喷涂聚脲在城市地下市政基础设施中的应用｜益丰管道

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喷涂聚脲在城市地下市政基础设施中的应用

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x1 2021-11-25 14:07:02 评论（0）

前言

地下市政基础设施建设是城市安全有序运行的重要基础。防水层施工是这些基础设施施工中关键的工序之一，直接影响后期运营的质量、安全和寿命。

1998 年，喷涂聚脲材料在我国研发成功，至今已有 20 余年的历史。朱祖熹在 2010 年即撰文介绍了聚脲防水材料用于隧道工程的优势。经过十余年的发展，喷涂聚脲在材料技术和施工工艺上进一步成熟，应用案例也逐渐增加。

城市地下市政基础设施的防水要求

城市地下市政基础设施工程防水防腐是一个系统工程，一旦防水层出现破损或老化，很难从迎水面进行维修，只能从背水面进行堵漏或排水处理，且维修难度大、成本高，因而在材料选择和施工时尤其需要严格按照设计标准执行，选择性能更有保障的材料。

喷涂聚脲的技术优势

喷涂聚脲是一种新型无溶剂环保涂料。该材料防水、防腐性能好，具有固化速度快、防护时间久、机械化喷涂效率高等优势，目前在地下市政基础设施工程中的应用逐渐得到普及。

2. 1 防腐防水性能

地下市政基础设施埋设于地下，地质条件复杂，要求防水材料具有优异的不透水性以及耐环境介质腐蚀的能力。喷涂聚脲在 0.4 MPa 水压下不透水性长达 120 min，同时可长期耐受海水、酸、碱、盐等腐蚀介质，在地下市政基础设施防水及不同介质环境下耐腐蚀防护中具有良好的匹配性。

2. 2 物理性能

喷涂聚脲具有优异的物理性能，国内外主流厂家喷涂聚脲的主要物理性能见表 1。国内新型喷涂聚脲的拉伸强度最高可达 47.5 MPa，远超目前国外同类产品。

2. 3 耐老化性能

地下市政基础设施的使用年限要求较长，防水材料的耐老化性能是重要考核指标之一。聚脲是一种微相分离的嵌段高分子材料，在动态荷载下，其软段和硬段在不同加载速率下应变速率不同，具有一定的自修复能力，从而能更好地抵御结构的破坏。聚脲的主要结构是碳和氮结合成的脲键，其分解温度峰值为 260 ℃，高于氨甲酸酯分解温度峰值 241 ℃，因而聚脲的耐热老化和耐湿老化性能均优于聚氨酯材料。李敬玮等通过人工老化性能试验研究得出聚脲在 20 ℃环境下的临界老化寿命为 194 a，而 30 ℃的临界老化寿命为 50 a。

2. 4 附着力

附着力对于喷涂聚脲工程的预期寿命至关重要。聚脲与底材的附着力是复杂的物理和化学现象，由于喷涂聚脲反应速度快、浸润时间短，因而必须选择适当的底漆作为层间附着力的促进剂。Air 102 喷涂聚脲与配套底漆组成的涂层体系，粘结强度高达 4.86 MPa，远优于《喷涂聚脲防水涂料》（GB/T 23446—2009）中 2.5 MPa 这一技术指标，可满足地下基础设施长效防水的要求。

2. 5 施工性能

喷涂聚脲不仅是一种新材料，更是一种专业的施工方法。喷涂聚脲固化速度快，一般 10 s 凝胶，2 min 即可达到在其上步行的强度；对温度和水分不敏感，施工时受环境温、湿度影响小；一次施工即可达到设计厚度，克服了多层施工的弊病。运用专业喷涂设备，单台套单日施工面积可达 1 000 m 2 以上，效率优势明显。

03 喷涂聚脲在城市地下基础设施中的应用

3. 1 喷涂聚脲在明挖法隧道中的应用大连湾海底隧道是中国北方第一条跨海隧道，主线全长 5.1 km，其中南北岸暗埋段、敞开段长约 1.8 km。该隧道所处的环境类别既属于海洋氯化物环境，又属于冻融环境，隧道暗埋段与敞开段要求结构不允许渗水，结构表面可有少量湿渍，防水要求高、难度大。经过方案论证，在主体结构采用放坡开挖形式时，侧墙与顶板施作1.5 mm 厚的喷涂聚脲防水材料，在变形缝位置加设 0.5 mm 厚喷涂聚脲加强层 [4] 。目前，已有部分工段施工完毕并开始注水，防水效果达到预期。其他明挖法隧道如港珠澳大桥岛隧工程、博鳌通道、金鸡湖隧道、春申湖隧道、尹山湖隧道等水下隧道均采用了喷涂聚脲防水方案，大连湾海底隧道顶板喷涂聚脲施工见图 1，大连湾海底隧道侧墙喷涂聚脲施工见图 2。

