官地水电站大坝溢流表面聚脲抗冲耐磨弹性体涂层施工工艺试验研究

官地水电站大坝溢流表面聚脲抗冲耐磨弹性体涂层施工工艺试验研究

34莫志财，孙岩丽．官地水电站大坝溢流表面聚脲抗冲耐磨弹性体涂层施工工艺试验研究文章编号：1006-2610(2011)06—oo34—O6官地水电站大坝溢流表面聚脲抗冲耐磨弹性体涂层施工工艺试验研究莫志财，孙岩丽(中国水利水电第四工程局有限公司，西宁810000)摘要：高速含沙水流对水工混凝土建筑物过流面形成强大的冲刷磨损、空蚀作用是水工泄流建筑物如溢流坝、泄洪洞(槽)、泄水闸等常见的病害因此历来备受重视。文章就新一代高性能聚脲抗冲磨弹性体材料对水工泄流建筑物的抗裂性、抗冲磨能力和快速易施工性i以及适合复杂环境下的施工工艺，结合现场试验进行了探讨，对于当前及今后兴建高水头水工泄洪建筑物表面抗冲刷层和耐磨蚀层防护具有重大意义。关键词：抗冲耐磨蚀聚脲弹性体；工艺试验}溢流面；官地水电站中图分类号：TV4；2文献标识码：AResearchonconstructiontechniqueofanti——erosionandabrasion-resistantpolyureaelastromercoatingondamoverflowsurfaceofGongdihydropowerstationMOZhi—cai，SUNYan—li(SinohydroEngineeringBureau4，Xining810000，China)Abstract：Theerosion，abrasionandcavitationtoflowsurfaceofhydraulicconcretestructuresduetohighspeedsediment-ladenflowarethecommondiseasesinhydraulicoutletstructuressuchasoverflowweir，spillwaytunnel(trough)andsluicinggate．Soithasalwaysbeentakenseriously．Basedonsitetests，thepaperdiscussesthenewgenerationofhigh-performancepolyureaanti-erosionelastromermaterialappliedinhydraulicoutletstructurestoresistcracksanderosion，andtheirconstructiontechniquesuitableforcomplicatedenvi—ronment，whichisofgreatsignificancetotheconstructionofanti-erosionandabrasion-resistantlayersonthesurfacesofhighheadhy—draulicspillwaystructuresatpresentandinthefuture．Keywords：anti—erosionandabrasionresistance；polyureaelastromer；techniquetest；ovelflowsurface；GuandihydropowerstationTLTL口底高程1240．0In，孔口尺寸5mx8In；溢流坝1工程概况段和中孔坝段沿坝轴线长为131m，溢流坝段下游接雅砻江官地水电站工程等级为一等，水库正常蓄消力池。官地水电站大坝剖面图如图1。水位1330．00in，死水位1328．00m，总库容7．6亿(1)大坝溢流面抗冲耐磨层设计in，属日调节水库。大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶水力学试验_l表明大坝溢流表孔及中孔泄流高程1334．00in，最低建基面高程1166in，最大坝高时最高流速达40—50m／s，高速水流对溢流面混凝168．