柔性丙烯酸盐灌浆材料是否可代谢（适应高寒坝面防护脲基聚合物研究及工程应用）

柔性丙烯酸盐灌浆材料是否可代谢（适应高寒坝面防护脲基聚合物研究及工程应用）基于已有研究及高寒地区混凝土结构冬季运行需要，结合新材料、新技术、新工艺的发展，将性能优越的高分子材料进行复合应用，对混凝土大坝进行防护和修复尤为重要。其中，喷涂聚脲弹性体技术是国外近十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，具有固化快、100%固含量、对湿度不敏感、适应于任何立曲面等特点 具有耐腐蚀、抗冻融、绿色环保、力学性能良好等优异性能 在我国得到了迅猛的发展。中国水利水电科学研究院采用聚脲专用喷涂设备，首次将美国聚脲材料用于水利水电工程中 自此以后聚脲弹性体技术在我国水利水电工程防渗领域广泛被应用。但调查表明，聚脲防渗涂层在水利水电工程实际运行中出现了一些破坏现象 如输水隧洞和输水箱涵的伸缩缝聚脲防渗涂层在水压作用下产生了剪切、剥离等结构破坏，水电站蜗壳表面、坝面、输水渡槽等在水中运行的聚脲防渗涂层出现了水解老化的耐久性破坏 尤其应用于大坝寒冷地区的聚

摘 要：

高寒地区气候变化复杂，对混凝土大坝的施工和运行极为不利，特别是在极端温度运行水、冰拔荷载的作用下，极易产生开裂渗漏、冻胀、损伤等破坏，表面防护是目前解决这一问题的有效手段。针对上述问题，为提高大坝结构耐久性及安全性，研究了适应高寒环境的脲基聚合物表面防护材料体系，包括SPUA-SKJ-II脲基聚合物涂层材料、SKJ-001和SKJ-002水工专用底漆材料、SKJ-OS抗冰拔材料等。室内试验及现场实践的结果表明，研发的脲基聚合物体系在复杂的施工环境下粘接性能均大于2.5 MPa 能够适应低温、潮湿、灰尘等恶劣的水利工程施工环境，解决了传统防渗材料对基面及施工环境要求高的问题；体系材料具有抗拉强度高、裂缝追随性强、防渗抗冻融效果好、耐老化、施工工艺简单等优点。该表面防护体系技术在高寒高纬度地区黑龙江奋斗水库的应用，弱化了施工期温控及保温措施，降低了施工成本，经3 a运行效果良好，为类似工程提供成功案例。

关键词：高寒地区;奋斗水库;防渗防护;脲基聚合物体系;混凝土;水利工程;抗冻性能;

作者简介：刘小楠(1991—) 女，工程师，硕士，主要从事高分子材料及高聚物研究。E-mail:liuxiaonan1991@iwhr.com;*李炳奇(1966—) 男，正高级工程师，结构材料所总工程师，博士研究生导师，博士，主要从事结构诊断与加固研究。E-mail:libq@iwhr.com;

基金：国家重点研发计划(2018YFC0406700);中国水科院专项(SS0145B492019);

引用：刘小楠，李炳奇，冯明伟，等． 适应高寒坝面防护脲基聚合物研究及工程应用［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 8) : 27-37. LIU Xiaonan，LI Bingqi，FENG Mingwei，et al． Study and engineering application of urea-based polymer adaptable for surface protection of concrete dam in alpine region ［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 8) : 27-37.

