工程案例
業務范圍
聚脲彈性體噴涂技術的應用
發布時間：2014-08-09
一、鋼筋混凝土防護的重要性 鋼筋混凝土是世界上用量最大，使用范圍最廣的建筑結構材料之一，它適用范圍廣、價格便宜、易澆注成形，經久耐用，是現代建筑的主要結構材料。我國是經濟高速發展的發展中大國，建筑和基礎設施快速發展，不論水泥產量還是混凝土產量均居世界首位。
混凝土抗拉強度低、極限拉應變小、脆性大、易于開裂和失強，做好混凝土的防護是保持混凝土結構功能和耐久性的主要措施，對我國經濟的健康和持續發展有重要意義。
二、混凝土結構的劣化和防護對策
混凝土結構劣化現象表現為開裂和失強。抗開裂和對開裂的防護是混凝土防護的主要問題。
1. 混凝土結構裂縫的成因
（1）混凝土在水化反應和凝固過程中收縮產生的裂紋，它在混凝土結構的早期（60 天之內）產生，屬于微裂紋（≤0.1～0.2mm），但占總裂紋的60％以上，多數是在對鋼筋握力未充分建立時發生的，發生在投入使用之前。
（2）混凝土結構在各種荷載作用下，特別是不均勻負載、動載、振動、沖擊、超載下產生的裂縫。
（3）混凝土固化后因溫差（日溫差、年溫差）應力所導致的裂縫。
（4）混凝土構件的疲勞徐變、地基下沉、地層變化等引起的結構應力所導致的裂縫。
第(2)(3)(4)類裂縫發生在投入使用之后，是（1）類裂縫的擴展和加劇。
2. 混凝土結構的劣化原因
（1）中性化劣化
混凝土是非均質，具有多孔和顯微裂縫的結構，其空隙中充滿氫氧化鈣溶液，呈強堿性(PH 值為12～13)，在強堿環境下，鋼筋表面形成一層致密的氧化鐵鈍化膜，保護鋼筋免受空氣和水的腐蝕，當有水滲入，大氣中的H2O、CO2、SO2、NOX、O2、車輛尾氣與水泥固化物中的鋁酸三鈣、氫氧化鈣反應生成可溶性鹽類，造成混凝土機體失強；同時還與混凝土中氫氧化鈣作用，變成中性的碳酸鈣，使堿性減低（PH 值＜11），鈍化膜變成活化狀態，引起鋼筋腐蝕，鐵銹的體積比鐵大2.5倍，由于鐵銹的膨脹，使混凝土受到巨大的壓力(可達30MPa)，使混凝土沿著鋼筋方向開裂。裂縫的產生使水及腐蝕介質易于侵入，裂縫進一步擴大，使混凝土加劇劣化。
（2）鹽害劣化
外部環境中鹽分沉積在混凝土表面，向其內部滲透擴散，并在混凝土內結晶。結晶鹽體膨脹，造成混凝土開裂，使混凝土內的鋼筋腐蝕，鋼筋腐蝕引起體積的膨脹，從而導致混凝土加速開裂。鹽害易發生在沿海以及用鹽作為溶雪劑的大城市混凝土結構上。鹽液中的氯離子半徑小，穿透力強，破壞鋼筋的鈍化膜，加速腐蝕。
（3）堿性骨料反應劣化
混凝土內部的堿性骨料與反應性硅由于水的滲透介入而反應生成水玻璃（硅酸鈉）等生成物，它們再度與水接觸，從而使混凝土膨脹，產生裂紋，進而導致惡性循環。內部水分不易干燥，外部雨水易于侵入的混凝土結構易產生此種劣化。
（4）凍害劣化
滲入混凝土內部的水，在0℃以下時就會結冰，由于冰的體積比水大9％左右產生達200Mpa 的高脹力，使混凝土結構產生凍害破壞。在寒冷和嚴寒地區易產生凍害。
中性化、鹽害、堿性骨料反應和凍害劣化使前述四類裂縫進一步擴展和加劇。實際上，混凝土的開裂劣化是上述多種因素綜合作用的結果，比單一因素復雜得多，也嚴重得多。
