒子与填料相容性这两方面问题。

1.2 冻融防护

冻融破坏是混凝土结构病害的另一个关键领域，其防护措施同样值得关注。

孙志恒等对6块抗冻等级较低的混凝土试块进行试验研究，其中3块试块未喷涂防护涂层，3块试块的三面喷涂聚脲涂层。试验结果显示，未喷涂防护涂层的3个试块表面出现了严重的冻融剥蚀现象，抗冻等级仅达到了F100；三面喷涂聚脲涂层的试块在喷涂部位未见冻融现象出现，且试验前后聚脲涂层与混凝土基材之间的黏结强度基本一致，但未喷涂一面则出现明显冻融剥蚀现象。通过试验结果可以判断，混凝土试块喷涂聚脲后，由于防护涂层的抗渗性能很好，阻止了水体与混凝土基材之间的接触，避免了混凝土内部形成冻结膨胀压力与渗透水压力等疲劳应力，能够较好地防止混凝土由表及里逐渐剥蚀的冻融现象[5]。

梁惠等分别选取抗拉强度10.91MPa的聚脲防护涂层材料、抗拉强度23.01MPa的耐候性环氧涂层材料和抗拉强度28.02MPa的不饱和聚酯树脂材料开展室内冻融试验，试验发现耐候性环氧涂层材料的黏结性能最好，黏聚力大于3.5MPa，而聚脲材料的抗冻性能最佳，经过300次冻融循环后仍能保持初始抗拉强度的88.89%，因此判断以环氧材料为底漆，面涂聚脲材料的防护涂层抗冻性能最佳，同时将研究成果应用于藏木水电站、丹江口水电站和满拉水库等现场性试验，结果表明能够达到初步抗冻效果[6]。

朱永斌等针对西北高寒地区大坝混凝土面板冻融破坏问题展开修复与防护的研究，采用单组分聚脲防水涂料和渗透型纳米氟硅涂料作为防护材料，采用高性能改性聚合物修补砂浆、特种高聚物修复材料以及弹性环氧腻子作为修复材料，并应用于新疆、河南等地区的七个水利工程修补防护案例中，取得了显著的修复和防护效果[7]。

2 工程应用进展研究

聚脲涂层优良的特性使其在防护领域具有极高的应用潜力。我国自1990年起在国防和工民建领域使用聚脲防护涂层，2002年左右首次引入水利水电工程领域[8]。最初的聚脲防护涂层采用双组分喷涂聚脲材料，该工艺具有喷涂后固化快的优点，能够在不同形式的工作面上喷涂几十毫米而不挂流，但在针对工程特点的抗冲防渗及耐久性试验研究中发现，双组分聚脲涂层与基础混凝土的黏结强度偏低，仅适用于流速小于5m/s的过水面或用于结构迎水面防渗，原因是该工艺在施工过程中易出现双组分混合不均匀的现象，降低了涂层与基础混凝土之间的黏结强度。针对双组分聚脲防护涂层的缺陷，中国水科院于2006年研发了SK单组分聚脲材料，材料无需现场混合，涂层均匀且与基础混凝土黏结强度高，能够适用于40m/s左右的高流速过水面，同时具有优良的耐久性。当前SK单组分聚脲涂层已应用于上百座水利水电工程，并入选了水利部《2015年度水利先进实用技术重点推广指导目录》。

小浪底水利枢纽2号排沙洞于2007年3月进行了刮涂单组分聚脲涂层现场试验，分别刮涂在伸缩缝、侧墙、排沙洞底板以及双组分聚脲涂层的破损部位。2号排沙洞从2007年6月20日开始过流，试验过流时长总计14天，其中经历了300余次流速达到40m/s的高速过流。试验结束后经现场检查，单组分聚脲涂层与混凝土基材之间黏结性能良好，伸缩缝、侧墙以及排沙洞底板部位的涂层表面均未发现磨损痕迹，防护涂层具有显著的抗冲磨效果，该试验验证了单组分聚脲涂层能够满足水利工程泄水结构薄层防护的抗冲磨要求[9]。

青海省尖扎县与化隆县交界处的李家峡水电站属于典型的高原大陆性气候，工程于2007年对左岸中孔底板混凝土裂缝进行单组分聚脲涂层防护，并对表面开展封闭试验，2008年现场检查中发现，底板混凝土裂缝表面位置的单组分聚脲涂层色彩光泽均无明显变化，涂层表面未见开裂现象，试验部位的裂缝均封闭良好，特别是伸缩缝表面同样未出现开裂。现场开展后续拉拔试验，结果表明破坏面均发生在混凝土材料内部，混凝土表层与单组分聚脲涂层的黏结性能始终保持良好[9]。