0m，坝顶轴线长516m；整个坝体共24个坝段，土形成很强的冲刷磨损、空蚀作用，尤其是当高速水从左至右由左岸挡水坝1～9号坝段、左中孑L10号坝流中夹带着悬移质或推移质时，溢流面(特别是溢段、溢流坝11～14号坝段、右中孔15号坝段和右岸流面反弧段)混凝土遭受的冲磨、空蚀就更为严重。挡水坝16～24号坝段组成；溢流坝段布置5孔溢流根据目前已建类似工程，高速含沙水流对水工表孔，每孔净宽15m，溢流堰顶高程1311m；放空中混凝土建筑物过流面形成强大的冲刷磨损、空蚀作用，是水工泄流建筑物如溢流坝、泄洪洞(槽)、泄水收稿日期：2011-09—14闸等常见的病害。为此官地水电站经过反复室内试作者简介：莫志财(1973")，男，工程师，青海省互助县人，主要验，多方案比较，最终确定在溢流表面采用C50抗从事水利水电施工技术工作．冲耐磨混凝土的同时，在溢流面反弧段表面喷涂聚n西北水电·2011年·第6期35图1官地水电站大坝剖面图单位：m脲抗冲耐磨弹性体材料，以增强溢流表面抗冲磨、抗特点，实现了双组分快速混合、喷出，快速反应固化空蚀的能力。成型的一体化过程，可用于金属、混凝土表面的防(2)聚脲抗冲耐磨弹性体材料腐、防侵蚀、抗冲磨防护处理。聚脲抗冲耐磨蚀弹性体材料是由A组份为端2试验目的NCO基团的半预聚体，B组份由端氨基聚醚、胺类扩链基和助剂等组成的双组份弹性体材料，具有超官地水电站大坝溢流面聚脲抗冲耐磨弹性体防高强度、硬度与弹性、并具有优异的抗气蚀、耐剥蚀、护层，从第2道掺气坎(坝+071．87m)至溢流跌坎抗冲刷以及耐磨蚀性能。(坝+129．874m)及其两侧边墙3．0m高度范围，防其本体拉伸强度可达20MPa以上，扯断伸长率护区域轴线宽度101m，曲面长度86．2m，防护面积大于380％，撕裂强度大于50kN／m，抗冲磨强度如达到8706．2m。在国内外水工泄流建筑物大面积表1所示，约为C60硅粉混凝土的15倍以上，高速采用聚脲抗冲耐磨弹性体防护材料尚属首列，故为水流(达40m／s)冲刷无脱落，适用于水利水电工程确保大面积聚脲抗冲耐磨弹性体喷涂施工质量，进混凝土表面抗磨损、防渗和防腐等领域J。一步确定适合现场条件的施工工艺参数，进行现场表1高泥沙流冲刷下高·陛能混凝土聚脲试样耐磨蚀数据小面积施工试验。溢流面聚脲抗冲耐磨弹性体防护层喷涂区域及设计厚度如表2。表2溢流面聚脲抗冲耐磨弹陛体防护层喷涂区域及设计厚度表喷涂聚脲弹性体技术融合了聚脲树脂的反应特点和反应注射成型技术的快速混合、快速成型工艺n36莫志财，孙岩丽．官地水电站大坝溢流表面聚脲抗冲耐磨弹性体涂层施工工艺试验研究QTECH一112全天候基层处理系统，A，B双组份，共3现场施工试验计40kg；另外还有QTECH专用立面修补腻子，共计3．1试验段聚脲施工方案2Okg。手刮聚脲为sK抗冲磨型，共计50。针对官地水电站环境气候特点(主要针对雨聚脲施工主要设备如表3所示。季)、溢流面反弧段施工复杂性，结合大面积施工需表3聚脲施工主要设备表求，安排了包括喷涂施工工艺、手刮施工工艺、模拟下雨环境下的聚脲喷涂施工、模拟2次聚脲施工搭接、聚脲破损处快速修复工艺5方面试验。试验段选择在具备施工条件的溢流跌坎与消力池结合段进行，具体施工区域划分如图2所示，其中喷涂为25In，刮涂区为161TI。3．3喷涂施工3．3．1工艺流程喷涂聚脲抗冲耐磨防护层施工工艺流程为：基面处理一底涂(界面剂)一喷涂聚脲一检查修补一验收。图2施工区域划分图抗冲耐磨涂层构造如图4。3．2施工准备l‘I1¨月一配套纂屡处理层3．2．1施工现场环境测试一C50摭冲耐磨混凝土基层根据现场环境划定施工区域，从3月27日至4r月1日每天中每隔一定时间对环境的温湿度、基材曩麓≯■一≯毒囊童≥≥曩■温度、基材含水率测试。现场环境温湿度曲线如图3(3月27日—4月113平均值)。图4抗冲耐磨涂层构造图3．3．2基面处理基面处理分为基材表面清洁处理和基材修补处理2个过程。(1)基材表面清洁处理试验段混凝土表面清理，首先选用混凝土冲磨枪，高压水进行冲洗清理，但在清理过程中，发现高压水清理过的混凝土表面清洁、基面强度较高，还有比较均匀的纹理，但对混凝土基面创面严重，并且处理后的基面比较潮湿，对下一道修补工序带来困难。