CN114806323B - 一种高寒地区水工建筑物防护与修补材料及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高寒地区水工建筑物防护与修补材料。它由底层材料和面层材料组成，底层材料为厚度0.1～0.3mm增韧改性环氧树脂，面层涂料为厚度2～5mm引入紫外线屏蔽剂的耐候改性环氧砂浆；增韧改性环氧树脂的A组分是由纳米MoO₂/MoO₃改性双酚A环氧树脂、活性稀释剂、促进剂混合组成，B组分为改性脂肪族胺类固化剂；耐候改性环氧砂浆的C组分由双酚A环氧树脂、粉煤灰、硅灰石、活性稀释剂、分散剂、紫外线屏蔽剂、紫外线吸收剂混合组成；D组分为改性脂肪族胺类固化剂、惰性稀释剂、耐磨填料混合组成。本发明具有良好的耐紫外老化与抗冻性能的优点。本发明还公开了高寒地区水工建筑物防护与修补材料的施工方法。

Description

一种高寒地区水工建筑物防护与修补材料及其施工方法

技术领域

本发明涉及水工混凝土表面防护与修补领域，具体是指一种高寒地区水工建筑物防护与修补材料，更具体地说它是一种在高寒地区环境条件下，在水工建筑物表面涂覆使用的混凝土表面防护与修补材料。本发明还公开了一种高寒地区水工建筑物防护与修补材料的施工方法。

背景技术

我国西部高寒地区水资源丰富，水利水电工程众多。此类工程运行环境普遍具有高频冻融、大昼夜温差、强紫外辐射、频繁干湿交替等特点。水工建筑物例如导流洞、挡水坝、水闸、溢洪道、输水渠道、鱼道等长期在此服役环境下，混凝土结构，尤其是缺陷部位，容易出现黄变褪色、变形开裂、冻融破坏、渗漏溶蚀、化学侵蚀、冲刷磨损、剥蚀脱落等耐久性问题。对水工建筑物进行防护与修补处理有利于提高使用效率，确保运行安全。目前，表面材层防护与修补是有效技术措施之一，其中又以环氧树脂基材料应用较为广泛，在国内外大中型水利水电工程中已有大量成功案例。但是在高寒地区气候条件下，常用的环氧树脂基材层材料往往存在柔韧性不足、固化缓慢、光热降解和冻融劣化失效等问题，施工效率和服役寿命受到严重制约。

因此，开发一种在高寒地区气候条件下，具有较好的力学性能与施工适应性，同时兼具良好的耐紫外老化与抗冻性能，施工效率高，服役寿命长的水工建筑物防护与修补材料很有必要。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供一种高寒地区水工建筑物防护与修补材料，为一种适合在高寒地区特殊服役环境下，即高紫外辐射量、大昼夜温差、频繁冻融、低温期长、干湿循环、大风干燥等条件，在水工建筑物表面涂覆使用的混凝土防护与修补材料，耐久性好，具有较好的力学性能与施工适应性，同时兼具良好的耐紫外老化与抗冻性能，施工效率高，服役寿命长；克服了现有技术在高寒地区气候条件下，常用的环氧树脂基材层材料往往存在柔韧性不足、固化缓慢、光热降解和冻融劣化失效等问题，施工效率和服役寿命受到严重制约的缺点。

本发明的第二目的是为了提供所述的高寒地区水工建筑物防护与修补材料的施工方法。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：一种高寒地区水工建筑物防护与修补材料，其特征在于：采用底层增韧改性环氧树脂+面层耐候改性环氧砂浆组成；

由底层材料和面层材料组成，其中所述底层材料为厚度0.1～0.3mm增韧改性环氧树脂，所述面层涂料为厚度2～5mm引入紫外线屏蔽剂的耐候改性环氧砂浆；底层材料和面层材料的厚度没有优选，应根据不同应用部位要求进行设计要求；一般地，非过流面底层厚度为0.1～0.2mm+面层厚度为2～3mm；过流面底层厚度为0.2～0.3mm+面层厚度为3～5mm。