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0 引 言

在我国建成的和在建的水工建筑物中，渗漏是最常见的病害，产生渗漏的主要原因在于伸缩缝和裂缝。尤其在高寒地区混凝土大坝在运行期迎水面普遍会出现裂缝 裂缝产生的渗漏会造成混凝土含水量增加，冻融破坏加重，加速混凝土结构老化，从而降低混凝土结构耐久性，影响水工建筑物安全运行。同时，在高寒地区随着水库蓄水过程中，冰盖会随着水位变化产生上下移动，从而对坝体产生拔起和撕裂破坏 因此，冰拔破坏和渗漏破坏使得寒区混凝土结构的受力与破坏形式更加复杂，因此针对高寒地区水工建筑物的安全运行，需要进行防渗抗冰拔一体化的防治防护。

为解决高寒地区气温骤降、渗漏、冰拔等破坏降低混凝土结构的耐久性问题，国内外学者做出了许多研究。周爱山等针对黄壁庄水库主、副坝较长的特点，通过研发设备防止库面结冰的工程措施，进行了抗冰拔治理。曹登云等研制了聚氨酯防水涂料，并应用于新疆地区某水利工程的防水抗冰拔防护。葛建锐等通过理论分析，给出无冰盖、有冰盖、冻胀破坏等对水工建筑物的破坏规律，为防冰设计和施工提供了一定的理论基础。但是以上方法不能同时解决冰推、冰拔对坝体的破坏，防治效果较弱，且主要是针对渗漏、冰拔、冰推破坏没有进行一体化防治。赵成先等分别从保温材料种类、抗冰技术、应用案例和调研结果等方面，回顾了寒冷环境下国内混凝土大坝的保温和抗冰技术的现状，研究了表面覆盖砂浆或涂层技术、设置抗冰装置措施等技术在大坝混凝土的抗冰冻领域的应用现状，提出了在使用过程中的耐久性问题、缺少统一的材料及施工技术规范，缺少抗冰拔性能的具体检测方法及设备等问题，并指出今后高寒地区的混凝土大坝防渗、保温、抗冰拔研究过程中需要制订相应的技术规范以指导寒冷环境下水库大坝混凝土的防渗抗冰拔防护工作。

基于已有研究及高寒地区混凝土结构冬季运行需要，结合新材料、新技术、新工艺的发展，将性能优越的高分子材料进行复合应用，对混凝土大坝进行防护和修复尤为重要。其中，喷涂聚脲弹性体技术是国外近十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，具有固化快、100%固含量、对湿度不敏感、适应于任何立曲面等特点 具有耐腐蚀、抗冻融、绿色环保、力学性能良好等优异性能 在我国得到了迅猛的发展。中国水利水电科学研究院采用聚脲专用喷涂设备，首次将美国聚脲材料用于水利水电工程中 自此以后聚脲弹性体技术在我国水利水电工程防渗领域广泛被应用。但调查表明，聚脲防渗涂层在水利水电工程实际运行中出现了一些破坏现象 如输水隧洞和输水箱涵的伸缩缝聚脲防渗涂层在水压作用下产生了剪切、剥离等结构破坏，水电站蜗壳表面、坝面、输水渡槽等在水中运行的聚脲防渗涂层出现了水解老化的耐久性破坏 尤其应用于大坝寒冷地区的聚脲防护材料在水位变动区冻融破坏严重。

针对以上材料在水工建筑物工程中的应用耐久性问题，李炳奇等针对水利工程长期运行环境，研究了能够适应低温、潮湿的工作环境，具有绿色环保、止水性能好、耐久性及抗冲耐磨性强、适应伸缩缝三维变形能力且能够承担反向水压力作用的聚脲基复合防渗体系(EP-DTEW工法) 及材料。针对以上高寒地区防渗抗冰拔防护问题，李炳奇等针对寒冷地区的混凝土大坝提出一种适用于迎水面水位变动区域的防渗-保温-抗冰防护结构，另外，针对高寒地区混凝土面板坝，提出一种使用寿命长，防渗、抗冰拔、抗冰推效果好、可局部简单修复的混凝土面板坝表层接缝防渗防护结构。

针对高寒地区的环境特点：混凝土大坝所处地区施工环境恶劣，如低温、潮湿、结露、雨雪、大风灰尘等，不仅要承受多重荷载和环境因子耦合作用影响，局部还要承受结构大变形破坏 在已有聚脲基复合防渗体系(EP_DTEW工法)技术的基础上，发展了憎水纳米技术，将底漆系统、防渗层、抗冰拔防护层一体化复合，研发了适应高寒坝面防护脲基聚合物体系，对高寒地区混凝土大坝起到防渗、抗冰拔一体化防护效果，同时在黑龙江奋斗水库、丰宁抽水蓄能电站上库主坝进行应用，证明了脲基聚合物体系防渗抗冰拔效果较好。

