基于温湿耦合的大坝抗裂及防老化的方法 【技术领域】
本发明属于水利工程技术领域，特别涉及大坝保温、保湿、防渗、防裂和防老化技术。
背景技术
混凝土大坝体积庞大，坝体开裂在实际工程中是一个较为普遍的现象。在国内外坝工史上，受裂缝损害的混凝土大坝比比皆是，在众多影响混凝土坝安全的因素中，大坝混凝土裂缝受到了坝工届的普遍关注。尽管从20世纪30年代开始，水利工程界已重视如何防止混凝土坝裂缝的问题，并做了大量研究工作，也取得了不少成果，但“无坝不裂”却已成为不争的事实。同时，混凝土一般都存在老化问题，重要的水工混凝土建筑物要求正常运作100∽150年.但在国内外许多混凝土工程中，几年或几十年后就出现混凝土的老化及破化.如冻融、渗漏、碳化流冲刷、磨损、气蚀、碱骨料反应等引起的混凝土破坏或老化，破坏直接影响水工建筑物的效益，甚至危及建筑物的正常安全运行.
目前学术界普遍认为混凝土裂缝的产生是多种因素共同作用的结果，除了温度变化因素之外，混凝土自生体积收缩、失水干燥收缩及与混凝土体积变形相关的其他收缩变形均会导致混凝土裂缝的产生，而其中又以温度变化起主导作用。而混凝土老化的原因是外界的环境因素决定如渗漏侵蚀，酸性物质侵蚀等等。
大坝混凝土所产生的裂缝，绝大多数都是表面裂缝，其中一部分会发展成为深层或贯穿性裂缝，影响大坝或混凝土面板的整体性和耐久性。引起大坝表面裂缝的原因主要是湿差和温度应力。一些国家早在20世纪50年代就开始注意临时表面保温。表面保温和养护材料很多，有的大坝面板采用泡沫塑料板或纸板保温；有的采用砂层保温；有的采用泡沫塑料板加聚氯乙稀薄膜；有的采用两层厚模板中填刨花的隔热材料，还有的采用自动上升的活动帐篷，在帐篷内创造了局部人工气候，混凝土浇注时完全和外界隔绝，夏季混凝土浇注用流水降温；但实践表明上述保温材料实施后仍旧产生了不少裂缝。在中国初始主要采用草袋和草帘保温，但是它们易燃烧，易引起火灾，不耐用，而且一受潮就腐烂，不是理想的保温材料。在中国东北地区曾使用过木丝板，喷涂过水泥‑膨胀珍珠岩，这些材料虽有一定保温作用，但受潮后保温作用锐减。80年代后，泡沫塑料成为主要的保温材料。目前广泛使用的保温材料主要有聚苯乙烯泡沫塑料板、保温被、聚乙烯气垫薄膜、聚乙烯泡沫塑料板等，常用的施工方法有内贴法、外贴法和喷涂法三种。不论内贴还是外贴，都是采用粘性材料将保温材料粘贴在大坝混凝土表面，而喷涂则是利用高压装置将保温材料直接喷射在大坝混凝土表面。
综上可以看出：尽管目前大坝越冬采用的保温材料较多，但是仍旧没有很好地解决大坝混凝土由于湿差和温度应力而造成的表面裂缝。而大坝混凝土老化问题还没有很好的解决方法。实践表明：由于湿度变化而引起的干缩裂缝占大坝表面裂缝的60％～70％，因此大坝的保温固然重要，但是保湿亦十分关键。
【发明内容】
本发明的目的是克服已有技术的不足之处，在充分考虑大坝混凝土温度传导和湿度迁移的耦合特性基础上，提出了基于温湿耦合的大坝抗裂及防老化的方法，使其具有抗裂性能好、外形美观、保温隔热、保湿性能优良及施工简单等优点。
本发明提出的基于温湿耦合的大坝抗裂及防老化的方法，其特征在于，在大坝混凝土表面覆盖有一层聚氨酯泡沫+聚酯沙浆或沙浆保温保湿层。在混凝土面板堆石坝，的混凝土面板表面覆盖有聚氨酯泡沫+聚酯沙浆或沙浆保温保湿防渗层。
在混凝土拱坝的上、下游面覆盖有聚氨酯泡沫+聚酯沙浆或沙浆保温保湿防渗层。
在混凝土重力坝的上、下游面或大坝底孔、表孔的混凝土表面覆盖有聚氨酯泡沫或者聚氨酯表面再覆盖有聚酯沙浆或沙浆保温保湿防渗层，
上述所说的聚氨酯泡沫保温保湿层厚度可在1cm～15cm的范围内，聚酯砂浆或砂浆的厚度可在0.5cm～5cm范围内。所述的聚氨酯硬质泡沫材料包括异氰酸酯和多元醇组合聚醚(黑+白、双组份)，可采用外贴法、灌注法和喷涂法使聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗层和大坝混凝土表面或面板牢固粘结。聚酯沙浆或沙浆可以防止聚氨酯硬质泡沫的老化。聚氨酯硬质泡沫可以保持30∽50年，充分防止混凝土的快速老化。聚氨酯喷涂施工有要求严格的施工措施，喷涂时对材料的反应时间、固化速度、雾化风压及施工环境都要有充分的认识，喷涂施工采取以下控制措施：