3. 2 喷涂聚脲在沉管法隧道中的应用

天津海河隧道是我国北方首条采用沉管法施工的河底隧道，也是国内首条采用聚脲外包防水施工工艺的沉管法隧道。海河隧道设计使用年限是 100 a，防水设计文件要求达到二级防水标准，但实际施工完毕后已达到了一级防水标准，即无渗水，结构表面也无湿渍。沉管法隧道管节外表面采用了 1.2 mm 厚的聚脲防水涂层，为隧道穿上了“雨衣”，至今为止，该“雨衣”为海河隧道抵御腐蚀性河水的冲刷已有多年。此外，广州金光东隧道在预制管节的侧墙、顶板表面采用 1.5 mm 厚喷涂聚脲，并在沉管管节端钢壳顶板、侧墙和管节混凝土结构交接缝处涂刷一道 2.0 mm 厚聚脲涂料作为加强防水层，达到了预期的防水效果。

3. 3 喷涂聚脲在综合管廊及人防工程中的应用

尽管喷涂聚脲在埋设于综合管廊内的污水管道等市政管道上的防腐应用早已普及，但在综合管廊中的应用尚处于起步阶段。为保证防水效果，综合管廊的主体结构宜选用柔性防水材料设置在结构迎水面；预制式拼装结构的综合管廊，除需做好接缝密封防水以外，还宜在结构迎水面增设柔性防水层。已有深圳妈湾一路、雄安新区启动区等地下综合管廊开始设计采用聚脲作为防水材料。

在人防工程中，不仅对防水、防爆的要求较高，由于地下空间较密闭，故对材料的环保性要求也更严格。目前，喷涂聚脲已在人防工程防爆门中取得成功应用。

04 最新研究进展

4. 1 喷涂聚脲对混凝土抗拉强度的影响

有研究显示，在混凝土试样上喷涂聚脲，其刚度、峰值荷载、屈服强度、延展性和能量耗散等参数都得到明显改善，使得这些试样在更大的位移下才发生坍塌，这表明聚脲可以在关键或敏感区域有效控制能量耗散。另一个重要发现是关于未完全破坏混凝土板的回弹能力，在移除荷载后，聚脲使试样恢复到接近原始形状。这些结果进一步表明，运用喷涂聚脲可以使结构中受弯构件的性能更好。因而推荐使用喷涂聚脲，可增强或提高受弯构件的延展性能，进而提高结构构件的抗震性能。同时，延展性能的增加也使得受积水和循环荷载影响的桥梁和混凝土板等的结构性能更佳。

4. 2 喷涂聚脲对地下管廊结构的防爆影响

陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室陈潇硕等通过对聚脲和碳纤维（CFRP）布加固地下管廊结构抗爆对比试验得出结论：在地下管廊加固防护中，采用聚脲材料与碳纤维（CFRP）布对顶板进行加固均可提高其防护抗爆性能。由于聚脲材料具有弹性模量高、抗拉强度大、断裂伸长率大等特点，且其对混凝土的附着力已超过混凝土本身的粘结强度，使聚脲材料在整个抗冲击过程中始终未脱落，试验结束后完整性较好，也正是这种特性使聚脲材料能有效降低混凝土碎屑的破坏效应，从而对结构起到防护作用。建议在输送重要能源或处于重要位置的地下管廊工程中优先采用聚脲加固防护。

李灿刚等研究人员发现：添加高硅氧纤维对聚脲弹性体性能影响比较大，当硅氧纤维的添加量小于 8% 时，拉伸强度、撕裂强度随着硅氧纤维添加量的增加而升高。这对于聚脲弹性体在地下市政基础设施等构筑物中的防爆抗冲击应用具有重要意义。

4. 3 喷涂聚脲对隧道混凝土防剥落的研究

日本隧道实验室在对隧道衬砌防剥落方法的研究中发现，当素混凝土内表面采用坚硬的加固材料加固后施加较大外力时，即便裂纹的拓展得到抑制，但内部应力也会增加并造成脆性剪切破坏。喷涂聚脲可以防止在巨大破坏力发生的情况下的负载损耗，即并不会因混凝土弯曲压缩断裂引起剥落，从而完全避免衬砌脱落事故的发生。

结语

关于喷涂聚脲在城市地下市政基础设施建设中的应用前景，总结如下：

1）喷涂聚脲具有防水性能好、耐久性好等优势，在水下隧道防水工程中已大量应用，在综合管廊、人防工程等地下基础设施中应用前景广阔。

2）喷涂聚脲具有更好的抗结构破坏能力，符合地下工程防水设计工作年限与结构同寿命要求的趋势，更适宜在地下市政基础设施防水中应用推广。

3）喷涂聚脲可以减少爆炸事故、地震灾害发生时对人民生命、财产安全造成的影响，对地下基础设施建设中的关键部位和敏感部位，具有较大的推广价值。

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