摘要：本文简要介绍了喷涂聚脲技术的化学原理和技术优势，重点阐述了聚脲体系的选择、施工质量控制及其在高速铁路、隧道、水利工程、污水处理池、高档建筑屋面等领域的应用。应用结果表明喷涂聚脲防水涂料具有优良的物理性能、防水性能和施工性能，是目前国际上最先进的防水施工技术之一。

关键词：喷涂 聚脲 防水 施工 应用

1.前言

随着我国经济的迅速发展，公路、铁路、机场、隧道、工业建筑等防水工程日益增多，各类防水材料也随之取得了很大进步。但与先进国家相比，我国的防水材料无论在产量、质量、品种还是在配套材料和施工技术上都存在较大的差距，远远不能满足我国经济建设的需要。从发展趋势来看，环保、高性能、多功能、系列化和机械化是今后防水材料的发展方向。

喷涂聚脲弹性体技术是为适应环保需求而研发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术，在防水、防腐、耐磨等工程中应用情景十分广阔。在国外，喷涂聚脲防水涂料被称为可常温施工的液体防水卷材，具有环保、固化速度快、对温度/湿度不敏感、物理强度高、防水性能优异等优点，自1986年在美国诞生以来，在防水领域获得了巨大的商业应用。20世纪末我国也开始将聚脲产品逐步应用于建筑防水、水利工程、污水处理池防水、高铁防水等领域，取得了良好的效果。

2.聚脲化学

喷涂聚脲弹性体技术的发展经历了聚氨酯、聚氨酯/脲和聚脲三个阶段。以上三种体系的A组份是基本相同的，均为芳香族或脂肪族的预聚物和半预聚物，区别在于B组份。喷涂聚氨酯的B组份由端羟基树脂和端羟基扩链剂组成，并含有用于提高反应活性的催化剂；喷涂聚氨酯/脲的B组份既可以是端羟基树脂，也可以是端胺基树脂和胺扩链剂组成，一般含有用于提高反应活性的催化剂。而喷涂聚脲的B组份必须是由端氨基树脂和端氨基扩链剂组成，并且不含任何羟基成分和催化剂。

由于端氨基化合物与异氰酸酯组分的反应活性极高，无需任何催化剂，即可在室温或低温下瞬间完成反应，见图1，从而有效地克服了聚氨酯弹性体在施工过程中，因环境温度和湿度的影响而发泡、造成材料性能急剧下降的致命缺点。

3. 喷涂聚脲技术优势

与传统的防水材料相比，喷涂聚脲防水涂料具有以下优点：

1）100%固含量，无挥发性有机物，符合环保要求；

2）不含催化剂，快速固化，可在各类曲面上喷涂成型而不产生流挂现象；

3）对温度和湿气不敏感，施工时受环境湿度、温度的影响很小；

4）一次施工厚度可从1毫米到几厘米，克服了以往多次施工的弊端，缩短了施工周期；

5）优异的物理性能，如抗拉强度、撕裂强度、伸长率、耐磨性、耐穿刺等。尤其是高伸长率使其具有良好的裂缝追随性，可有效地保护有裂纹的混凝土基材；

6）优异的防腐性能，可耐受大部分酸、碱、盐、海水等腐蚀介质的长期浸泡；

7）整体无接缝、涂层致密，防水效果优异；

8）对各种底材附着力高且持久，不开裂、不脱落。

美国聚脲发展协会曾做过一个调查，结果表明：60%喷涂聚脲应用于混凝土防护，5%应用于屋面防水工程。而混凝土防护工程中大部分应用是混凝土防水，包括高速公路防水、隧道防水、建筑防水、水池防水等，也包括一些含有腐蚀介质的混凝土底材的防水应用，如污水处理池等[4]。