所述的增韧改性环氧树脂，为A、B双组份组成，其中A组分是由重量百分数为65～80％纳米MoO₂/MoO₃改性双酚A环氧树脂、15～25％活性稀释剂、5～15％促进剂混合组成；B组分为改性脂肪族胺类固化剂；其中A组分与B组分的重量比为2:1～3:1；

所述的耐候改性环氧砂浆，为C、D双组份组成，其中C组分由重量百分数为30～40％双酚A环氧树脂、15～25％粉煤灰、5～10％硅灰石、25～35％活性稀释剂(同A组分活性稀释剂)、5～10％分散剂、1～3％紫外线屏蔽剂、0.5％～1.5％紫外线吸收剂混合组成；D组分由重量百分数为60～80％改性脂肪族胺类固化剂(同B组分改性脂肪族胺类固化剂)、5～10％惰性稀释剂、20～30％耐磨填料混合组成；其中C组分与D组分的重量比为10:3～10:5。

在上述技术方案中，A组分由76％纳米改性双酚A环氧树脂、17％活性稀释剂、7％促进剂组成；

活性稀释剂为丙氧化甘油三丙烯酸酯。

促进剂为新癸酸缩水甘油脂。

惰性稀释剂为二甲基甲酰胺。

在上述技术方案中，改性脂肪族胺类固化剂选用硫脲改性多元胺。

在上述技术方案中，改性双酚A环氧树脂的改性制备方法如下：

先将纳米MoO₂和纳米MoO₃按照重量比1:5比例混合；然后加入无水乙醇中，按150r/min转速磁力搅拌30min，用超声波分散30～60min形成悬浊液；将悬浊液加入双酚A型环氧树脂E51中，在60℃下高速搅拌1～2h，室温陈化4～8h后，得到纳米改性环氧树脂，其中纳米材料掺量为环氧树脂重量的1.5％。采用纳米氧化钼复合改性环氧树脂，提高底层环氧树脂的韧性、粘接强度与拉伸剪切性能。

本发明主要通过纳米粒子改性环氧树脂以增强材料韧性和强度，同时通过功能性填料提高材料结构密实度和抗渗性，从而提高本发明的耐候性；通过紫外线屏蔽剂和紫外线吸收剂增强材料抗冻耐紫外等耐候性。

在上述技术方案中，所述分散剂由三异丙醇胺、乙二醇、尿素按重量比1:3:2组成。

在上述技术方案中，所述紫外线屏蔽剂为纳米MoS₂；

紫外线吸收剂由UV-1、UV-9和UV-970按重量比1:1:2组成。

在上述技术方案中，所述耐磨填料为金刚砂、棕刚玉粉、橡胶颗粒、塑料颗粒、粉煤灰、瓷粉中的至少一种，可以起到抗冲磨及润滑作用。

在上述技术方案中，所述耐磨填料优选为金刚砂、棕刚玉粉、塑料颗粒、瓷粉中的至少一种。

在上述技术方案中，在所述的增韧改性环氧树脂中，A组分由重量百分数为74％纳米改性双酚A环氧树脂、19％丙氧化甘油三丙烯酸酯、7％新癸酸缩水甘油脂混合组成；B组分为硫脲改性多元胺；其中，A：B＝2.5：1；

在耐候改性环氧砂浆中，C组分由重量百分数为36％双酚A环氧树脂、19％粉煤灰、9％硅灰石、28％活性稀释剂、6％分散剂、1.0％纳米MoS₂、1.0％紫外线吸收剂混合组成；其中，紫外线吸收剂由UV-1、UV-9和UV-970按重量比1:1:2组成；D组分由重量百分数为72％改性脂肪族胺类固化剂、8％二甲基甲酰胺、20％金刚砂组成；其中，C：D＝10：3。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的高寒地区水工建筑物防护与修补材料的施工方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：基面处理：打磨混凝土至混凝土平整新面，用高压水或风枪冲净混凝土新面，自然风干或烘干；

步骤2：底层材料配制及涂刷：按增韧环氧树脂A组分：B组分重量比2:1～3:1混合；沿逆水流方向均匀涂刷于混凝土表面，涂刷顺序为由上向下、由左向右、对角线交叉，最后收面和修整边角；涂刷厚度为0.1～0.3mm，分次涂刷，每次涂刷厚度约为0.1mm；