1 脲基聚合物复合防渗体系材料

根据寒冷地区冰冻破坏机理及防渗抗冰拔防护需要，体系材料应该具有如下性能：(1)在寒区复杂自然施工条件下，底漆系统材料应具有良好的粘接性能；(2)在寒冷条件下防渗涂层应该持续具有良好的防渗性和物理力学性能；(3)抗冰拔材料应该具有较低的吸水率和较大的接触角，一方面可以防止水透过抗冰拔层与防渗涂层粘接，另一方面可以保障与水呈点接触，从而减小冰拔破坏。

1.1 表面防渗防护材料

为适应高寒地区混凝土大坝低温、雨雪、大风灰尘的施工环境，研发了具有较高黏结力和环境容忍度的表面防渗防护材料——SPUA-SKJ-II脲基聚合物涂层材料[16]。该材料由固化剂组分(A组分)与树脂、抗冻助剂、憎水助剂等组成的聚醚组分(B组分)反应生成的一种含有众多脲基甲酸酯(脲键)基团的弹性体材料，主体反应如式(1) 具有高反应活性、高固化速率、无VOC、环境有好等特性，其高脲键特点使得涂层材料具有高内聚能、高耐久性、低吸水率的优点，能够满足水利水电工程防水、防渗要求。

按照《喷涂聚脲防水涂料》中的技术指标和检测方法，采用万能拉伸机，对这种新型脲基聚合物涂层材料进行物理力学性能指标检测，其物理力学性能指标如表1所列，对其进行低温(-20 ℃)条件下的拉伸试验，试验速度为50 mm/min 其伸长率为50%的拉应力为6 MPa 如图1所示，SPUA-SKJ-II型脲基聚合物涂层材料低温拉伸强度高，可以满足高寒地区混凝土大坝防渗要求。

表1 SPUA-SKJ-II脲基聚合物涂层材料物理力学性能

Table 1 SPUA-SKJ-II urea-based polymer coating material phySical and mechanical properties

固体含 量/%	表干时 间/s	拉伸强 度/MPa	断裂伸 长率/%	撕裂强度 /N·mm-1	吸水 率/%
100	12	23.3	460	98	1.0

1.2 抗冰拔防护材料

应用于高寒地区混凝土大坝的抗冰拔防护材料，应满足吸水率低、接触角大、与防渗层具有良好的协同变形性能和粘接性能等要求。传统的抗冰拔防护材料有氟碳漆、天冬面漆等，这些材料一方面要求在表面防渗涂层材料施工后2 h内进行施工 施工要求高；另一方面氟碳漆是刚性材料，与表面防渗材料没有协同变形性，而天冬面漆的吸水率较高，在寒冷地区容易与冰形成粘接，失去抗冰拔作用。针对传统抗冰拔防护材料的局限性，通过有机硅改性脂肪族异氰酸酯，复配纳米憎水助剂及潜伏固化剂，研发了具有较高耐久性和环境容忍度的抗冰拔防护材料——SKJ-OS纳米抗冰拔防护材料(材料合成过程见图2) 由于引入的硅元素电负性大，Si-O键能高，表面能低、接触角大等特性，有机硅改性抗冰拔面漆材料具有优越的各项性能，与表面防渗涂层具有良好的的协同变形性能。

对SKJ-OS纳米抗冰拔防护材料进行物理力学性能指标检测，其物理力学性能指标如表2所列。

表2 SKJ-OS纳米抗冰拔防护材料物理力学性能

Table 2 Physical and mechanical properties of SKJ-OS nano anti-icing uplift protection material