a.控制反应时间，即控制物料喷涂到被喷物表面上颜色变白(指第一层发白)的时间，一般控制在3‑7s，若太快容易堵喷枪，太慢容易发生流失或滴落现象，形成喷涂的不均匀性。
b.控制固化速度，通常指泡沫发起后表皮不粘手的时间或完全固化时间，一般手工发泡控制在12‑20s，喷涂发泡时间在3‑7s。
c.调整雾化风压，根据配方的流量不同和物料粘结度的大小变化，调整雾化后的所需的风压，一般风压控制在0.4509‑1.7658Mpa。
d.控制喷涂量，大流量喷涂不易喷平，采取1kg/ms左右的流量，喷枪的移动速度约0.5‑0.8m/s，单层喷涂的泡沫厚度在10mm‑25mm，喷枪与实物的间距约1000‑1400mm。
e.采取升温措施，喷涂物表面温度低时乳白时间较长，发泡后底层密度大，粘结不牢，泡沫容易从物体表面脱落，此时需增加催化剂用量，或者加热喷雾压缩空气，加热温度为40℃‑60℃。
聚氨酯泡沫保温保湿层施工试验前，我们对施工地的气候条件、喷涂聚氨酯泡沫的特性、喷涂聚氨酯材料的工艺进行了详细的分析，预估了喷涂聚氨酯硬质泡沫施工过程中可能遇到的问题，制定和遵循了以下原则：
a.顺序原则。在喷涂聚氨酯硬质泡沫材料时应按照顺序的原则进行施工，如至上而下或至下而上进行喷涂，这样可以有效地控制喷涂质量。
b.分层喷涂原则。在喷涂施工中分层喷涂是主要的施工工艺。喷涂聚氨酯泡沫材料时，一般一次不得超过15mm，这样聚氨酯在发生反应时能得到充分的空间。如果喷涂太厚泡沫就有可能穿孔，使其得不到良好的闭孔率，直接导致泡沫的质量。
c.均匀分散原则。喷涂施工中，“均匀分散”是指喷涂的聚氨酯硬质泡沫材料应该均匀分散，在喷涂前要正确地选用喷枪及喷枪枪嘴，一般平喷主要选用平喷或者圆喷枪嘴，如在喷涂过程中不能做均匀分散，喷涂后所形成的泡沫就会凸凹不平，影响大坝美观和质量，而且还将浪费聚氨酯材料。
d.恒温原则。恒温主要是说聚氨酯硬质泡沫材料，在从原料桶内通过一级泵提取后直到喷枪喷出之前，要求物料能够恒温在聚氨酯硬质泡沫材料的最佳反应温度。
e.安全原则。由于在施工过程中施工人员始终要和化学品接触，在喷涂时还必须保持一定的压力和温度，这不但提高了对喷涂设备的要求，同时也对安全提出了更高的要求。因此在整个施工过程中，都要时刻体现“安全第一”的原则。
本发明的作用效果及使用范围
本发明将聚氨酯喷涂于大坝混凝土表面或面板，具有外形美观、保温隔热与保湿性良好、快速固化、不污染环境、施工简单方便、与混凝土表面粘合牢固、耐久性好等特点，其保温隔热与保湿性能稳定，不因气候变化而发生大的波动，聚氨酯硬质泡沫适宜于对大坝混凝土表面或混凝土面板实行保温保湿，而且避免混凝土与外界环境接触，有效防止混凝土表面裂缝的产生和混凝土的老化。
本发明适用于大坝保温隔热保湿防老化，特别适用于由于温度梯度及湿差等变化而引起表面开裂的大体积混凝土结构，取得了良好的综合技术、社会环境效益。
在实际工程中的应用表明：本发明方法对于防止大坝表面裂缝的产生、混凝土老化非常有效，和其它防护方法相比，既美观又经济。
【附图说明】
图1为表面覆盖有聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗防老化层的拱坝剖面图。
图2为表面覆盖有聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗防老化层的重力坝剖面图。
图3为表面覆盖有聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗防老化层的面板坝剖面图。