步骤3：面层材料配制及涂刮：待底层材料表干后，进行面层材料涂刮；按耐候环氧砂浆C组分：D组分重量比10:3～10:5混合，机械搅拌至均匀；沿逆水流方向均匀涂刮于混凝土表面，涂刮顺序为由上向下、由左向右，最后修整边角与搭接；涂刮厚度为2～5mm，分次涂刮，每次涂刮厚度为1～2mm；

步骤4：涂层养护：施工后至表干固化前避免雨淋、剐蹭、踩踏，1～4d表干后自然养护，5～10d后可投入使用。

本发明的有益效果是：

(1)利用高纯度纳米MoO₂/MoO₃改性环氧树脂，有利于提高环氧树脂的柔韧性与热稳定性，同时有利于提高环氧砂浆与混凝土之间的粘接强度；

(2)引入粉煤灰和耐磨填料，有利于提高环氧砂浆的润滑性、耐磨性和抗冲击性，进一步提高环氧砂浆的施工适应性；

(3)加入紫外线屏蔽剂和紫外线吸收剂，通过吸收并反射光能，防止环氧树脂分子链降解，有利于提高环氧砂浆的耐紫外老化性能。

本发明具有良好的力学性能与耐紫外老化、抗冻等耐久性，同时在高寒地区施工适应性好，便于施工；本发明可以有效延长高寒地区混凝土服役寿命，降低水利水电工程水工建筑物的维护成本。

具体实施方式

下面结合实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

本发明是一种实用的防护与修补材料体系，具有较好的在高寒地区的力学性能与施工适应性，同时兼具良好的耐紫外老化与抗冻性能，对水工建筑物的高效安全运行具有重要应用价值。

实施例1：

本实施例由底层材料和面层材料组成，其中所述底层材料为厚度0.3mm增韧改性环氧树脂，所述面层涂料为厚度5mm引入紫外线屏蔽剂的耐候改性环氧砂浆；

增韧改性环氧树脂为A、B双组份组成：

A组分：68％纳米改性双酚A环氧树脂、22％丙氧化甘油三丙烯酸酯、10％新癸酸缩水甘油脂混合组成；

B组分：硫脲改性多元胺；

耐候改性环氧砂浆为C、D双组份组成：

C组分：32％双酚A环氧树脂、25％粉煤灰、8％硅灰石、27％活性稀释剂、6％分散剂、1.5％纳米MoS₂、0.5％紫外线吸收剂(由UV-1、UV-9和UV-970按重量比1:1:2混合均匀)混合组成；

D组分：68％改性脂肪族胺类固化剂、7％二甲基甲酰胺、25％金刚砂。

其中，A：B＝2.5：1；

C：D＝10：4。

实施例2：

本实施例由底层材料和面层材料组成，其中所述底层材料为厚度0.1mm增韧改性环氧树脂，所述面层涂料为厚度2mm引入紫外线屏蔽剂的耐候改性环氧砂浆；

增韧改性环氧树脂为A、B双组份组成：

A组分：79％纳米改性双酚A环氧树脂、15％丙氧化甘油三丙烯酸酯、6％新癸酸缩水甘油脂混合组成；

B组分：硫脲改性多元胺；

耐候改性环氧砂浆为C、D双组份组成：

C组分：38％双酚A环氧树脂、18％粉煤灰、8％硅灰石、28％活性稀释剂、7％分散剂、0.5％纳米MoS₂、0.5％紫外线吸收剂(由UV-1、UV-9和UV-970按重量比1:1:2混合均匀)混合组成；