固体含 量/%	表干时 间/min	拉伸强 度/MPa	协同变 形性/%	接触角 /(°)	吸水 率/%
75	30	2.0	180	114.07	0.3

按照《喷涂聚脲防水涂料》[20]中的检测方法，采用材料万能拉伸试验机对其与脲基聚合物复合涂层进行低温协同变形性能测试，试验速度为50 mm/min 测试温度为(-20±2) ℃ 其协同伸长率可达180% 可以满足高寒地区混凝土大坝在极端寒冷条件下的变形要求，性能试验如图2(b)所示。

为检验SKJ-OS纳米抗冰拔防护材料的疏水性能，按照《纳米薄膜接触角测量方法》[21]中的检测方法，采用接触角测定仪(上海方瑞仪器有限公司)进行测试，测试了脲基聚合物涂层材料和SKJ-OS纳米抗冰拔防护材料的接触角。测试结果如图3所示。接触角测试结果表明：传统聚脲防渗涂层的接触角为78.21° 疏水性能良好，涂刷纳米抗冰拔防护材料后的接触角为114.07° 较传统聚脲防渗涂层的接触角增大了35.86° 较高程度地提高了疏水性能。

1.3 底漆系统材料

为保证脲基聚合物涂层和混凝土之间的附着力，界面底漆是不可缺少的。底漆的主要作用有：(1)封闭混凝土基材表面毛细孔中的水分和空气，避免脲基聚合物涂层喷涂后出现鼓包和针孔现象；(2)起到胶黏剂的作用，提高涂层和混凝土基面的黏结强度，提高防护效果；(3)对混凝土基材起到加固补强作用，提高混凝土基材本体的强度。文献对市场上的多种底漆材料(包括环氧类型和聚氨酯类)进行了低温、潮湿环境下的现场试验，结果均不理想，表明传统底漆材料不适合水利工程低温、潮湿的环境。

针对传统底漆材料的局限性，考虑到高寒地区混凝土大坝低温、雨雪、大风灰尘的施工环境，通过硅烷改性环氧树脂、复配增韧助剂、超水浸润助剂、粘接助剂等，形成两种双组分底漆系统材料——SKJ-001和SKJ-002水工专用底漆。水工专用底漆系统与混凝土基面及脲基聚合物涂层以化学键、氢键、物理锚固作用连接，且有较高的粘接力。底漆系统与混凝土发生脱水缩合反应的化学机理如图4所示。采用粘接力拉拔仪(Posi Test AT 美国进口)对底漆系统在不同界面湿度下与C30混凝土的附着力进行检测，粘接性能如表3所列。

表3 SKJ底漆系统对不同湿度界面(C30混凝土)粘接力试验

Table 3 Adhesion test of urea-based polymer system to different humidity interface (C30 concrete)

湿度值/%	粘接力值/MPa	平均值/MPa
	4.83
70	5.12	4.97
	4.96
	4.76
85	4.88	4.90
	5.06
	4.67
100	4.93	4.87
	5.01
	3.83
明 水	2.86	3.69
	4.37

2 室内试验2.1 试验设计

高寒地区混凝土冻融破坏是影响结构耐久性的主要因素之一，而冻融产生的主要原因包括：(1)混凝土材料本身原因及施工因素；(2)温度变化及水位变化引起的冻融循环；(3)水通过渗水通道进入混凝土后在冬季结冰形成冻胀。在混凝土表面形成脲基聚合物防护涂层，减少混凝土在水中的浸泡时间和次数，使得混凝土长期处于干燥状态，是降低冻融破坏、提高混凝土耐久性的方法之一。为了研究脲基聚合物体系对混凝土冻融循环破坏的影响，开展了冻融循环试验。

为了使防护涂层对混凝土具有抗冻融的作用，粘接性能是判断防护涂层与混凝土一体化的指标之一。高寒地区混凝土大坝施工环境具有低温、雨雪、大风灰尘等特点，为了研究在复杂施工环境下防护涂层与混凝土的粘接性能，开展了不同工况下的脲基聚合物体系与混凝土的粘接性能试验。