为此试验过程中，改用手持式电动角磨机进行图3环境温湿度曲线图打磨清理，角磨机清理可以清除混凝土表面的凸起，由图3可以看到，环境最高温度出现在l4：00浮浆、灰尘以及表面附着物，处理之后的混凝土基面前后，地面最高温度可以高达36℃左右，而此时环比较平整，同时具有一定的粗糙度，且表面干燥，无境湿度降低到20％。需烘干处理，只需采用强力吹风机将表面浮尘清理3．2．2材料、设备干净。试验选用的喷涂聚脲材料为QTECH-401水利(2)基面修补行业超抗冲耐磨蚀聚脲磁材料，A，B双组份，一共2基面修补处理主要目的在于封闭混凝土基面孔组100kg，颜色为中灰色；基层处理系统选用洞、针眼、以及裂缝等缺陷。如果混凝土表面的缺陷n西北水电·2011年·第6期37没有有效地修补，聚脲涂层施工后，反应热导致潮气具体参数设置：主加热器温度(包括A，B)65或空气膨胀，在快速固化的涂层下面形成一定的压oC；长管加热器温度65℃；主机压力6．5MPa；空压力。如果在涂层固化之前，气体顶破涂层泄漏出来，机压力0．8～1MPa。就会在已施工的涂层上形成很多小针孔，当在一个(2)喷涂前原料的准备已有针孔表面施工聚脲涂层时，会出现更大的针孑L，目测涂料的外观状态应为均匀、无胶结、无杂质喷涂的越多，针孔越大。的可流动液体，如果发现涂料中有结块、凝胶或黏度试验过程中基面修补采用1道封闭底漆，1道增大现象，严禁使用。修补腻子与第2道封闭底漆的工艺，底漆采用辊涂，A组份应防止潮气与水汽，并一直保存于干燥修补腻子采用刮涂的方式进行。环境中。经过前期实验，从附着力、腻子流动性、干燥时由于B组份含有颜料和助剂，静置时间过长容间以及垂直面修复腻子施工的流挂特性等几个方面易沉降，因此，喷涂前应将B组份进行充分搅拌至B考虑，现场最终确定修补腻子调配比例如表4。组份颜色均匀一致，无浮色、无发花、无沉淀为止。表4基面修补方案表在喷涂过程中，使用冲击电钻每隔5min对B组份总工进行搅拌，每次搅拌时间为3min。式料效果／kg／m／{g·nl)／il1(3)喷涂聚脲涂层第1道底漆1：01．51510015不流挂腻子1：24．81530044流挂，有孔洞现场安排了干燥环境下喷涂施工、模拟下雨环第2道底漆1：01．4159012有孔洞境下喷涂施工以及模拟2次喷涂施工搭接3个区域经过修补之后，平面部分表面的针眼、孑L洞、缺进行喷涂试验。陷基本上封闭，修复比较理想，为聚脲喷涂施工创造喷涂采用纵横交叉喷涂进行，每个区域喷涂施了良好的工作面。但垂直面修补效果不理想，针对工按照先难后易，先喷涂不规则面，然后喷涂大面的垂直面的表面缺陷情况，现场进行了局部点补工艺。原则进行。3．3．3底涂(界面剂)正式喷涂之前，用涂有脱模剂的PVC板现场试底涂选用QTECH一112基层处理剂，采用辊涂样，枪手可以感觉原料以及设备的状态，枪的压力、工艺，边、角、沟、槽辅以刷涂施工。雾化以及扇面等是否均正常，确保各系统运转正常在底漆施工前应去除上一道工序中遗留的灰后，在工作面上正式喷涂。尘、松散的颗粒，保持混凝土表面清洁、干燥，如果基喷涂过程中下一枪要覆盖上一枪至少1／2以面太过潮湿。需要进行烘干处理。上，对感官厚度小的区域补充喷涂，确保涂层均匀，底涂材料必须现配现用，严格按照专业配方要对细部节点、拐角、异质材连接处进行聚脲弹性体加求准确称量，用量控制在0．15～0．2kg／in；辊涂时厚处理。应均匀，不漏涂，不堆积，也不宜太厚，注意交接处的整个施工过程中进行压力监控，喷涂时压力范衔接，不能留下辊痕，涂刷范围应在聚脲涂层边缘向围在1700～2500Pa之间，确保A，B两组份按照1外扩展2O～30cm为宜，可有效防止聚脲涂层边缘：1比例充分混合。脱落。在喷涂时，喷枪与施工作业面的最佳距离应保3．3．