图中，1为坝轴线，2为在混凝土表面覆盖的聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗防老化层，3为面板堆石坝的大坝混凝土面板。
【具体实施方式】
本发明提出的在混凝土外露面喷涂聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗防老化层的方法详细说明如下：
工程实例
(一)新疆石门子工程
1、新疆石门子工程为碾压混凝土拱坝，最大坝高109m，坝顶最大弧线长为176.5m。
2、混凝土总方量21.1万m
3，其中碾压混凝土18.8万m
3，约占混凝土总量的89％。
3、坝址地区冬季寒冷，多年平均气温4.1℃，极端最高气温33.2℃，极端最低气温‑31.5℃，月平均气温在零度以下的时间长达5个月。日气温波动较大。
4、多年平均降水量430mm，多年平均蒸发量1410.8mm。
本发明的实施例如附图1所示，为防止由于温差或湿差引起的混凝土表面裂缝，如附图1中2所示：在碾压混凝土拱坝上、下游表面覆盖有聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗层。
本实施例的聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗层所用的聚氨酯硬质泡沫(PU)包括异氰酸酯(MDI)+多元醇(组合聚醚)+催化剂，泡沫稳定剂、发泡剂、阻燃剂、色浆，或简称黑料+白料双组份，其中发泡剂氯氟烃由于沸点低、热导率低，受热挥发形成气体，被聚氨酯料液包裹形成泡沫。有机锡类或胺类催化剂主要是用来控制主反应的快慢，催化剂加入量的多少可以将反应时间控制在1～15s，满足喷涂条件的反应时间一般为3～5s。三路乙苯稳定剂主要用来控制泡孔的均匀程度以及泡孔的大小，可以促进乳状液与溶液之间的混溶，同时可以降低体系的表面张力，增加泡沫的稳定性。阻燃剂是针对泡沫表面积大，易燃而作出的防范措施。色浆是针对泡沫色彩而添加的。
保温效果
1、在大气湿度为40％的情况下，喷涂聚氨酯保温层下1cm处混凝土湿度为89％，无喷涂聚氨酯保温层下1cm处混凝土湿度仅为60％，较有喷涂聚氨酯保温层湿度减少约30％，保湿效果良好。
2、强行剥开聚氨酯保温层检查没发现任何表面干缩裂缝，而且大坝混凝土面无碳化现象。
(二)特克斯河山口水电站工程
1、特克斯河山口水电站工程由拦河坝、泄水建筑物和发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成。
2、工程最大坝高51m，水库总库容1.21亿m
3，装机容量140MW。
3、坝址地区冬季寒冷，多年平均气温8.8℃，极端最高气温39℃(1983.7.31)，极端最低气温‑32.0℃(1981.1.22)
如图2所示，图2为表面覆盖有聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗防老化层的混凝土重力坝大坝剖面图。其中1为重力坝坝轴线，2为在混凝土表面覆盖的聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗防老化层。
保温效果
1、在大气湿度为45％的情况下，喷涂聚氨酯保温层下1cm处混凝土湿度为85％，无喷涂聚氨酯保温层下1cm处混凝土湿度仅为55％，较有喷涂聚氨酯保温层湿度减少约30％，保湿效果良好。
2、强行剥开聚氨酯保温层检查没发现任何表面干缩裂缝，大坝混凝土表面无碳化现象。
【具体实施方式】
本发明设计的是在大坝的外露面覆盖一层聚氨酯硬质泡沫+聚酯沙浆或沙浆的保温保湿保护层，大坝结合附图详细说明如下：
本发明实施例如附图2所示，对于重力坝：为防止由于温差或湿差引起的混凝土表面裂缝，在大坝上、下游面覆盖有聚氨酯硬质泡沫和聚酯沙浆或沙浆组成的保温保湿防渗层。
(三)面板堆石坝