高寒地区水库大坝在冬季运行，水位变动较为频繁，水位变动会引起冰盖向上向下运动，从而造成冰拔、冰推破坏。为了防止冰盖对混凝土坝面形成破坏，在大坝表面形成抗冰拔防护涂层是有效措施之一。抗冰拔防护涂层与冰盖的粘接情况是判断防护涂层的抗冰拔性能的指标之一，因此开展了冰冻试验。

2.2 粘接性能试验

高寒地区施工具有多雨多雪、大风灰尘、低温结露等多种工况，为了测试SKJ-001和SKJ-002底漆系统材料在不同工况下的附着力，进行了粘接性能试验。

2.2.1 试验件制作

按照《建筑防水涂料试验方法》(GB/T 16777—2008)[22]规定，购买70 mm×70 mm×20 mm的标准砂浆试验块20块，根据高寒地区复杂自然环境，包括无影响工况、下雨工况、灰尘工况、低温工况，按照以下步骤进行试件制作：(1)使用电动抛光打磨机将20块标准砂浆试验块打磨至无浮浆状态；(2)分为4组，每组5块(备用2块)标准砂浆试验块，分别在无影响工况、下雨工况、灰尘工况、低温工况下先后涂刷SKJ-001和SKJ-002水工专用底漆；(3)分别在各个工况下先后喷涂1.5 mm厚度的SPUA-SKJ-II脲基聚合物涂层作为防渗层。上述工作完成后，按照《建筑防水涂料试验方法》(GB/T 16777—2008) 在室温环境中(温度：25 ℃±2 ℃ 相对湿度：50%±5%)养护7 d后备用，然后进行粘接性能试验，试块如图5所示。

2.2.2 试验设备及方法

本次粘接性能测试是采用美国进口的涂层拉拔仪(Posi Test AT)完成的，按照《建筑防水涂料试验方法》(GB/T 16777—2008)要求进行粘接性能测试。

2.2.3 结果与讨论

采用脲基聚合物体系在低温、灰尘、下雨等试验工况下的粘接性能测试试验，试验结果如表4所列。结果表明，脲基聚合物体系材料对不同复杂试验工况具有较好的适应性，在各工况下可以承受的附着力均能达到2.5 MPa。

表4 脲基聚合物体系在不同工况下的(C30混凝土)粘接力试验

Table 4 Adhesion test of urea-based polymer system (C30 concrete) under different working conditions

工况/%	粘接力值/MPa	平均值/MPa	破坏形式
	4.51		混凝土处破坏
无影响	4.15	4.33	粘接面破坏
	4.33		混凝土处破坏
	4.17		混凝土处破坏
灰 尘	3.90	3.81	粘接面破坏
	3.35		混凝土处破坏
	3.94		混凝土处破坏
下 雨	3.47	3.63	粘接面破坏
	3.48		混凝土处破坏
	5.06		粘接面破坏
低温(5 ℃)	3.16	3.96	混凝土处破坏
	3.67		混凝土处破坏

2.3 冻融循环试验

混凝土冻融破坏是指已硬化的混凝土在浸水饱和或潮湿状态下，由于温度正负交替变化(气温或水位升降) 使混凝土内部孔隙水形成冻结膨胀压、渗透压等疲劳应力，造成混凝土由表及里逐渐剥蚀的一种破坏现象。为了研究脲基聚合物体系对混凝土冻融破坏的影响，以及SPUA-SKJ-II脲基聚合物涂层本身在冻融作用下的性能，进行了以下冻融循环试验。