4喷涂聚脲防冲磨层施工持在50～60cm为宜，调节喷枪的喷射角度、高度以(1)喷涂前设备的准备及与底材的距离，使聚脲涂层表面得到光滑的“镜喷涂前先对设备进行检查和调试，检查空压机面”效果，提高美观性；同时使聚脲涂层表面形成和油水分离器、喷涂主机的加热系统是否运转正常；“颗粒”效果，有利于界面不同材料的粘接。检查输出气管与主机的气管连接是否正常。聚脲弹性材料的喷涂间隔应小于3h，如超过3喷涂前应先将长管加热器开关打开，待温度达h，应打磨已施工涂层表面，刷涂1道层间黏合剂，30到设定温度后，再调节A，B两组份的静态压力，使min后(不超过2h)再施工弹性层。其达到基本相同，确保喷涂时A，B两组分按照体积3．3．5手刮聚脲防冲磨层施工比1：1混合。现场手刮聚脲施工，选择在试验区垂直面进行n38莫志财，孙岩丽．官地水电站大坝溢流表面聚脲抗冲耐磨弹性体涂层施工工艺试验研究试验，考察手刮聚脲的固化情况，垂直面流挂情况以193．9％，养护4d后拉伸强度与断裂伸长率分别达及封闭表面缺陷的情况。到16．8MPa与398．3％，1～4d中拉伸强度与断裂手刮聚脲待界面剂完全固化后，用专用刮板、刮伸长率分别增加了58．4％与105％，4—15d中又增刀、挑刀进行刮涂，刮涂时，根据室内实验分层刮涂长了33％与6．4％，说明随着养护时间的延长，拉伸达到设计厚度，效果较为理想，垂直面刮涂分层厚度性能不断增大，且1～4d发展迅速，拉伸强度和断不能超过0．3mm，否则会挂流。裂伸长率增长速度比较快，4～15d发展缓慢直至3．3．6聚脲啧涂层局部缺陷修补趋于平稳。聚脲涂层施工完成后，结合外观检测，对施工部3．4．3聚脲涂层厚度和附着力检测位全面检查，发现有鼓泡、破损、遗漏等缺陷，需要及在聚脲涂层施工1d后进行现场拉拔试验，检时进行缺陷修补。测聚脲涂层厚度和附着力检测，检测区域包括垂直试验过程中主要是鼓泡缺陷修补，这是由于模面、平面、搭接区、潮湿作业面随机抽取1处进行附拟下雨环境，并没有用强力分机将基面残留水分吹着力检测和厚度检测，测点一共13处，测点均匀分干，喷涂前基面含有大量水分，涂层固化之后将水蒸布。气包裹在涂层内部，气体预热蒸发导致涂层鼓泡。拉拔仪采用液压原理，液晶数字显示的一种既修补首先对缺陷部位进行打磨处理，涂刷专用可用于实验室检测，又便于现场测试的小型仪器。黏结剂QTECH一113，二次喷涂聚脲，使整个涂层连测试步骤如下：续、致密、均匀。(1)将打磨出粗糙面的锭子用胶黏剂固定在被3．4质量检测测试涂层表面；3．4．1外观检测(2)待胶黏剂固化后，用锯齿形切割器将锭子聚脲防护层表面效果，根据施工区域划分和基周围的涂层切断，直至露出混凝土基材为止；面处理方式的不同而不同，经外观检查结果如下：(3)将附着力试验仪套筒与锭子顶端连接，均(1)正常条件下喷涂区域表面平整、无挂流、无匀按动液压手柄，直到锭子与基材脱开，读取液晶显针孔、无起泡、无空鼓、无开裂、无异物混入；示屏上的数据；(2)模拟下雨环境下喷涂区域，出现大小不一(4)拉拔后的部位用手工料做快速修补、刮平。的鼓泡；通过测试：最大厚度为6．26mm，最小厚度为2．12(3)手刮区域表面平整度不如喷涂区域，并且mm，平均厚度2．9mm，标准差1．53mm。附着力平有涂刷不均匀的现象，基材的凹凸不平在重复几遍均值2．83MPa，标准差1．052。刮涂工艺之后的曲度被放大，局部缺陷严重区域出4试验总结现流淌、皱褶和翘边等缺陷。3．4．2试验段现场取样检测(1)基材(混凝土)表面的杂质、浮浆、油污、疏现场每班喷涂前，喷制400ram~400mm聚脲试松物质以及其他污染物的存在，将降低聚脲涂层在样3块，养护1～15d(温度(23±3)℃，相对湿度基材上的附着力，影响聚脲涂层的质量，严重时将会50％)，选择2块在实验室进行拉伸强度、断裂伸长导致聚脲涂层施工失败。正确的基材处理直接关系率、撕裂强度、硬度等物理性能检测。其聚脲涂层在到聚脲材料的使用寿命，也是保证聚脲涂层充分发标准条件下养护1～15d的拉伸试验结果如表5。挥抗冲耐磨功能的必要条件。基材处理的质量越表5聚脲涂层在标准条件下养护1～15d的拉伸试验结果表高，越能保证聚脲涂层充分发挥聚脲材料的抗冲耐磨功能。