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    噴涂聚脲防水涂料及其典型應用
    發表日期:2019-03-14

    摘要:本文簡要介紹了噴涂聚脲技術的化學原理和技術優勢,重點闡述了聚脲體系的選擇、施工質量控制及其在高速鐵路、隧道、水利工程、污水處理池、高檔建筑屋面等領域的應用。應用結果表明噴涂聚脲防水涂料具有優良的物理性能、防水性能和施工性能,是目前國際上最先進的防水施工技術之一。

    關鍵詞:噴涂 聚脲 防水 施工 應用

    1.前言

    隨著我國經濟的迅速發展,公路、鐵路、機場、隧道、工業建筑等防水工程日益增多,各類防水材料也隨之取得了很大進步。但與先進國家相比,我國的防水材料無論在產量、質量、品種還是在配套材料和施工技術上都存在較大的差距,遠不能滿足我國經濟建設的需要。從發展趨勢來看,環保、高性能、多功能、系列化和機械化是今后防水材料的發展方向。

    噴涂聚脲彈性體技術是為適應環保需求而研發的一種新型無溶劑、無污染的綠色施工技術,在防水、防腐、耐磨等工程中應用情景十分廣闊。在國外,噴涂聚脲防水涂料被稱為可常溫施工的液體防水卷材,具有環保、固化速度快、對溫度/濕度不敏感、物理強度高、防水性能優異,自1986在美國誕生以來,在防水領域獲得了巨大的商業應用。20世紀末我國也開始將聚脲產品逐步應用于建筑防水、水利工程、污水處理池防水、高鐵防水等領域,取得了良好的效果。

    2.聚脲化學

    噴涂聚脲彈性體技術的發展經歷了聚氨酯、聚氨酯/脲和聚脲三個階段。以上三種體系的A組份是基本相同的,均為芳香族或脂肪族的預聚物和半預聚物,區別在于B組份。噴涂聚氨酯的B組份由端羥基樹脂和端羥基擴鏈劑組成,并含有用于提高反應活性的催化劑;噴涂聚氨酯/脲的B組份既可以是端羥基樹脂,也可以是端胺基樹脂和胺擴鏈劑組成,一般含有用于提高反應活性的催化劑。而噴涂聚脲的B組份必須是由端氨基樹脂和端氨基擴鏈劑組成,并且不含任何羥基成分和催化劑。

    由于端氨基化合物與異氰酸酯組分的反應活性極高,無需任何催化劑,即可在室溫或低溫下瞬間完成反應,見圖1,從而有效地克服了聚氨酯彈性體在施工過程中,因環境溫度和濕度的影響而發泡、造成材料性能急劇下降的致命缺點。

    3. 噴涂聚脲技術

    與傳統的防水材料相比,噴涂聚脲防水涂料具有以下優點:

    1)100%固含量,無揮發性有機物,符合環保要求;

    2)不含催化劑,快速固化,可在各類曲面上噴涂成型不產生流掛現象;

    3)對溫度和濕氣不敏感,施工受環境濕度、溫度的影響很小;

    4)一次施工厚度可從1毫米厘米,克服了以往多次施工的弊端,縮短了施工周期;

    5優異的物理性能,如抗拉強度、撕裂強度、伸長率、耐磨性、耐穿刺等。尤其是高伸長率使其具有良好的裂縫追隨性,可有效地保護有裂紋的混凝土基材;

    6)優異的防腐性能,可耐受大部分酸、堿、鹽、海水等腐蝕介質的長期浸泡;

    7整體無接縫、涂層致密,防水效果優異;

    8)對各種底材附著力高且持久,不開裂、不脫落。

    美國聚脲發展協會曾做過一個調查,結果表明:60%噴涂聚脲應用于混凝土護,5%應用于屋面防水工程。而混凝土護工程中大部分應用是混凝土防水,包括高速公路防水、隧道防水、建筑防水、水池防水等,也包括一些含有腐蝕介質的混凝土底材的防水應用,如水處理池等[4]。