2.3.1 试验件制作

2.3.1.1混凝土试验件的制作

与大连理工大学合作进行本试验研究，根据奋斗水库迎水面变态混凝土配合比(见表5) 依据《水工混凝土试验规程》[23]制作和养护混凝土试验件进行室内加速冻融试验，如图6所示。试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm 数量为6块，其中3块试件不做处理，剩余3块试件采用以下步骤进行处理：(1)首先使用电动抛光打磨机打磨试件表面，直至试件表面无孔洞且平整；然后在混凝土四周先后涂刷SKJ-001和SKJ-002水工专用底漆；(2)在底漆层上喷涂1.5 mm厚度的SPUA-SKJ-II脲基聚合物涂层作为防渗层；(3)最后在防渗层上涂刷50um厚度的SKJ-OS涂层作为抗冰冻防护层。上述工作完成后，按照《建筑防水涂料试验方法》[22] 在室温环境中(温度：25 ℃±2 ℃ 相对湿度：50%±5%)养护7 d后备用，然后进行抗冻性能试验。

2.3.1.2脲基聚合物涂层试验件的制作

将脲基聚合物材料的A组分和B组分按体积比1∶1 使用美国进口的固瑞克Reactor H-XP3 型喷涂机在喷涂动压力为2 500 psi 设定温度为60 ℃ 进行喷涂制样。样片厚度为1.5 mm 待试样固化后，按照《建筑防水涂料试验方法》[22] 在室温环境中(温度：25 ℃±2℃ 相对湿度：50%±5)养护7 d后，进行冻融循环后的拉伸性能测试。

表5 混凝土试件配合比

Table 5 Physical and mechanical properties of SKJ-OS nano anti-icing uplift protection material

水胶比	FA/%	减水剂/%	引气剂/10-4	1 m3混凝土材料用量/kg·m-3
				水	水 泥	FA	砂	石
0.45	50	0.7	8.0	110	122.2	122.2	672	1 276

2.3.2 试验设备及方法

大连理工大学的混凝土快速冻融试验机(TDR1)是目前国内最好的混凝土冻融试验设备，可实现快速、准确评定混凝土抗冻性能，本次冻融试验室在TDR1混凝土快速冻融试验机试验上进行的，按照《水工混凝土试验规程》中的混凝土抗冻性试验进行冻融试验。根据《水工混凝土试验规程》规范规定，当(1)已达到300 次冻融循环；(2)或相对动弹性模量损失率达到40%时即可停止试验。利用万能试验机测试脲基聚合物涂层的拉伸性能以及覆盖脲基聚合物体系的混凝土试验件抗压性能。

2.3.3 结果与讨论

根据《建筑防水涂料试验方法》测试脲基聚合物涂层在冻融循环作用下的拉伸性能变化，从而评价脲基聚合物涂层在冻融环境下的性能稳定性；根据《水工混凝土试验规程》 利用相对动弹性模量损失率判断喷涂脲基聚合物涂层的混凝土试验件抗冻等级，并结合测试试验件的抗压强度评价表面防护涂层对混凝土的抗冻保护效果。

2.3.3.1抗压强度和拉伸强度

对覆盖脲基聚合物涂层的混凝土试验件进行冻融试验后发现，冻融破坏对混凝土的抗压性能影响较小，经过300次冻融循环后，其抗拉强度损失率仅为13%。对脲基聚合物涂层进行冻融试验后发现，冻融破坏对脲基聚合物涂层本身的拉伸性能影响较小，经过300次冻融循环后，其拉伸强度损失率仅为10% 如图7所示。

2.3.3.2相对动弹性模量

分别对未喷涂脲基聚合物涂层的试验件和喷涂脲基聚合物涂层的试验件进行了加速冻融循环试验，结果显示，经历100次冻融循环后，未喷涂脲基聚合物涂层的混凝土试验件表面已严重破坏，试验件相对动弹性模量降至17.35% 抗冻等级低于F100 如表6所列；喷涂了脲基聚合物涂层的混凝土试验件经过300次冻融循环后表面未发现破坏，其抗冻等级达到F250 相对动弹性模量出现小幅增加，据分析为误差所致或由于脲基聚合物表面粘了少量水分所致，如表6所列。

表6 相对动弹性模量损失率

Table 6 Relative dynamic elastic modulus loss rate

%

试验件类型	循环次数/次
	50	100	150	200	250	300
无涂层试验件	0	82.65	—	—	—	—
有涂层试验件	0	-2.32	-5.61	-2.32	-3.56	-1.79

