聚脲材料的性能分析及其在土木工程中的应用

一、聚脲材料的性能分析

(一) 喷涂聚脲弹性体材料

1. 喷涂聚脲弹性体

喷涂聚脲弹性体是由异氰酸酯组分与氨基化合物组分反应生成的一种弹性体物质。近年来, 国外研制开发了一种新型涂装技术, 即喷涂聚脲弹性体 (Spray Polyurea Elastomer, 简称SPUA) 技术。该技术是一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术, 能够满足较高的环保需求[1]。

2. SPUA的物理力学性能

SPUA具有极佳的物理力学性能指标, 具体见表1。

(二) 聚脲多孔材料

1. 聚脲多孔材料

甲苯二异氰酸酯与水反应, 生成相互交联网状的聚脲材料为聚脲多孔材料[2]。

2. 聚脲多孔材料的化学结构

本文通过对比分析聚脲多孔材料和甲苯二异氰酸酯 (TDI) 的红外光谱图, 确定聚脲多孔材料的化学结构, 聚脲多孔材料在3300cm-1附近出现了由氢键连接的N-H键伸缩振动引起的单峰。同时在1670cm-1和1630 cm-1处出现了由无序氢键和有序氢键连接的C=O键伸缩振动引起的峰。所以聚脲多孔材料含有与氢键连接的官能团。

3. 聚脲多孔材料的热性能

聚脲多孔材料的热重分析 (TGA) 和热量分析 (DSC) 曲线见图1。

图1可见, 在100℃之前聚脲多孔材料出现了较小的失重过程, 这是由于吸附在多孔材料上的小分子物质挥发造成的。该材料的初始分解温度为280℃左右, 最大热分解温度在355℃左右。在280~355℃之间时材料出现一个非常快速的失重过程。与此同时在325℃附近, 材料的DSC曲线对应出现了一个明显的吸热峰。以上分析结果表明聚脲多孔材料具有较好的热稳定性。

(三) 聚脲包覆混凝土材料

1. 聚脲包覆混凝土试件

在混凝土试件周围包覆一层聚脲材料的试件称为聚脲包覆混凝土试件。

2. 聚脲包覆混凝土压缩性能

张青艳等人通过准静态实验和动态落锤实验分析了无聚脲包覆混凝土试件和有聚脲包覆混凝土试件的压缩性能, 见图2和图3[3]。

图2和图3可见, 在前期加载阶段, 无聚脲包覆混凝土试件和有聚脲包覆混凝土试件属于弹性变形。当荷载达到混凝土试件的压缩破环强度时, 无聚脲包覆混凝土试件表面的裂纹急剧发展直至试件破坏, 其承载能力逐渐减小为零。有聚脲包覆混凝土试件达到压缩破坏强度时, 仍可以承受一定的荷载。图2表明在准静态实验中, 无聚脲包覆的混凝土试件在变形未达到5%便已经丧失了承载能力, 而有聚脲包覆混凝土试件在变形达到20%仍能承受10k N左右的荷载。图3表明在动态落锤实验中, 有聚脲包覆的混凝土试件变形达到30%仍能够承受21.3 k N左右的荷载。

3. 聚脲包覆混凝土吸能效果

为了进一步分析聚脲材料的吸能效果, 张青艳等人通过对动态落锤实验的力位移曲线积分得到有无聚脲包覆混凝土材料吸收的能量曲线, 见图4。

由图4知压缩位移小于3mm时, 无聚脲包覆混凝土试件和有聚脲包覆混凝土试件的吸能效果相同。当压缩位移大于3mm时, 无聚脲包覆的混凝土试件瞬间崩塌, 丧失承载力, 同时也不再吸收能量。而有聚脲包覆的混凝土试件仍可以在一个较低的应力平台段长期承压, 从而吸收更多的能量。

二、聚脲材料在土木工程中的应用

穿黄隧道属于南水北调中线工程, 在其隧洞边墙上由于浇筑混凝土的时间不同, 使得新浇筑混凝土与原混凝土之间形成环状施工缝。新旧混凝土的干缩性有显著差异, 导致部分施工缝表面呈片状、点状渗水。针对上述问题, 结合隧道内部低温潮湿环境, 长江科学院长江工程技术公司自主研发了一种新型涂层材料——CW620聚脲混凝土表面防护材料[4]。

该种材料在聚脲涂层材料的基础上加入了纳米材料和其它相关助剂。其具有高强度、高韧性、强粘结性以及环保等优点。与此同时该种材料在潮湿和有水环境中固化不起泡, 并且在水分子的催化下, 能够完全固化, 大大提高其物理性能。在穿黄隧道施工缝的修补上, CW620聚脲混凝土表面防护材料起到了重要的作用。

三、结论

本文从喷涂聚脲弹性体材料、聚脲多孔材料和聚脲包覆混凝土材料三个方面对聚脲材料进行了综述。分析总结了其优良的性能和施工过程中需要注意的事项。以喷涂聚脲弹性体材料为载体, 得出SPUA作为一种绿色、环保、低能耗、高科技功能材料, 在地面设备用品中会起到更大的作用, 具有广阔的应用前景。以聚脲多孔材料为载体, 得出聚脲多孔材料具有较好的热稳定性, 初始分解温度在280℃左右。以聚脲包覆混凝土材料为载体, 得出在准静态实验和动态落锤实验中当加载达到混凝土的极限抗压强度时, 有聚脲包覆的混凝土试件仍可以承载一定的荷载, 具有一定的延性。

同时本文还分析了聚脲材料用于土木工程中实例。在穿黄隧道环状施工缝的修补中, 长江工程技术公司研发的CW620聚脲混凝土表面防护材料具有高强度、高韧性、强粘结性等优点。而且在潮湿和有水环境中固化不起泡, 适用于隧道内部低温、潮湿的环境。聚脲材料作为一种新型涂层材料, 在土木工程其它领域的应用仍需不断探究。

摘要：随着我国土建工程技术的快速发展, 工程结构对耐久性和稳定性要求日益增加。聚脲作为一种新型涂层材料有着高耐候性、高防渗抗裂性、高强度等特点。本文以喷涂聚脲弹性体材料、聚脲多孔材料和聚脲包覆混凝土材料为载体, 分析总结了以上三种聚脲材料的性能及其使用的环境。并通过介绍聚脲材料在穿黄隧道表面防护材料中的应用, 对聚脲材料在土木工程中的应用前景做出展望。

关键词：喷涂聚脲弹性体材料,聚脲多孔材料,聚脲包覆混凝土材料,性能分析

参考文献

[1] 宋亚玉, 曹萌, 田晨.喷涂聚脲弹性体在方舱表面防水中的应用[J].内燃机与配件, 2017, (4) :113-114.

[2] 林鹏, 孟令辉, 黄玉东, 刘丽.聚脲多孔材料的制备及性能研究[J].化学与黏合, 2016, 38 (6) :402-404.

[3] 张青艳, 靳晓庆, 郑宇轩, 周风华.聚脲包覆混凝土的压缩和吸能特性研究[J].工程力学, 2016, 33 (4) :205-209.

[4] 甘国权, 韩炜, 景锋等.南水北调工程穿黄隧洞CW620聚脲混凝土表面防护材料应用研究[J].化工新型材料, 2017, (1) :223-225.