    4. 聚脲體系的選擇

    選擇聚脲首先要考慮是采用脂肪族聚脲體系還是芳香族聚脲體系,因為這兩種體系的耐老化性能有很大的差別。芳香族體系的聚脲具有非常優異的物理機械性能,較高的性/價比,但芳香族二異氰酸酯容易受到紫外線照射而變色,甚至降解。脂肪族聚脲的成本相對昂貴,但它的耐紫外線性能和顏色穩定性是非常優異的。芳香族聚脲顏色泛黃兩個原因:一是在波長約340納米的范圍內,刺激芳香發色團生成Photo-Fries反應產物,如初級芳族胺。另一種是在波長為330~400納米的范圍內,進一步將初始的Photo-Fries反應產物進行感光氧化作用生成含有過氧化氫的苯醌二酰亞胺(如圖1)。因此,芳香族聚脲在曝露場合下應用時會出現變黃、粉化、力學強度下降等現象。這種現象對于聚脲涂層更為明顯。添加合適的抗氧劑和紫外光穩定劑可以延長芳香族聚脲涂層的使用壽命。

    圖1 芳香族聚脲的色機理

    5. 施工質量控制

    5.1底材處理

    噴涂聚脲有非??斓姆磻俣?,因此表面處理對聚脲工程的成敗有很大影響。據不完全統計,聚脲工程的失敗大約80%與底材處理不當有關。

    混凝土底材具有多孔、透氣、透水且表面強度低等特點。這種多孔性會使很多污染物滲透進來,如果這些污染物沒有清理掉,就會對聚脲工程造成極大的影響。表面強度低呈現一個脆弱的粘合界面,可能導致涂層脫落。這些問題造成聚脲與底材分離的潛在因素。所以,必須清除混凝土表面的浮漿污染物,而且要修補混凝土表面的凹。

    混凝土基材的處理,首先要拋丸或打磨,增加粗糙度以提高附著力。然后修補表面的孔洞和裂縫。最后清除灰塵,施工一道封閉底漆?;炷粱?/span>采用強度高、滲透性好的底漆,常用的品種有聚氨酯、環氧樹脂或丙烯酸樹脂體系。

    5.2 原料的攪拌

    增加聚脲產品的裝飾性物理性能等,通常在噴涂聚脲體系的組分加入顏料。由于顏料的密度、界面狀態與純樹脂均存在差異,經過一段時間后顏料可能沉積到底部。即使加工時使用高剪切分散技術,仍完全避免這種情況。因此,在使用前必須對B組分進行充分攪拌,否則易出現鼓泡、霧化效果差、顏色不均勻、涂層物理性能差等問題。

    5.3溫度對聚脲性能的影響

    化學反應速度及反應程度受溫度的影響很大。溫度每升高10℃時,反應速度大約增大2~4倍,噴涂聚脲也不例外。同時,噴涂聚脲反應過程是一個玻璃化溫度逐步升高的過程,當其玻璃化溫度接近固化溫度(通常是室溫)時,鏈段被凍結,反應速度變得異常緩慢,甚至停止。因此,低溫固化聚脲體系的物理強度通常較高溫固化體系低10~20%。

    5.4濕度對聚脲性能的影響

    如果濕度很大(如大于90%),底材表面可能會形成一層薄薄的水膜,這對聚脲本身的物理性能不會產生太大的影響,但對附著力會產生致命的影響,而且容易產生微泡。聚脲涂層發泡存在兩種機理1)異氰酸酯與水反應,生成CO2,這屬于化學發泡;2)水分在噴涂過程中被裹進涂層中,而聚脲的化學反應是一個放熱反應,水遇熱汽化、膨脹,這屬于物理發泡。由于胺基聚醚或胺擴鏈劑反應速度很快,聚脲體系一般不會產生化學發泡,但物理發泡是難以避免的。因此,在高濕度下施工的聚脲涂層較干燥狀態下密度下降10%左右,物理強度下降20%左右。

    5.4 后固化對聚脲性能的影響

    噴涂聚脲是一種瞬間反應、快速固化的體系,但這并不代表聚脲噴涂完畢后就達到最終物理性能。由于聚脲反應速度很快并釋放出大量的熱,導致涂層在交聯初期產生較大的內應力,而內應力的釋放需要一定時間,因此聚脲的物理性能不會很快達到最高值。此外,從化學原理上來講,聚脲反應是逐步加成聚合反應,這不同于自由基聚合,分子量是逐步增長的,只有分子量達到一定數值,才能宏觀表現出一定的物理性能。因此,噴涂聚脲施工完畢后要在12小時甚至更長的時間后才能投入使用,否則很容易造成材料損壞。