D组分：75％改性脂肪族胺类固化剂、10％二甲基甲酰胺、15％棕刚玉粉。

其中，A：B＝2：1；

C：D＝10：3。

实施例3：

本实施例由底层材料和面层材料组成，其中所述底层材料为厚度0.1mm增韧改性环氧树脂，所述面层涂料为厚度2mm引入紫外线屏蔽剂的耐候改性环氧砂浆；

增韧改性环氧树脂为A、B双组份组成：

A组分：74％纳米改性双酚A环氧树脂、19％丙氧化甘油三丙烯酸酯、7％新癸酸缩水甘油脂混合组成；

B组分：硫脲改性多元胺；

耐候改性环氧砂浆为C、D双组份组成：

C组分：36％双酚A环氧树脂、19％粉煤灰、9％硅灰石、28％活性稀释剂、6％分散剂、1.0％纳米MoS₂、1.0％紫外线吸收剂(由UV-1、UV-9和UV-970按重量比1:1:2混合均匀)混合组成；

D组分：72％改性脂肪族胺类固化剂、8％二甲基甲酰胺、20％金刚砂。

其中，A：B＝2.5：1；

C：D＝10：3。

将上述实施例1～3制备的环氧胶泥进行性能测试，测试结果如表1所示。

表1实施例1～3制备的耐候改性环氧砂浆性能测试结果

由表1可知，本实施例1-3制备的环氧胶泥的适用期、力学性能均满足标准JC/T1041-2007《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》的要求，抗冻等级满足JG/T 335-2011《混凝土结构防护用成膜型涂料》的要求。与现有环氧砂浆相比，本发明实施例1-3制备的环氧胶泥适用期得到延长，力学性能均显著增强，抗冻等级可达F250，人工气候老化2000h后不粉化，变色、开裂等级均低于2级，其中实施例3为优选。

应用例1：

将本发明的材料及施工方法在西藏地区某水利枢纽工程新建消力池开展工程试用。该水利枢纽为大(2)型工程，位于高原山地气候区，工程高程超过4200.00m。区域内昼夜温差大，多年平均气温6.9℃，极端最低温-23.9℃，极端最高温28.2℃；日照时间长且紫外线强度高，多年平均日照时数约3300h；气候干燥，年降雨量约150mm～300mm；风速较大，多年平均风速2.6m/s，历年最大风速29.6m/s。新建消力池作为消能建筑物，受到强紫外辐射、大昼夜温差、干湿循环、含砂水流长期作用，需要进行混凝土表面耐紫外抗冻防护。

采用本发明实施例3制备的高寒地区水工建筑物防护与修补材料及本发明的施工方法对新建消力池侧墙部位进行混凝土表面防护，具体方法为：将混凝土基面打磨、清洗、风干；将增韧环氧树脂A、B组分按重量比2.5：1混合均匀，涂刷于混凝土表面，涂刷厚度为0.1mm；将耐候环氧砂浆C、D组分按重量比10：4混合均匀，涂刮于混凝土表面，涂刮厚度为3mm；施工3d后表干，再自然养护7d后投入使用。

检测表明：增韧环氧树脂主要技术参数为：抗拉强度＞15.0MPa、拉伸剪切强度＞10.0MPa、粘接强度＞5.0MPa；耐候环氧砂浆主要技术参数：抗压强度＞80.0MPa、抗拉强度＞11.0MPa、与混凝土粘接强度＞2.5MPa、抗渗压力＞1.5MPa、抗冻等级F250、2000h加速紫外老化无异常。材料性能均达到设计要求。经过2年运行后，现场检测发现，涂层外观完整，未出现黄变、开裂、软化、溶胀、鼓包、破损、脱落等异常，涂层与混凝土基底稳固粘接，说明涂层具有良好的防冻融、防渗、耐老化性能，起到了显著的防护效果。

应用例2：

将本发明的材料及施工方法试用于新疆地区某大型水电站大坝背水面防渗，该工程为中型III等工程，位于温带干旱寒冷气候区，气候特点为冬季严寒，大昼夜温差，年均气温4.2℃，极端最低温-50.2℃，极端最高温40.2℃；光照充足，全年日照时数超过3000h；降水量少，蒸发量大，年均降水量约130～210mm，年蒸发量1300～2100mm。大坝自蓄水运行8年后，坝体出现裂缝导致局部渗漏，秋冬季节时在坝后背水面形成冰拔，影响到大坝结构耐久性和长期安全性。对坝体渗漏通道进行灌浆堵漏后，还需要对背水面进行表面修补与防渗处理。