4. 聚脲体系的选择

选择聚脲首先要考虑是采用脂肪族聚脲体系还是芳香族聚脲体系，因为这两种体系的耐老化性能有很大的差别。芳香族体系的聚脲具有非常优异的物理机械性能，较高的性/价比，但芳香族二异氰酸酯容易受到紫外线照射而变色，甚至降解。脂肪族聚脲的成本相对昂贵，但它的耐紫外线性能和颜色稳定性是非常优异的。芳香族聚脲颜色泛黄有两个原因：一是在波长约340纳米的范围内，刺激芳香发色团生成Photo-Fries反应产物，如初级芳族胺。另一种是在波长为330～400纳米的范围内，进一步将初始的Photo-Fries反应产物进行感光氧化作用生成含有过氧化氢的苯醌二酰亚胺（如图1）。因此，芳香族聚脲在曝露场合下应用时会出现变黄、粉化、力学强度下降等现象。这种现象对于聚脲薄涂层更为明显。添加合适的抗氧剂和紫外光稳定剂可以延长芳香族聚脲涂层的使用寿命。

图1　芳香族聚脲的变色机理

5. 施工质量控制

5.1底材处理

喷涂聚脲有非常快的反应速度，因此表面处理对聚脲工程的成败有很大影响。据不完全统计，聚脲工程的失败大约80%与底材处理不当有关。

混凝土底材具有多孔、透气、透水且表面强度低等特点。这种多孔性会使很多污染物渗透进来，如果这些污染物没有清理掉，就会对聚脲工程造成极大的影响。而表面强度低会呈现一个脆弱的粘合界面，可能导致涂层脱落。这些问题是造成聚脲与底材分离的潜在因素。所以，必须清除混凝土表面的浮浆和污染物，而且要修补混凝土表面的凹坑。

混凝土基材的处理，首先要抛丸或打磨，增加粗糙度以提高附着力。然后修补表面的孔洞和裂缝。最后清除灰尘，施工一道封闭底漆。混凝土基材宜采用强度高、渗透性好的底漆，常用的品种有聚氨酯、环氧树脂或丙烯酸树脂体系。

5.2 原料的搅拌

为增加聚脲产品的装饰性和物理性能等，通常在喷涂聚脲体系的Ｂ组分加入颜料。由于颜料的密度、界面状态与纯树脂均存在差异，经过一段时间后颜料可能沉积到底部。即使加工时使用了高剪切分散技术，仍很难完全避免这种情况。因此，在使用前必须对B组分进行充分搅拌，否则易出现鼓泡、雾化效果差、颜色不均匀、涂层物理性能差等问题。

5.３温度对聚脲性能的影响

化学反应速度及反应程度受温度的影响很大。温度每升高10℃时，反应速度大约增大2～4倍，喷涂聚脲也不例外。同时，喷涂聚脲的反应过程是一个玻璃化温度逐步升高的过程，当其玻璃化温度接近固化温度（通常是室温）时，链段被冻结，反应速度变得异常缓慢，甚至停止。因此，低温固化聚脲体系的物理强度通常较高温固化体系低10～20%。

5.4湿度对聚脲性能的影响

如果湿度很大（如大于90%），底材表面可能会形成一层薄薄的水膜，这对聚脲本身的物理性能不会产生太大的影响，但对附着力会产生致命的影响，而且容易产生微泡。聚脲涂层发泡存在两种机理1）异氰酸酯与水反应，生成CO2，这属于化学发泡；2）水分在喷涂过程中被裹进涂层中，而聚脲的化学反应是一个放热反应，水遇热汽化、膨胀，这属于物理发泡。由于胺基聚醚或胺扩链剂反应速度很快，聚脲体系一般不会产生化学发泡，但物理发泡是难以避免的。因此，在高湿度下施工的聚脲涂层较干燥状态下的密度下降10%左右，物理强度下降20%左右。

5.4 后固化对聚脲性能的影响

喷涂聚脲是一种瞬间反应、快速固化的体系，但这并不代表聚脲喷涂完毕后就达到最终物理性能。由于聚脲反应速度很快并释放出大量的热，导致涂层在交联初期产生较大的内应力，而内应力的释放需要一定时间，因此聚脲的物理性能不会很快达到最高值。此外，从化学原理上来讲，聚脲反应是逐步加成聚合反应，这不同于自由基聚合，分子量是逐步增长的，只有分子量达到一定数值，才能宏观表现出一定的物理性能。因此，喷涂聚脲施工完毕后要在12小时甚至更长的时间后才能投入使用，否则很容易造成材料损坏。