    6. 防水工程典型應用

    噴涂聚脲防水涂料具有優異的物理性能、防水性能和施工性能,將為我國未來的大型基礎設施建設,如高速鐵路、南水北調、地鐵、隧道、水利工程等高難度防水工程,提供一種先進的防水材料和方便快捷的施工。

    6.1隧道工程

    如前所述,噴涂聚脲防水涂料比傳統的橡膠防水板和防水涂料更適合在隧道工程中應用。美國波士頓地鐵隧道、中國香港地鐵隧道、上海外灘隧道、廣州地鐵三號線等均使用了聚脲作為防水層。

    波士頓地鐵隧道為雙孔鋼筋混凝土沉管廂式隧道。由于混凝土采用鋼模整體澆注工藝,所以混凝土表面存在大量的孔洞等表面缺陷。正確的底材處理是保證工程質量的關鍵步驟,底材處理主要包括打磨表面的毛刺及突起物并填補孔洞,然后在鋼板和混凝土底材上分別使用不同的配套底漆。底漆干燥后噴涂厚度2.5mm的灰色芳香族聚脲防水層,最后再施工一道75mm厚的水泥砂漿保護層。

    美國北卡羅萊納州的高速公路隧道是聚脲防水工程的又一成功案例。該隧道為修筑在巖石上的混凝土。由于存在滲漏問題,導致基礎結構逐漸老化、電氣線路容易短路,長時間的腐蝕甚至會導致巖石滑塌的危險。通過廣泛的調研,州政府決定使用聚脲對隧道進行修復,這主要基于聚脲具有防水好、耐老化、附著力好、可低溫施工等優點。施工后的聚脲彈性好,混凝土接縫處不易滲漏。在1.25mm厚的淺黃色聚脲表面再滾涂施工0.4mm厚的脂肪族聚脲,從而形成一個光滑的表面,有利于今后的清潔和保養。

    2005年,正在建設中的廣州地鐵三號線的隧道局部使用了噴涂聚脲防水涂料進行了防水處理。施工底材為噴射成型的混凝土,表面比較粗糙。施工前先刷涂一道配套底漆,可以提高附著力,并可以有效地減少針孔的產生。底漆干燥后噴涂1.5mm厚的聚脲,施工后的防水材料厚度均勻、不流掛、無接縫,受到甲方的高度評價。

    6.2 高速鐵路

    京津城際軌道交通工程是我國第一條開工建設的高等級客運專線,是2008年奧運會的配套項目之一。由于該工程路基形式和鋪設方式,對混凝土的防水層要求較高,既要高強度又要快速固化,因此工程全線采用聚脲做防水層。

    全線80%的路段采用高架的32米雙線混凝土箱梁和現澆混凝土梁組成。在箱梁做完聚脲防水層后的吊運和鋪設中,有重達1200噸的運送設備將對將防水層進行近1000次的碾壓,普通的防水材料是難以承受的。聚脲因其優良的力學性能、固化速度快、耐磨損、附著力好等優點可滿足技術指標要求。該工程分北京、廊坊、天津三段,六個梁場同時施工。全線做防水處理的面積超過1000000m2,聚脲設計厚度為2mm,其用量之大,在中國聚脲防水工程中首屈一指,在世界上也是著名的聚脲工程之一。

    在京津城際軌道交通工程成功的基礎上,舉世聞名的京滬高鐵使用了噴涂聚脲防水涂料。2009817日在濟南鐵路工程交易信息網正式發布,910日在濟南公開唱標,103日上網公示。

    京滬高鐵全長1318公里,高速鐵路路基聚脲防護工程分解為12個標段,全線使用純聚脲,總用量高達到20284噸,表層脂肪族聚氨酯面漆的用量達到867噸,成為噴涂聚脲技術自1986年在美國誕生以來,全世界最浩大的基礎設施聚脲防護工程。