图3为表面覆盖有聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗层的堆石坝大坝剖面图。其中1为坝轴线，2为在混凝土表面覆盖的聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗防老化层，3为大坝混凝土面板。
【具体实施方式】
本发明设计的是在面板堆石坝的面板表面覆盖一层聚氨酯硬质泡沫+聚酯沙浆或沙浆的保温保湿保护防老化层，大坝结合附图3详细说明如下：
本发明实施例如附图3所示，对于面板堆石坝，为防止由于温差或湿差引起的面板开裂，在大坝面板表面覆盖有聚氨酯硬质泡沫和聚酯沙浆或沙浆组成的保温保湿防渗层。
聚氨酯用于保温与其它保温材料相比较，具有外形美观、保温隔热及保湿性优良、施工较为简单、保温隔热及保湿性能不受气候影响发生较大的波动等优点。由于水对聚氨酯基本上没有溶解、腐蚀作用，水与聚氨酯不起反应，所以被水淹后不会脱落。
聚氨酯在没有加入发泡剂之前本身是一种强度极高的粘合剂，在加入发泡剂制成泡沫后，其粘结力仍然很强，仍能和混凝土连为一体。且水对于聚氨酯没有溶解腐蚀作用即水与聚氨酯不发生反应，水浸后不会脱落，亦可用于坝体水位变动区的保温保湿。
本发明的保温保湿防渗层的施工工艺采用喷涂法，选用双组份涂料喷涂系统，其工作原理为：压缩空气通过调压阀将压缩空气送至分料中的一级泵、二级泵，将双组料加压后送到电加热或水冷却器，通过保温管道送至喷射枪体内，混合两种料后喷射到被喷物件表面。该喷涂系统通过三路加热保证连续无间歇工作，且具有变功率加热及温控系统可自动设定任意温度，使其环境温度变化可补偿。不同温度设定确保不同流层物料均匀加热，避免自聚反应。选配Probler枪，该枪体内设有空气自动清洁装置，用气体完成的清洁工作干净彻底，避免了一般设备在活塞清洁枪体时由于活塞自身粘结物引起的阻塞。反应时间(即第一层物料喷涂到被喷物表面上着色变白的时间)一般控制在3～7s，太快易堵枪，太慢容易发生流失或滴落现象。手工发泡控制在12～20s，喷涂发泡时间控制在10s内。雾化风压一般控制在6～8kg/cm
2。喷枪与实物间距为1400mm，喷涂最佳速度1～7kg/min。
本发明在整个混凝土表面进行聚氨酯喷涂施工。根据当地的气候条件与所需混凝土温度计算出所需喷涂聚氨酯硬质泡沫厚度，厚度一般在1cm～15cm。致使聚氨酯硬质泡沫保温保湿防渗层，满足设计混凝土要求。
本发明的保温保湿及防老化效果
在混凝土内部水化接近最高温度值后喷涂聚氨酯保温层，不会增加坝体混凝土温度，只会减慢混凝土散热时间，可达冬季保温夏季降温的效果，大大减小了混凝土表面的温度梯度，降低了坝体混凝土的温度应力，而且避免大坝混凝土与外界环境接触，阻止混凝土碳化。聚氨酯保温层还有良好保湿及防渗作用。本发明的研究和应用给水利水电施工及混凝土保温隔热保湿及防渗防老化方面提供了使用聚氨酯硬质泡沫喷涂工艺方案，取得了良好的综合技术和社会环境效益。
在坝体表面设置用导热系数较低的聚氨酯材料所制成的保温层，当外界气温变化时，混凝土内部不直接与大气进行热量交换，从而使混凝土温度梯度平缓，起到降低表层温度拉应力的效果。即使到运行期，混凝土内部发热量逐渐减少，聚氨酯保护层下混凝土温度仍保持在良好的温度环境下，仍能起到良好的保温作用。聚氨酯不仅在冬季可以起到良好的保温效果，在夏季也可以起到降低坝面温度的效果。
喷涂聚氨酯层不会增加坝体混凝土温度，只会减缓混凝土散热时间，可达到冬季保温夏季降温的效果，大大减小了混凝土表面的温度梯度，降低了坝体混凝土的温度应力。
经工程实例证明：大坝表面覆盖的聚氨酯和聚酯沙浆保护层没有改变大坝表面的平整度，反而由于材料颜色的可控制性，使大坝更加美观，在实施喷涂聚氨酯层下的混凝土的湿度不随外界湿度变化而变化，湿度基本保持在75％～85％之间，大大提高了混凝土的湿度，从而减少了大坝表面裂缝的发生，并且减缓混凝土老化速度。