6. 防水工程典型应用

喷涂聚脲防水涂料具有优异的物理性能、防水性能和施工性能，将为我国未来的大型基础设施建设，如高速铁路、南水北调、地铁、隧道、水利工程等高难度防水工程，提供一种先进的防水材料和方便快捷的施工。

6.1隧道工程

如前所述，喷涂聚脲防水涂料比传统的橡胶防水板和防水涂料更适合在隧道工程中应用。美国波士顿地铁隧道、中国香港地铁隧道、上海外滩隧道、广州地铁三号线等均使用了聚脲作为防水层。

波士顿地铁隧道为双孔钢筋混凝土沉管厢式隧道。由于混凝土采用钢模整体浇注工艺，所以混凝土表面存在大量的孔洞等表面缺陷。正确的底材处理是保证工程质量的关键步骤，底材处理主要包括打磨表面的毛刺及突起物并填补孔洞，然后在钢板和混凝土底材上分别使用不同的配套底漆。底漆干燥后喷涂厚度2.5mm的灰色芳香族聚脲防水层，最后再施工一道75mm厚的水泥砂浆保护层。

美国北卡罗莱纳州的高速公路隧道是聚脲防水工程的又一成功案例。该隧道为修筑在岩石上的混凝土。由于存在渗漏问题，导致基础结构逐渐老化、电气线路容易短路，长时间的腐蚀甚至会导致岩石滑塌的危险。通过广泛的调研，州政府决定使用聚脲对隧道进行修复，这主要基于聚脲具有防水好、耐老化、附着力好、可低温施工等优点。施工后的聚脲弹性好，混凝土接缝处不易渗漏。在1.25mm厚的浅黄色聚脲表面再滚涂施工0.4mm厚的脂肪族聚脲，从而形成一个光滑的表面，有利于今后的清洁和保养。

2005年，正在建设中的广州地铁三号线的隧道局部使用了喷涂聚脲防水涂料进行了防水处理。施工底材为喷射成型的混凝土，表面比较粗糙。施工前先刷涂一道配套底漆，可以提高附着力，并可以有效地减少针孔的产生。底漆干燥后喷涂1.5mm厚的聚脲，施工后的防水材料厚度均匀、不流挂、无接缝，受到甲方的高度评价。

6.2 高速铁路

京津城际轨道交通工程是我国第一条开工建设的高等级客运专线，是2008年奥运会的配套项目之一。由于该工程路基形式和铺设方式，对混凝土的防水层要求较高，既要高强度又要快速固化，因此工程全线采用聚脲做防水层。

全线80％的路段采用高架的32米双线混凝土箱梁和现浇混凝土梁组成。在箱梁做完聚脲防水层后的吊运和铺设中，有重达1200吨的运送设备将对将防水层进行近1000次的碾压，普通的防水材料是难以承受的。聚脲因其优良的力学性能、固化速度快、耐磨损、附着力好等优点可满足技术指标要求。该工程分北京、廊坊、天津三段，六个梁场同时施工。全线做防水处理的面积超过1000000m2，聚脲设计厚度为2mm，其用量之大，在中国聚脲防水工程中首屈一指，在世界上也是著名的聚脲工程之一。

在京津城际轨道交通工程成功的基础上，举世闻名的京沪高铁使用了喷涂聚脲防水涂料。2009年8月17日在济南铁路工程交易信息网正式发布，9月10日在济南公开唱标，10月3日上网公示。

京沪高铁全长1318公里，高速铁路路基聚脲防护工程分解为12个标段，全线使用纯聚脲，总用量高达到20284吨，表层脂肪族聚氨酯面漆的用量达到867吨，成为喷涂聚脲技术自1986年在美国诞生以来，全世界最浩大的基础设施聚脲防护工程。