3. 對混凝土劣化的防護對策
混凝土是非均質，具有孔洞和裂縫的結構，混凝土孔洞及裂縫是建筑及基礎設施普遍的通病，水和有害物就是經過孔洞和裂縫滲入的。有效阻斷水和有害物質的滲透、侵入，是混凝土結構的重要防護手段。混凝土自防水、混凝土表面鋪敷防水卷材，及涂敷防水涂料是混凝土結構的重要防護對策。防水材料的性能是有效防護的關鍵。
三、對混凝土建筑及基礎設施防護涂料的性能要求
防護的設置主要有主防護層和封閉層兩個層次。
1. 對主防護層涂料性能的要求
(1)優良的防水滲透性、極低的吸水率，有效屏蔽水的滲透。最好是組織致密、性能強韌、整體無縫、粘結力強的“皮膚式”防水。
(2)良好的防腐性：防止酸、堿、鹽等介質的侵蝕。
(3)與混凝土基材的附著力強，保證與基材結為一體，并防止漏水和竄水。
(4)良好的耐久性：耐紫外線老化性及凍融性。
(5)較好的強韌性、耐沖擊性及耐磨性，良好的抗穿刺性、抗碾壓性、抗硌破性，以應對建筑及基礎設施的高速、重載、強振動、高沖擊的使用環境。
(6)優異的抗混凝土基材開裂性、對基材開裂的防護性及對混凝土基材的補強性：要求涂層有優異的綜合機械性能(高的拉伸強度、撕裂強度、高的斷裂延伸率及粘接強度)及較高的涂層厚度，此是混凝土基材防護涂料的最重要的性能指標。
(7)良好的耐高低溫性：高耐熱度及低溫柔度，適應不同的環境溫度和使用要求。
(8)外觀裝飾性好，使建筑和基礎設施成為優美景觀。
(9)工藝性好，施工速度快、周期短、效率高，潮濕基面的施工性，節點及細部的施工性對于舊建筑及基礎設施的維修和補強性。
(10)環保性好，綠色環保涂料，保護環境及人員健康。
(11)使用壽命長，與建筑及基礎設施的壽命相匹配。
(12)高的性能價格比，高可靠性和可維修性，壽命周期費用最低，低年均防護成本。
2.對封閉層涂料（即底漆）的要求
封閉層的作用是封閉混凝土結構的孔洞及裂縫，并將主防護層和混凝土牢牢的粘在一起。對底漆性能的要求是：
（1）粘度低，固化速度較慢，對混凝土孔洞及裂縫滲透性強，可深入其中，并在孔洞裂縫中結晶或固化，封閉孔洞、裂縫。
（2）耐水性及對水的親和性好，可在潮濕基面施工。
（3）與混凝土及主防護層的親和性好，將混凝土和主防護層牢牢的粘結在一起。
四、新型建筑及基礎設施防護材料—噴涂聚脲彈性體涂料
聚脲彈性體噴涂是國外近20年發展起來的一種高反應性、無污染的噴涂技術，它一出世就以其優異的理化性能，優良的工藝性和環保性，充分顯示出比傳統防護技術無以倫比的優越性，得到迅猛發展，廣泛應用于建筑、能源、交通、水利、化工、機電、環保等領域，顯示了強大的生命力。
1. 聚脲的性能特點
（1）環保性
100％固含量、無溶劑、無有機物揮發、無毒，系無污染的綠色噴涂技術。
（2）理化性能
優良的抗水滲透性，整體無縫、組織致密、堅韌、粘結力強，真正的“皮膚式”防水。可用于迎水面防水、亦可用于背水面防水。
聚脲彈性體涂層可在-45℃～120℃下長期使用，耐熱性達160℃（能承受160℃短時間熱沖擊），低溫柔度-45℃。