采用本发明实施例3制备的高寒地区水工建筑物防护与修补材料及本发明施工方法对大坝背水面进行混凝土表面裂缝修补，具体方法为：沿裂缝处两侧各15cm范围打磨、清洗、烘干混凝土基面；将增韧环氧树脂按重量比2：1混合均匀，涂刷增韧环氧树脂0.2mm；再将耐候环氧砂浆按重量比10：3混合均匀，涂刮于裂缝处并找平，涂刮厚度5mm；施工1d后表干，再自然养护6d后投入使用。

检测表明：增韧环氧树脂主要技术参数为：抗拉强度＞17.0MPa、拉伸剪切强度＞12.0MPa、粘接强度＞5.5MPa；耐候环氧砂浆主要技术参数：抗压强度＞85.0MPa、抗拉强度＞12.0MPa、与混凝土粘接强度＞3.5MPa、抗渗压力＞1.4MPa、抗冻等级F300、2000h加速紫外老化无异常。材料性能均达到设计要求。施工后，第1年冬季坝后挂冰显著减少。经过3年巡视检查，坝后春夏季无渗水，涂层材料无老化、破损等现象；秋冬季无冰拔，混凝土无冻胀破坏。

应用例3：

将本发明的材料及施工方法试用于新疆地区某大型输水渠道混凝土修补工程。该工程为大(2)型工程，所在区域属大陆北温带及寒温带。气候特点为冬季严寒，最大冻土深度1.5m，多年平均气温3.4℃，极端最低温-42.7℃，极端最高温39.6℃；干旱少雨，干湿交替频繁，多年平均降水100～120mm，多年平均蒸发量1500～1900mm；日照时数长，多年平均日照时数约2900h。输水渠道受长期冻融循环、干湿交替作用，渠身衬砌混凝土出现碳化侵蚀与剥落，需要进行修补与防护处理。

采用本发明实施例3制备的高寒地区水工建筑物防护与修补材料及本发明的施工方法对输水渠道混凝土进行混凝土修补与防护，具体方法为：对于剥落部位，凿除至坚硬混凝土基底，凿除厚度约2cm、宽度约25cm，清洗、烘干基底；将增韧环氧树脂按重量比2.5：1混合均匀，涂刷厚度为0.2mm增韧环氧树脂；将耐候环氧砂浆按重量比10：3混合均匀，分2～3次填充耐候环氧砂浆并找平。对于其余部位，打磨、清洗、烘干混凝土基面；涂刷厚度为0.1mm增韧环氧树脂；涂刮厚度为2mm耐候环氧砂浆；施工2d后表干，再自然养护7d后投入使用。

检测表明：增韧环氧树脂主要技术参数为：抗拉强度＞16.0MPa、拉伸剪切强度＞10.0MPa、粘接强度＞5.0MPa；耐候环氧砂浆主要技术参数：抗压强度＞90.0MPa、抗拉强度＞15.0MPa、与混凝土粘接强度＞4.0MPa、抗渗压力＞1.5MPa、抗冻等级F300、2000h加速紫外老化无异常。材料性能均达到设计要求。经过1年运行后，输水渠道经受住过水考验，渠道表面未出现开裂、鼓包、碳化、渗漏、冲蚀、脱落等异常，证明材料起到了良好的修补与防护效果，保证了输水渠道的正常运行。

以上所述仅为本发明的具体实施方案的详细描述，并不以此限制本发明，凡在本发明的设计思路上所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (7)

1.一种高寒地区水工建筑物防护与修补材料，其特征在于：在高寒地区特殊服役环境下，具有较好的力学性能与施工适应性，同时兼具良好的耐紫外老化与抗冻性能，施工效率高，服役寿命长；

高寒地区水工建筑物防护与修补材料由底层材料和面层材料组成，其中所述底层材料为厚度0.1～0.3mm增韧改性环氧树脂，所述面层材料为厚度2～5mm引入紫外线屏蔽剂的耐候改性环氧砂浆；

所述的增韧改性环氧树脂，为A、B双组份组成，其中A组分是由重量百分数为65～80％纳米MoO₂/MoO₃改性双酚A环氧树脂、15～25％活性稀释剂、5～15％促进剂混合组成；B组分为改性脂肪族胺类固化剂；其中A组分与B组分的重量比为2:1～3:1；