2.4 冰冻试验

目前冰粘附强度的测试目前尚未形成统一的测试标准，为检验抗冰拔防护材料与冰层之间的粘接情况，进行了以下冰冻试验研究：将涂刷抗冰拔防护材料的脲基聚合物试件放在结冰的流动水(水温0 ℃作用)中，检测其在抗水-冰冲刷性能；同时将涂刷抗冰拔防护材料的脲基聚合物涂层放在水中并将其置于冷冻箱(冷冻箱内温度为-17 ℃)中进行结冰，测试其与冰的粘接情况。结果显示：(1)在水-冰冲刷作用下，涂刷抗冰拔防护材料的脲基聚合物试件表面没有划痕，具有较好的抗冲刷性能；(2)将涂刷抗冰拔防护材料的脲基聚合物涂层从冰中取出时，无需外力作用，冰从涂层上自动滑落，效果如图8所示。试验结果表明，SKJ-OS抗冰拔防护材料可以保证在冰冻作用下整个体系与冻冰相互独立，不会产生冰拔破坏。

3 工程应用3.1 奋斗水库

奋斗水库是一座以供水为主，兼顾防洪、发电、灌溉等综合利用的水库，库区地处黑龙江省东部，自然环境恶劣，夏季高温多雨，冬季严寒漫长。奋斗水库枢纽工程属于大II型水库工程，大坝结构型式为碾压混凝土重力坝，坝顶长度406 m 最大坝高45.9 m。奋斗水库地处穆棱河流域，属于中温带大陆性季风气候，受西伯利亚高压和太平洋副高压影响，夏季高温多雨，冬季严寒漫长。奋斗水库迎水坝面死水位EL.362高程至正常蓄水水位EL.382高程为冰冻范围，多年平均气温2.5 ℃ 最高气温出现在7、8月，极端最高气温36 ℃ 最低气温出现在1月，极端最低气温-44. 1 ℃ 河道封冻期一般在11月中旬，解冻期4月上旬，最大冰厚1.42 m 多年平均冰厚1.08 m。

2018年7月至2019年11月在奋斗水库全坝面采用脲基聚合物体系材料，包括：SKJ-001和SKJ-002底漆系统，SPUA-SKJ-II脲基聚合物涂层材料，进行了坝面防渗防护处理，变态混凝土部位设计厚度为1.5 mm 效果如图9所示。脲基聚合物防渗层的应用简化了奋斗水库的温控及保温措施，为工程节约了成本，经过3 a跟踪，附着力未见明显下降，如表7所列，效果良好，为类似工程提供成功案例。

表7 脲基聚合物体系在奋斗水库的粘接力测试

Table 7 Adhesion test of urea-based polymer system in Fendou Reservoir

时 间	粘接力值/MPa	平均值/MPa	破坏形式
	3.87		混凝土处破坏
2019-11	3.54	3.40	混凝土处破坏
	2.80		混凝土处破坏
	3.66		混凝土处破坏
2021-05	3.50	3.34	混凝土处破坏
	2.85		混凝土处破坏

3.2 丰宁抽水蓄能电站应用

丰宁抽水蓄能电站位于河北省承德市丰宁满族自治县境内，南距北京市180 km 东南距承德市170 km。电站的供电范围为京津及冀北电网。电站建成后，将为2022冬奥会提供绿色清洁能源，并和十三陵等先期建设的抽水蓄能电站及其他调峰电源，共同解决京津及冀北电网调峰能力不足，也包括调节风电负荷等问题。丰宁抽水蓄能电站上水库面板堆石坝最大坝高120.3 m 最大斜长201.47 m 地处严寒地区，上水库年均气温-1 ℃ 最冷月平均气温-20.4 ℃ 极端最低气温达-38.1 年冻融循环次数为160余次，导致运行环境复杂。工程地处区域气候条件复杂，雨雪天气多，大风灰尘多，导致施工环境极为复杂。为了防止由于原材料、环境温度、基础约束、不均匀沉降、高寒等复杂因素造成混凝土出现裂缝，影响水电站的经济效益，有必要采用表面防渗抗冰拔防护措施进行防渗。

