简要信息

    【获奖类型】应用一等奖
    【任务来源】水利部“948” 计划
    【课题编号】CT200601
    【课题起止时间】2006年6月～2007年12月
    【完成单位】科海利
    【主要完成人】孙志恒、甄  理、鲁一晖、方文时、李守辉、张家宏、鲍志强、夏世法、岳跃真、付颖千

    立项背景

    水利部“948”计划技术创新与转化项目 “喷涂高抗冲磨材料新技术的开发研究和应用”（合同编号：CT200601）是国内首次将喷涂聚脲技术引进水利水电工程，并进行了系统的室内外试验。该项目优选的聚脲弹性体材料具有优越的抗磨蚀性能、耐老化性能、抗腐蚀性能及独特的施工性能，100%的高固含量，无任何溶剂和影响强度的助剂，无污染，是真正的绿色产品。其本体拉伸强度可达20MPa以上，扯断伸长率大于380％，撕裂强度大于50kN/m，抗冲磨强度达到C60硅粉混凝土的10倍以上，高速水流(达40m/s)冲刷无脱落，适用于水利水电工程混凝土表面抗磨损、防渗和防腐等领域。
    针对水利水电工程特点，本项目开发了适用于潮湿混凝土基面的SK型界面剂，与潮湿面混凝土之间的粘结强度大于2MPa，并获得实用新型专利。对现有喷涂聚脲机进行了配套，使喷涂设备的喷涂能力达到每小时喷涂厚1mm的涂层100㎡，并在小浪底水利枢纽2＃排沙洞及新安江水电站溢流面等工程进行了现场试验，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，不产生流挂现象，满足水利工程快速施工的要求。
    提出了有关喷涂聚脲施工工艺及质量控制要求，建立了在水利水电工程中喷涂聚脲的施工工艺及质量控制方法。
    该成果首次在黄河龙口水电站底孔、北京怀柔水库西溢洪道、北京黄松峪水库溢洪道、西藏雪卡水电站放水洞和青海拉西瓦水电站底孔等混凝土抗冲磨防护工程应用，同时，聚脲弹性体作为防水涂料在小湾电站上游坝面及景洪电站厂房屋面大面积防渗等工程中得到应用，并取得了良好的效果。
    本项目研发的喷涂聚脲弹性体抗冲磨技术采用了新型抗冲材料，简化了施工工艺，加快了施工进度，技术先进，具有显著的经济效益，填补了我国水利水电工程中薄层喷涂抗冲磨技术的空白，有力地推动了水工建筑物抗冲磨技术的发展，具有广阔的推广应用前景。

    研究内容

    混凝土泄水建筑物如大坝的溢洪道、泄洪洞、泄水孔、溢流坝和消力池等表面遭受高速水流（和含砂水流）冲磨和气蚀破坏，多年来一直未能得到较好的解决。传统的施工技术有钢板衬砌，浇筑纤维混凝土、硅粉混凝土及聚合物混凝土，涂抹环氧砂浆和环氧涂层等方法，由于这类材料都存在着各自的性能缺陷，一直没能得到较广泛的应用。随着我国水利水电建设的大力开发，对于泄水建筑物表面抗高速水流冲磨和空蚀的破坏问题越来越受到人们的重视，这其中除了水工设计方面进行技术研究以外，采用性能优异的抗冲耐磨和抗气蚀材料至关重要。
    喷涂聚脲弹性体技术是国外近十几年来，为适应环保需求而研制、开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术。聚脲弹性体材料的主要特性有：①无毒性：100%固含量，不含有机挥发物，符合环保要求；②优异的综合力学性能：拉伸强度可达10MPa～25MPa，伸长率最高可达600%，撕裂强度为40~100kN/m；③良好的不透水性：2.0MPa压力下24h不透水，材料无任何变化；④低温柔性好：在-30℃下对折不产生裂纹，其拉伸强度、撕裂强度和剪切强度在低温下均有一定程度的提高，而伸长率则稍有下降；⑤快速固化：反应速度极快，5~10s凝结，1min即可达到步行强度，并可进行后续施工，施工效率高。⑥对环境条件要求较低：对水分、湿气不敏感，施工不受环境温度、湿度的影响，基层干燥的情况下，在北方风沙季节及南方梅雨季节仍可正常施工；⑦耐腐蚀性：由于分子结构稳定，所以聚脲表现出优异的耐水、耐化学腐蚀及耐老化等性能，在水、酸、碱、油等介质中长期浸泡，性能不降低；⑧聚脲材料与多种底材，如混凝土、砂浆、钢材、沥青、塑料、铝及木材等，都有很好的附着力；⑨具有较高的抗冲耐磨能力，其抗冲磨能力为C60混凝土的10倍以上。