耐候性、耐老化性好
芳香族聚脲在紫外線侵蝕下雖有泛黃現象，但無粉化和開裂，可以長期使用。耐凍融、耐冷熱沖擊及風雨霜雪的交變沖擊。
有優異的物理性能
如抗拉強度、撕裂強度、沖擊強度、粘結力、延伸率、耐磨性、耐刺穿、抗碾壓、耐硌破、防濕滑等。優異的抗混凝土開裂性、對混凝土開裂的防護性及對失強混凝土結構的補強性。
優異的防腐功能
可耐大部分腐蝕介質酸、堿、鹽、海水、氯離子等的長期浸泡，是優異的重防腐材料。
（3）工藝性
反應活性高、固化速度快、垂直面、頂面及任意曲面可連續噴涂不流掛。
聚脲彈性體不需催化劑，5～20 秒鐘凝膠，10 分鐘達到步行強度，可連續噴涂，一次施工厚度無限制，施工周期短、效率高。節點細部施工較方便，不需要專用纖維增強層。
對金屬、非金屬底材均有極強附著力。如鋼、鋁、鋼筋混凝土、木材、玻璃鋼、聚氨酯泡沫等。對混凝土的粘結強度≥5Mpa（超過混凝土間粘結強度）。
對溫度、濕度敏感性較小，施工時受環境溫度、濕度影響較小。配專用底漆可在潮濕基面施工。
使用成套設備進行噴涂，生產效率高。
用Graco-Gusmer 公司的H-35 PRO 設備，每班最高可噴涂厚1mm 的涂層2000 平方米。涂層表面光滑，連續無接縫。調節工藝參數，亦可得到“麻面”狀表面，亦可表面撒砂，增加和瀝青混凝土基面的粘結力。
可根據要求加入各種顏料、填料制成不同顏色和功能的涂層，具有優異的表面裝飾性。
2. 德國巴斯夫（BASF ）聚脲彈性體主要性能指標（見表4-3）
（表 4-3） 德國巴斯夫（BASF）聚脲彈性體主要性能指標
五、常用混凝土建筑及基礎設施防護材料性能對比
1. 常用混凝土建筑及基礎設施防護材料性能對比表（見表5-1）
2. 常用混凝土建筑及基礎設施防護材料比較的說明
（1）抗水滲透性：高聚物改性瀝青卷材、三元乙丙防水卷材、自粘性防水卷材、高密度聚乙烯片材和EVA 片材因接縫較多，粘結力低，易漏水和竄水，防水可靠性低，基本上屬于“雨衣式”防水，只適合迎水面防水。
噴涂聚氨酯彈性體和噴聚脲彈性體涂層致密，整體無縫，粘結力強，防水可靠性高；特別是聚脲彈性體涂層拉伸強度高、斷裂延伸率大、粘結力強，是真正的“皮膚式”防水，可用于迎水面防水、亦可用于背水面防水。
（2）耐高低溫：聚氨酯、聚脲彈性體和高密度聚乙烯片材、聚合物改性瀝青卷材等相比有優異的耐高低溫性。它既能耐160℃的高溫（可耐瀝青混凝土鋪裝時的高溫），又能在-40℃時保持低溫柔性（適應黑龍江及青藏高原嚴寒條件下的鐵路橋面）。
（3）抗混凝土開裂性：噴涂聚脲彈性體有很高的拉伸強度（≥17Mpa），很高的斷裂延伸率（≥500％），很強的粘結強度（與混凝土基材的粘結力≥5Mpa），很高的耐磨耐沖擊性，故有極好的抗混凝土的開裂性、對混凝土開裂的防護性，以及對開裂、剝落混凝土結構的維修和補強性。
防水涂層的抗開裂性（即阻止混凝土開裂的能力）取決于材料的抗拉強度、涂層厚度和粘結強度的大小。高密度聚乙烯、高聚物改性瀝青卷材等的粘結強度很低，故抗開裂性差；聚合物改性瀝青防水涂料、聚氨酯防水涂料的抗拉強度不高，粘結強度較低，故抗開裂性也不好；唯獨聚脲抗拉強度大、粘結力高，有極好的抗開裂性，而且聚脲固化速度快、施工周期短、效率高，故還適用于舊建筑及基礎設施的修復和補強。