北疆地区多拉特碾压混凝土重力坝工程在表孔溢洪道混凝土表面部位喷涂SK单组分聚脲涂层进行表孔溢流面防护，以期提高溢流面过水安全性以及整体耐久性。防护涂层于2011年8月完工，经历2个严冬考验后，于2013年4月开展现场检查，检查结果表明SK单组分聚脲涂层对表孔溢流面混凝土表面部位的防护成效显著，防护涂层表面光泽与颜色无明显改变，涂层表面及伸缩缝部位同样未发现开裂现象[10]。

青岛书院水库的引水渠工程为混凝土和水泥砂浆复合结构，建于20世纪80年代，服役过程中受高速水流冲刷作用表面侵蚀磨损严重，并因地下水压作用出现多处的不均匀沉降、开裂和鼓起等病害现象，造成水资源不必要的浪费。工程采用喷涂聚脲防护涂层解决这一问题，经施工完毕运行检验后，涂层防渗防裂效果明显，减少水资源浪费量达到30%以上，同时聚脲材料的耐候性减少了后期的维养费用[11]。

虽然聚脲在国内水利工程中的研究应用起步较晚，但发展势头良好。除上述工程外仍有大量水利工程已采用防护涂层对工程进行保护。

长江水利委员会长江科学院、中国水利水电科学研究院和南京水利科学研究院等科研院所研制出的新型防护涂层材料，已成功应用于丹江口大坝迎水面和背水面防渗及抗老化防护、宜昌天福庙水电站坝顶泄洪道防护、汤渡河水库溢流面防护、尚家河溢流面表面防护、宝鸡峡渠首加坝加闸工程冲沙底孔闸墩及闸室墙体防渗、京密引水输水渠倒虹吸伸缩缝防渗、宝泉抽水蓄能电站副坝迎水面大面积防渗等工程防护中。

青岛某公司研制出了新型的单组分聚脲材料，已成功应用于深圳东江5号引水隧洞和观山渡槽、深圳龙茜引水PCP管承插接口、北京南水北调PCCP管承插接口、山西引黄北线PCCP管承插接口、贵州构皮滩水电站水垫塘、河北张家口清水河混凝土、云南云桥上库混凝土面板、河南宝泉抽水蓄能电站上库进水口混凝土面板及伸缩缝、云南梨园混凝土面板接缝、宝泉水电站混凝土副坝上游面、新疆吉林台混凝土面板、新疆温泉水电站面板、辽宁蒲石河抽水蓄能电站混凝土面板裂缝、辽宁双沟混凝土面板裂缝、青海龙羊峡水电站左右表孔溢洪道等工程防护。

中国建筑科学研究院有限公司建筑材料研究所研发出的新型单组分聚脲材料，能够有效处理水利工程中开裂渗漏问题，目前已应用于梨园大坝变形缝、新疆吉林台裂缝修补，新疆克拉苏克大坝溢洪道与消力池耐冲磨，新安江大坝、富春江大坝、南水北调北京段东干渠箱涵变形缝防渗，山西玉门口输水渡槽、北京凉水河分洪闸、北京二热分洪闸、北京十三陵抽水蓄能电站、白山电站等工程防护，其优异的力学特点及施工工艺在水利工程防护领域具有广阔的应用前景。

3 建 议

防护涂层在水利工程中已经得到广泛应用，有效改善了工程的冲刷磨损、冻融破坏以及渗漏灾害，为提升结构的服役寿命起到强力支撑，并为保障工程的安全运行提供积极作用。因此，未来水工防护涂层势必将继续深入发展，将重点在以下几个方向寻求新的突破：

a.关注防护涂层适应能力、外观设计和复杂条件下附着力等问题，加强相关助剂以及喷涂设备的改进研发，建立更完善的防护涂层体系。

b.重点研发新型纳米抗冲磨涂料，有效解决纳米粒子稳定分散性和纳米粒子与填料相容性的技术困难，充分发挥涂层材料的抗冲耐磨性能。

c.针对水利工程高水头下易在深水部位出现拉裂、伸缩缝开裂以及大面积渗漏等问题，在现有大坝防护涂层材料的基础上研发新型修补材料与修补技术，突破解决现有技术难题。

d.有效增强防护涂层性能的同时积极降低材料成本，并提升材料的环保标准，主动契合国家环境保护的战略方针。