2020年对丰宁抽水蓄能电站上库全坝面采用脲基聚合物体系技术进行了表面防渗抗冰拔防护处理，使用材料包括SKJ-001和SKJ-002底漆系统、SPUA-SKJ-II脲基聚合物涂层材料、SKJ-OS抗冰拔防护材料，设计厚度为2 mm 效果如图10所示，经第三方对粘接力和涂层厚度进行检测，部分检测结果如表8所列，满足设计>2.5 MPa的要求。经过2020年冬季运行(最低气温-33 ℃)的考验，坝面脲基聚合物体系情况良好，起到了混凝土发生裂缝后的防渗防护效果。

表8 丰宁抽水蓄能电站上库脲基聚合物体系部分粘接力检测结果

Table 8 Relative dynamic elastic modulus loss rate

检测区域	粘接强度/MPa	破坏型式
1	4.17	混凝土处破坏
2	3.35	混凝土处破坏
3	3.90	混凝土处破坏
4	5.35	混凝土处破坏
5	4.33	混凝土处破坏
6	4.27	混凝土处破坏
7	2.71	混凝土处破坏
平均值	4.01

4 结果讨论

目前，常见的混凝土防渗、抗冻融防护材料有环氧材料、市售聚氨酯(脲)体系。环氧材料为刚性材料，高寒地区混凝土温度变形较大，刚性材料不适用于混凝土表面防渗防护；市售聚氨酯(脲)体系在水利工程上的应用耐久性为1～2 a。本文试验的脲基聚合物体系主材配比具有NCO含量大于18%、添加了憎水助剂、纳米抗冻助剂等特点，NCO含量及特有助剂保证了体系的耐久性及适应高寒环境。

本文主要进行了脲基聚合物体系在高寒地区混凝土结构上的试验及现场应用研究，以往也进行了体系破坏的力学及耐久性研究，今后将对脲基聚合物体系微观化学及宏观结构相互作用机理进行交叉学科的理论研究。

5 结 论

针对高寒地区混凝土大坝的复杂施工自然环境和运行环境特性，通过粘接性能试验、室内冻融试验、冰冻试验及工程应用，得出以下结论：

(1)由于高寒地区混凝土大坝所处自然环境具有雨雪多、扬尘大、温度低等特点，造成施工环境极为复杂。通过进行不同工况下的脲基聚合物体系粘接性能试验，试验研究表明，研发的脲基聚合物体系在复杂的施工环境下粘接性能均能大于2.5 MPa的指标要求，能够适应低温、潮湿、灰尘等恶劣的水利工程施工环境，解决了传统防渗材料对基面及施工环境要求高的问题。

(2)通过对脲基聚合物涂层材料、覆盖与未覆盖脲基聚合物体系材料的混凝土试验件进行了室内加速冻融循环试验，试验结果表明，冻融破坏对脲基聚合物涂层本身的拉伸性能及复合脲基聚合物涂层的混凝土试验件的抗压强度影响较小，可以有效提高混凝土试验件的抗冻性能。同时冰冻试验表明，表面抗冰拔材料在结冰情况下与冰不粘接，可以有效解决高寒地区混凝土大坝的冰拔冰冻破坏。

(3)脲基聚合物体系在高寒地区黑龙江奋斗水库和丰宁抽水蓄能电站上库中得到实际应用，通过现场第三方检测、正常运行监测等，结果均表明了该材料体系起到了防渗抗冰拔防护效果，在高寒地区混凝土大坝防渗防护应用中具有可靠性和实用性。因此，该体系材料有望应用于高寒地区水工建筑物的表面防渗抗冰拔防护，从而提高水利水电工程建筑物的耐久性。

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水利水电技术（中英文）

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