防水涂層對混凝土基材開裂的防護性（即對混凝土裂縫的遮蓋性，亦稱追隨性）取決于材料的抗拉強度、涂層厚度和斷裂延伸率的大小。高密度聚乙烯片材、高聚物改性瀝青卷材、聚氨酯和聚脲都有很好的對混凝土開裂的防護性，聚脲抗拉強度最高、斷裂延伸率最大，故性能最好。
聚脲對混凝土的粘結強度達5Mpa，遠大于混凝土的剝離強度（約2.5Mpa 左右），故在混凝土基材開裂、涂層受拉伸時只在裂縫附近混凝土局部剝離，從而避免了“原位拉伸”；而其它部位仍牢牢粘結，是真正的“皮膚式”防水，這是聚脲材料的獨特優勢。
這里介紹一個新的術語，叫做涂層的抗拉能力系數，它是防護材料的抗拉強度和涂層厚度的乘積（即抗拉強度×涂層厚度）。抗拉能力系數越大，涂層的抗拉能力（即抗開裂性和對開裂的防護性）越好，是衡量防護材料防護性能的重要指標。
材料的斷裂延伸率是衡量材料對開裂防護性的又一重要指標，斷裂延伸率越高，則對開裂的防護性越好。抗拉能力系數大、斷裂延伸率高是聚脲材料的獨特優勢。
（4）工藝性：三元乙丙橡膠和高聚物改性瀝青卷材等工藝復雜、效率低，受人為因素影響較大；聚氨酯涂料固化速度慢、施工周期長；聚脲彈性體1 分鐘表干，10分鐘實干，固化速度快，可連續厚涂，施工速度快、效率高；可在復雜型面成型，涂層連續無接縫。聚脲節點細部施工較方便，不需纖維層增強，變形縫和施工縫密封可靠。聚脲配專用底漆可在潮濕基面施工，故聚脲工藝性最好。
（5）成本：在比較成本時，要比較相同防護性能條件下的成本，要比較防護性能的優勢、使用年限的長短、壽命周期費用的高低、以及節能性、環保性和社會效益，不能僅僅比較材料價格的高低。
就一次性成本而言，自粘性防水卷材和高聚物改性瀝青卷材略低，EVA 防水片材和聚氨酯居中，三元乙丙和聚脲略高。
就使用年限而言，聚脲使用年限較長，其他各種材料較低。若計算年均成本，則聚脲較低，其他材料較高。
建筑及基礎設施在運營期因防水故障而維修、修復或翻新，不但維修費用巨大，而且會造成巨大的間接損失。
故選取一次性成本略高，但性能優越、可靠性及維修性好，使用年限長，壽命周期費用低，年均防護成本低的聚脲彈性體涂料，比選用一次性成本略低，但使用年限短、壽命周期費用高，年均防護成本高的其他防水材料更經濟。僅以一次成本論輸贏的判別準則是值得商榷的。
（6）結論：聚脲有優異的綜合理化性能，卓越的工藝性和環保性，它能有效的解決目前建筑及基礎設施防護中面臨的許多難題：
實現真正的“皮膚式”防水，杜絕涂層的漏水和竄水。
杜絕涂層的“原位拉伸”，極大的提高了對基材開裂的防護性。
優異的耐磨、耐沖擊、耐穿刺功能。
可適用于混凝土基材迎水面防水，又可用于背水面防水。
可在干混凝土基材施工，亦可在潮濕基面施工。
獨特的混凝土基材的抗開裂、開裂的有效防護和失強基材補強的三合一功能。
既有良好的耐高溫性，又有優異的低溫柔性。
優良的防水、防腐和外觀裝飾三合一功能。