纳米MoO₂/MoO₃改性双酚A环氧树脂的改性制备方法如下：

先将纳米MoO₂和纳米MoO₃按照重量比1:5比例混合；然后加入无水乙醇中，按150r/min转速磁力搅拌30min，用超声波分散30～60min形成悬浊液；将悬浊液加入双酚A型环氧树脂E51中，在60℃下高速搅拌1～2h，室温陈化4～8h后，得到纳米MoO₂/MoO₃改性双酚A环氧树脂，其中纳米材料掺量为环氧树脂重量的1.5％；

所述的耐候改性环氧砂浆，为C、D双组份组成，其中C组分由重量百分数为30～40％双酚A环氧树脂、15～25％粉煤灰、5～10％硅灰石、25～35％活性稀释剂、5～10％分散剂、1～3％紫外线屏蔽剂、0.5％～1.5％紫外线吸收剂混合组成；D组分由重量百分数为60～80％改性脂肪族胺类固化剂、5～10％惰性稀释剂、20～30％耐磨填料混合组成；其中C组分与D组分的重量比为10:3～10:5。

2.根据权利要求1所述的高寒地区水工建筑物防护与修补材料，其特征在于：改性脂肪族胺类固化剂选用硫脲改性多元胺。

3.根据权利要求2所述的高寒地区水工建筑物防护与修补材料，其特征在于：所述分散剂由三异丙醇胺、乙二醇、尿素按重量比1:3:2组成。

4.根据权利要求3所述的高寒地区水工建筑物防护与修补材料，其特征在于：所述紫外线屏蔽剂为纳米MoS₂；

紫外线吸收剂由UV-1、UV-9和UV-970按重量比1:1:2组成。

5.根据权利要求4所述的高寒地区水工建筑物防护与修补材料，其特征在于：所述耐磨填料为金刚砂、棕刚玉粉、橡胶颗粒、塑料颗粒、粉煤灰、瓷粉中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的高寒地区水工建筑物防护与修补材料，其特征在于：在所述的增韧改性环氧树脂中，A组分由重量百分数为74％纳米MoO₂/MoO₃改性双酚A环氧树脂、19％丙氧化甘油三丙烯酸酯、7％新癸酸缩水甘油脂混合组成；B组分为硫脲改性多元胺；其中，A：B＝2.5：1；

在耐候改性环氧砂浆中，C组分由重量百分数为36％双酚A环氧树脂、19％粉煤灰、9％硅灰石、28％活性稀释剂、6％分散剂、1.0％纳米MoS₂、1.0％紫外线吸收剂混合组成；其中，紫外线吸收剂由UV-1、UV-9和UV-970按重量比1:1:2组成；D组分由重量百分数为72％改性脂肪族胺类固化剂、8％二甲基甲酰胺、20％金刚砂组成；其中，C：D＝10：3。

7.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的高寒地区水工建筑物防护与修补材料的施工方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：基面处理：打磨混凝土至混凝土平整新面，用高压水或风枪冲净混凝土新面，自然风干或烘干；

步骤2：底层材料配制及涂刷：按增韧环氧树脂A组分：B组分重量比2:1～3:1混合；沿逆水流方向均匀涂刷于混凝土表面，涂刷顺序为由上向下、由左向右、对角线交叉，最后收面和修整边角；涂刷厚度为0.1～0.3mm，分次涂刷，每次涂刷厚度约为0.1mm；

步骤3：面层材料配制及涂刮：待底层材料表干后，进行面层材料涂刮；按耐候环氧砂浆C组分：D组分重量比10:3～10:5混合，机械搅拌至均匀；沿逆水流方向均匀涂刮于混凝土表面，涂刮顺序为由上向下、由左向右，最后修整边角与搭接；涂刮厚度为2～5mm，分次涂刮，每次涂刮厚度为1～2mm；

步骤4：涂层养护：施工后至表干固化前避免雨淋、剐蹭、踩踏，1～4d表干后自然养护，5～10d后投入使用。