此后，京石高铁、石武高铁、津秦高铁、沪杭高铁、宁杭高铁等高速铁路也陆续使用了喷涂聚脲防水涂料，聚脲在中国的应用进入了一个如火如荼的高潮阶段。

6.3 水利工程

自2002年起，中国水科院海洋化工研究一起院致力于喷涂聚脲在水利工程中的应用研究，并进行了大量的测试工作。2003年6月，该单位承接了引滦入津工程起始点迁西段地下隧道防水工程，并选用了喷涂聚脲弹性体作为防水材料。该隧道为直墙拱式结构，现场环境十分恶劣，墙壁潮湿并不断有水渗出，地面有大量的积水。施工前先将渗漏处进行止水处理，最后喷涂1.5mm厚的聚脲防水涂料。使用结果表明：喷涂聚脲防水涂料强高、附着力好，防水效果十分显著。

此后，喷涂聚脲防水涂料又陆续在浙江新安江水电站大坝溢流面、内蒙古尼尔基水电站、黄河小浪底水利工程成功应用。使用效果和鉴定结论表明：在高流速含沙水流条件下，采用喷涂聚脲弹性体作为混凝土表面防冲磨层在技术上是可行的，在材料性能、简化施工和加快进度等方面具有明显的技术优势，将有力地推动水工建筑物抗冲磨技术的发展，在水利水电工程中具有广阔的应用前景。

6.4 污水处理池

多年来，聚氨酯涂料和环氧涂料已广泛应用于污水设施的防腐处理中。随着聚脲的出现，污水处理行业的防腐水平已迈向了一个新台阶。

如某电厂的污水处理池项目在设计时曾考虑使用花岗岩，其耐腐蚀性能较好，但接缝处容易出现渗漏。经过细致的比较，甲方最终选用了新型的喷涂聚脲防水涂料。本项目共5个污水处理池，全部采用了灰色的喷涂聚脲防水涂料进行防腐、防水处理。由于底材为模板浇注的混凝土，表面孔洞很多，因此先施工一道聚合物水泥砂浆进行找平。干燥后施工一道配套底漆，然后喷涂1.5mm 的聚脲涂层。施工完后的涂层连续、无接缝，防水效果良好。目前，国内上百家火力发电厂的污水处理池均采用了喷涂聚脲防水涂料。

6.5高档建筑屋面

我国的建筑屋面防水材料已从单一的沥青品种发展到改性沥青卷材、高分子防水卷材和防水涂料等。防水卷材存在大量接缝，极易产生渗漏。防水涂料以聚氨酯和水性丙烯酸为主。水性丙烯酸涂料耐候性好、易清洁，缺点是低温或高湿的条件下不能施工，透气性高不能封闭水汽。聚氨酯弹性防水涂料色彩艳丽，防水性能好，但施工时受湿度的影响易发泡，立面易流淌，而且耐老化性能欠佳。

上述防水材料经日光老化后更容易出现开裂。即使防水材料自身不开裂，也会因砼的开裂（由振动、应力、风化等因素引起）而断裂。喷涂聚脲防水涂料则不同，因为其自身的强度高、柔韧性好、耐老化性好，即使在混凝土开裂的情况下，还能将混凝土紧紧抓住，特别适用于高档建筑的屋面防水处理。要想彻底根除屋面漏水的隐患，走出目前建筑业“年年修年年漏，越修越漏”的怪圈，最终必然要走到喷涂聚脲防水涂料上来，这在国外已得到很好的验证。

喷涂聚脲防水涂料应用于高档建筑物屋顶防水是大势所趋，其优异的性价比，必将在不远的将来结束我国“黑色屋顶”的历史，使我们的城市更加绚丽多彩。

7 结论

喷涂聚脲防水涂料具有卓越的防水性能、无接缝、附着力好、环保、使用寿命长、性价比高等优点，是建筑行业梦寐以求的防水材料。目前，该材料已在高速铁路、奥运场馆、屋面防水、水池、地铁、隧道等领域大量应用。使用喷涂聚脲防水涂料不需要维修，一次投资，终生受益，是高速铁路、隧道等国家大型防水工程的最佳选择。