優異的節點、細部（一頭、二縫、三口、四根）施工性和防水高可靠性。
卓越的工藝性：機械化程度高、施工速度快、周期短、效率高，適用于復雜型面施工，施工質量受人為影響和環境影響小。
確保二十一世紀人們普遍關注的防水材料的綠色環保性。
聚脲是新一代防護涂料，它將對混凝土基材防護帶來革命性變革，是傳統防水材料的更新換代的產品。
六、聚脲彈性涂料在建筑及基礎設施防護工程中的應用實例
1.高檔建筑防水及防水保溫一體化
（1）1995 年美國屋頂綠化施工者協會創導聚氨酯/聚脲防水復合結構，從而實現了保溫、防水一體化。美國的TWA 公司在工廠屋頂上施工了69677m2 的保溫防水復合結構。美國阿拉斯加倉庫屋面噴50mmPU泡沫，1mm聚脲，共2800m2。
（2）近年來美國在高檔大型公共建筑外墻結構中采用了EPS 保溫、聚脲防水和表面裝飾一體化復合體系，使外墻立面造型千變萬化，絢麗多彩，使建筑成為名副其實的凝固藝術。
（3）上海德嘉廣場、上海恒隆廣場的屋頂立體綠化工程，近萬平米。
2. 橋梁防護
（1）美國加利福尼亞州舊金山市的圣馬特（San Mateo）混凝土大橋，橫跨舊金山海灣，原建于1929年，1999年進行拓寬大修工程，橋長8600米，選用聚脲做防護層，對柱子、梁和橋面板進行防護。該大橋總長8600米，防護總面積29.7萬平米，2003年5月完工。
（2）美國華盛頓州PASCO水泥高架橋，建于20世紀30年代，經過幾十年的使用，橋梁混凝土結構開裂、剝落、腐蝕嚴重，已屬危橋。經過多方面考證，最后決定用聚脲涂層進行防護和補強，采用不停用的情況下分段修復，既大大減低了建橋費用，也減少了停用的損失。
美國肯塔基州在1995年～1997年間和采用聚脲對17座橋梁進行了修復。
美國賓法尼亞州在1998年～2001年間用聚脲共修復17座橋梁。美國俄亥俄州、馬里蘭州和弗吉尼亞也用聚脲對水泥高架橋進行了修復。
（4）臺灣輕軌鐵路無渣路基用聚脲進行防護。
（5）津京城際高速鐵路無渣路基采用2mm聚脲做防護層，現已完工，正在試運行。所用聚脲技術指標如下：拉伸強度≥10Mpa，撕裂強度≥45KN/m，斷裂延伸率≥250％，與混凝土基面粘結強度≥3.5Mpa。奧運配套工程，防水面積約100萬平米。
3. 隧道及地鐵防護工程
（1）美國波士頓市區的地鐵隧道防水工程：三節雙孔鋼筋混凝土沉廂式隧道，全長210米，單節隧道長70.1 米，寬11.23 米，
相關施工技術文章
-
2014-08-09碳纖維布加固橋涵蓋板 - 2014-08-09橡膠瀝青自粘防水卷材特點及應用范圍
- 2014-07-15屋面防水材料故障的解決方法
- 2014-08-09淺談二次防水的重要性
- 2014-08-09廣州市番禺市橋大橋檢驗及維修加固設計
- 2014-08-09泵送混凝土施工裂縫的成因和防治
- 2014-08-09防水涂料用彈性丙烯酸酯共聚乳液的研制
- 2014-08-09混凝土工程中常見裂縫問題的預防與處理措施
- 2014-08-05露臺種植屋面的防水做法
- 2014-08-05屋面防水保溫層上保護層施工做法