    创新点

    国内于1998年开始引进该项技术，并在各类地坪、船体涂层和建筑防渗涂层等方面得到应用。2002年在水利部“948”项目的资助下，中国水利水电科学研究院从美国引进了聚脲喷涂设备。2006年又得到了水利部“948”计划技术创新与转化项目的资助，在室内进行大量试验研究的基础上，又在小浪底水利枢纽2＃排沙洞进行了现场抗冲磨试验。通过几年来的研究、开发与应用，取得了如下成果：
    （1）完成了新型抗冲磨高分子喷涂材料的调研及室内试验。针对水利水电工程的特点，选择了合适的聚脲弹性体材料，并对其进行了性能测试。优选出了适合于水利水电工程的高性能聚脲弹性体材料，试验结果表明其抗高速含沙水流的冲刷磨损性能明显优于高强硅粉混凝土，涂层冲磨后表面基本完整光滑，没有明显的冲磨痕迹。
    （2）完成喷涂设备的选型、设备引进及设备调试，通过现场试验，可以做到在高扬程及潮湿环境下喷涂聚脲弹性体材料。
    （3）针对喷涂聚脲弹性体技术，开发了适用于潮湿混凝土基底界面喷涂聚脲弹性体材料的SK型界面剂和BE14型界面剂，系统地进行了与潮湿混凝土基底的粘接性能，以及在界面剂涂敷后不同时间间隔喷涂聚脲弹性体涂层的粘结性能试验研究，结果显示，与潮湿混凝土基底界面具有很高的粘结强度，能达到5.0MPa以上，粘结破坏多发生在混凝土本体上；潮湿混凝土面涂刷界面剂后，当界面剂达到表干时喷涂聚脲弹性体涂层，聚脲与界面剂的粘结强度能达2.0MPa以上。该技术获得了实用新型专利。
    （4）通过在小浪底水利枢纽2＃排沙洞三次现场试验，验证了喷涂聚脲弹性体材料具有优越的抗冲磨特性和快速施工的特点，在高速、高含砂水流的作用下，采用喷涂聚脲弹性体技术作为保护混凝土表面抗冲磨、防渗的技术是可行的，总结出了一套较完整的施工工艺和宝贵经验。
    （5）将喷涂聚脲抗冲磨技术用于新安江水电站溢流面及尾水隧洞、山西龙口水电站底孔、北京怀柔水库西溢洪道、北京黄松峪水库溢洪道、西藏雪卡水电站放水洞和青海拉西瓦水电站底孔等混凝土抗冲磨防护以及小湾电站上游面及景洪电站屋面防渗施工中，充分发挥了喷涂聚脲弹性体材料快速施工的特点，较好地解决了混凝土防渗及表面抗冲磨问题。
    （6）从经济角度分析，在解决薄层冲磨防护的问题上，喷涂聚脲弹性体与具有类似作用的环氧树脂砂浆、粘贴钢板和高强混凝土等材料比较，考虑造价、使用年限和日常维护等综合因数，采用喷涂聚脲弹性体技术的综合造价是最经济的，并且喷涂聚脲弹性体施工干扰小，速度快，具有很强的适用性。

    应用前景及社会经济效益

    喷涂聚脲弹性体技术具有优越的抗冲磨、防渗和抗腐蚀特性，通过中国水利水电科学研究院的引进和开发应用，该技术已具备了在我国水利水电工程领域大规模使用的条件，可以用于水利工程中的溢洪道、泄洪洞、泄水孔、溢流坝和消力池等抗冲磨部位，该技术在水利水电工程中具有广泛的应用前景，值得大力推广应用。
    通过查新证明，将喷涂聚脲弹性体技术用于水利水电工程尚属首次，研制的潮湿混凝土界面剂也属首创，具有新颖性。该技术填补了我国水利水电工程中薄层喷涂抗冲磨技术的空白。通过水利部国际合作与科技司组织的专家鉴定，认为该项成果总体上达到国内领先水平。
    目前还没有喷涂聚脲技术相应的设计、施工规范，在水利水电工程中大规模应用有一定的难度，建议尽快编制相应的规范，以便于该技术的推广应用。