项目_-掣1)试验过程采用高压水枪冲洗和角磨机打磨1／MPa10．612．7t4．1l6．818．22O．322；422．5丝!!：!：!：!!：兰!：!兰：竺兰兰：2种方式进行基材处理，通过试验发现：高压水枪冲注：E为拉伸强度；6为断裂伸长率。洗虽然清洁、基面强度较高，但对混凝土基面创面严从表5中可以看到，实验室条件下，聚脲试样l重，并且处理后的基面比较潮湿，对下一道修补工序d的拉伸强度与断裂伸长率分别为10．6MPa与带来困难。角磨机打磨可以清除混凝土表面的凸n西：l匕水电·2011年·第6期39起，浮浆、灰尘以及表面附着物，处理之后的混凝土(3)喷涂聚脲弹性体的功能性体现在对泄水建基面比较平整，同时具有一定的粗糙度，得到比较满筑物的抗冲耐磨防护，要保证喷涂聚脲弹性体对混意的基面，并且工作效率较高。凝土基材的保护效果。2)修补腻子层不宜过厚，刮涂过厚会导致溶剂1)应提高混凝土结构自身的性能，为施工喷涂不能及时析出、腻子固化过程生成的气体不能及时聚脲弹性体创造一个良好的施工条件。排除、同化效果不好，腻子层之间的强度发展缓慢2)为了有效控制喷涂防护体系的形成过程，喷等，由此造成聚脲涂层涂刷后表面形成鼓泡、针眼等涂施工设备必须具备：物料输送平稳、计量准确、混现象，影响聚脲涂层施工质量。合均匀、雾化良好、清洁方便。喷涂设备的主机原料3)涂层(界面剂)施工质量的好坏，直接关系供给量、喷枪的流量、喷涂枪手的走枪速度与行进速到聚脲涂层的施工质量，严重时将会导致聚脲涂层度决定涂层的均匀程度以及厚度。施T失败。涂层既可封闭混凝土基面较小-的孑L洞、3)喷涂聚脲防冲层应在界面剂施工后6～24h内进行，如果问隔超过24h，在喷涂聚脲前1d应重针眼以及缺陷，防止涂层起针眼，在混凝土表面形成一层致密、连续、光顺、均匀、无针孔、无缺陷的防护新涂一道界面剂，待表干后再喷涂聚脲弹性材料。在喷涂之前，应用干燥的高压空气吹掉表面的浮沉。屏障，阻止外界腐蚀介质进入混凝土，提高其抗冻融4)缺陷部位涂层喷涂时间较短(小于4h)，则破坏、抗干湿交替、抗碳化腐蚀的综合功能．，又能清可对缺陷涂层进行打磨、清理后直接进行二次喷涂润粗糙的混凝土表面，起到中间层的作用，增加聚脲聚脲；如果缺陷部位涂层时间较长(大于4h)，则应涂层与混凝土基面之间的附着力。在缺陷涂层表面向外扩展5～10cm打磨、清理后，表6聚脲防护层厚度和附着力检测结果表涂刷基层处理剂，然后进行二次喷涂聚脲。破坏形式藕隋况颜色通常在施工中发现鼓泡后，为了判断鼓泡原因，首先要割开起泡处，仔细检查断面，根据表7判断是那种类型的鼓泡，然后进行解决。表7涂层与基材之间鼓泡表(4)手刮聚脲使用刮板一遍达到厚度，均匀程度不理想，人为因素较大，对不规则面适应性较差，(2)尽管聚脲喷涂聚脲材料对施工环境的适应适合于收边以及喷涂聚脲难以实施的部位。性很强，但根据试验过程了解到，喷涂聚脲施工在环本次试验取得了预期的效果，为溢流面大面积境温度5～45cI=之间，环境湿度不高于90％；混凝聚脲抗冲耐磨弹性体防护施工积累了经验，如果下土基材的温度高于3，混凝土基材的含水率低于一步大面积施工成功，在水工泄水建筑物抗冲耐磨8％的条件下，通过调整反应体系中材料的配比，施防护技术方面将是一次开创性拓展。工最为理想。结合环境温湿度曲线(图3)，溢流面参考文献：大面积施工聚脲涂层最佳喷涂时间选择在10：00以[1]成都勘测设计研究院科研所．雅砻江官地水电站抗冲耐磨混后，并不超过19：00为宜。凝土配合比及性能优化试验研究[R]．2011．[2]黄微波．雅砻江官地水电站喷涂聚脲工艺试验阶段报告[R]．雨后受淋(或者有明水)作业面不适宜聚脲施青岛理T大学，2011．工，需要干燥或者专用底漆处理后，方可进行聚脲施[3]黄微波．喷涂聚脲弹性体技术[M]．北京：化学工业出版社，2005．工。混凝土工作面的含水率以及基面温度情况跟环[4]成都勘测设计研究院．雅砻江官地水电站聚脲弹性体涂料喷境的潮湿程度以及环境温度有较大的关系。涂施工技术要求fR]．2011．