    此后,京石高鐵、石武高鐵、津秦高鐵、滬杭高鐵、寧杭高鐵等高速鐵路也陸續使用了噴涂聚脲防水涂料,聚脲在中國的應用進入了一個如火如荼的高潮階段。

    6.3 水利工程

    自2002年起,中國水科院海洋化工研究一起院致力于噴涂聚脲在水利工程中的應用研究,并進行了大量的測試工作。2003年6月,該單位承接了引灤入津工程起始點遷西段地下隧道防水工程,并選用了噴涂聚脲彈性體作為防水材料。該隧道為直墻拱式結構,現場環境十分惡劣,墻壁潮濕并不斷有水滲出,地面有大量的積水。施工前先將滲漏處進行止水處理,最后噴涂1.5mm厚的聚脲防水涂料。使用結果表明:噴涂聚脲防水涂料強高、附著力好,防水效果十分顯著。

    此后,噴涂聚脲防水涂料又陸續在浙江新安江水電站大壩溢流面、內蒙古尼爾基水電站、黃河小浪底水利工程成功應用。使用效果和鑒定結論表明:在高流速含沙水流條件下,采用噴涂聚脲彈性體作為混凝土表面防沖磨層在技術上是可行的,在材料性能、化施工加快進度等方面具有明顯的技術優勢,將有力推動水工建筑物抗沖磨技術的發展,在水利水電工程中具有廣闊的應用前景。

    6.4 污水處理池

    多年來,聚氨酯涂料和環氧涂料已廣泛應用于污水設施的防腐處理中。隨著聚脲的出現,污水處理行業的防腐水平已邁向了一個新臺階。

    如某電廠的污水處理池項目在設計時曾考慮使用花崗巖,其耐腐蝕性能較好,但接縫處容易出現滲漏。經過細致的比較,甲方最終選用了新型的噴涂聚脲防水涂料。本項目共5個污水處理池,全部采用了灰色的噴涂聚脲防水涂料進行防腐、防水處理。由于底材為模板澆注的混凝土,表面孔洞很多,因此先施工一道聚合物水泥砂漿進行找平。干燥后施工一道配套底漆,然后噴涂1.5mm 的聚脲涂層。施工完后的涂層連續、無接縫,防水效果良好。目前,國內上百家火力發電廠的污水處理池均采用了噴涂聚脲防水涂料。

    6.5高檔建筑屋面

    我國的建筑屋面防水材料已從單一的瀝青品種發展到改性瀝青卷材、高分子防水卷材和防水涂料等。防水卷材存在大量接縫,極易產生滲漏。防水涂料以聚氨酯和水性丙烯酸為主。水性丙烯酸涂料耐候性好、易清潔,缺點是低溫或高濕的條件下不能施工,透氣性高不能封閉水汽。聚氨酯彈性防水涂料色彩艷麗,防水性能好,但施工時受濕度的影響易發泡,立面易流淌,而且耐老化性能欠佳。

    上述防水材料經日光老化后更容易出現開裂。即使防水材料自身不開裂,也會因砼的開裂(由振動、應力、風化等因素引起)而斷裂。噴涂聚脲防水涂料則不同,因為其自身的強度高、柔韌性好、耐老化性好,即使在混凝土開裂的情況下,還能將混凝土緊緊抓住,特別適用于高檔建筑的屋面防水處理。要想徹底根除屋面漏水的隱患,走出目前建筑業“年年修年年漏,越修越漏”的怪圈,最終必然要走到噴涂聚脲防水涂料上來,這在國外已得到很好的驗證。

    噴涂聚脲防水涂料應用于高檔建筑物屋頂防水是大勢所趨,其優異的性價比,必將在不遠的將來結束我國“黑色屋頂”的歷史,使我們的城市更加絢麗多彩。

    7 結論

    噴涂聚脲防水涂料具有卓越的防水性能、無接縫、附著力好、環保、使用壽命長、性價比高等優點,是建筑行業夢寐以求的防水材料。目前,該材料已在高速鐵路、奧運場館、屋面防水、水池、地鐵、隧道等領域大量應用。使用噴涂聚脲防水涂料不需要維修,一次投資,終生受益,是高速鐵路、隧道等國家大型防水工程的最佳選擇。

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