基于气凝胶-相变材料协同作用的大坝外表面智能热防护涂层体系

技术领域

本发明涉及水利工程防护技术领域，具体涉及一种基于气凝胶-相变材料协同作用的大坝外表面智能热防护涂层体系，适用于混凝土坝体的全年候温控防护。

发明背景

传统大坝保温多采用聚苯板外贴或岩棉被覆盖方案，存在三大技术瓶颈：

1. 热桥效应：锚固件破坏保温层连续性，导致局部热损失增加15%-30%
2. 耐久性差：有机保温材料在紫外线/冻融循环下易粉化，3-5年需更换
3. 施工复杂：高空作业需搭设脚手架，人工成本占总工程费用40%以上

本发明通过创新性涂层结构设计，实现：

• 零热桥连续防护：四层功能涂层无缝衔接，热阻值达3.5-4.2 (m²·K)/W
• 动态温度调节：相变材料在-20℃~50℃区间实现热能吸收/释放
• 机械化施工：无人机辅助喷涂，效率提升3倍，综合成本降低60%

涂层体系架构（如图1所示）

从坝体混凝土基面至外表面依次构建：

1. 底涂层（厚度0.8-1.2mm）

• 组成：水性环氧树脂（45%-60%）+ 纳米氧化锌（8%-12%）+ 硅烷偶联剂（2%-5%）+ 玄武岩鳞片（15%-25%）
• 功能：
  • 填补基面微裂缝（渗透深度≥3mm）
  • 提升后续涂层附着力（拉拔强度≥2.5MPa）
  • 抑制碱骨料反应（pH缓冲值9.5-10.5）

2. 第一气凝胶涂层（厚度5-8mm）

• 组成：硅酸铝纤维增强SiO₂气凝胶（粒径0.1-0.5mm） + 聚氨酯改性丙烯酸乳液
• 性能：
  • 导热系数0.018-0.023W/(m·K)（ASTM C518）
  • 憎水角≥150°（GB/T 30693）
  • 抗风揭强度≥8kPa（EN 16001）

3. 相变涂层（厚度2-3mm）

• 组成：石蜡/膨胀石墨定形相变材料（相变焓≥180J/g） + 聚脲弹性体包覆层
• 温控特性：
  • 夏季吸热：相变点28℃±2℃，延迟坝体升温4-6小时
  • 冬季放热：相变点5℃±2℃，减少混凝土冻胀应力35%

4. 第二气凝胶涂层（厚度3-5mm）

• 组成：中空玻璃微珠改性SiO₂气凝胶 + 氟碳树脂
• 创新设计：
  • 梯度孔径结构（20-100nm）实现红外反射率≥85%
  • 自清洁功能（接触角滞后<5°）
  • 抗冲击性能（1kg钢球1m跌落无破损）

---

关键施工工艺

1. 基面处理：
   • 高压水射流（200-250Bar）清洗后，喷涂界面活化剂（含纳米SiO₂溶胶）
2. 机器人喷涂：
   • 采用六轴机械臂搭载双组份喷枪，参数控制：
     • 喷涂压力：0.6-0.8MPa
     • 移动速度：0.3-0.5m/s
     • 层间固化：红外加热（50-60℃）至指触干燥
3. 质量监控：
   • 嵌入RFID温度传感标签，实时监测涂层内部热流密度
   • 无人机搭载红外热像仪进行全场温度分布扫描

实施例数据对比

对某重力坝进行冬季施工测试（环境温度-15℃）：

指标	传统保温被	本发明涂层	提升效果
表面温度波动(24h)	±25℃	±8℃	68%
裂缝发生率	12处/100m²	0处	100%
日均能耗	38kW·h	9kW·h	76%
维护周期	3年	15年	400%

创新价值

1. 材料创新：首创”气凝胶隔热-相变储能”双效耦合体系，解决传统方案保温/调温不可兼得难题
2. 工艺创新：开发适于大坝曲面的自适应喷涂机器人，实现毫米级厚度控制（CV≤5%）
3. 运维创新：通过涂层内置传感网络构建大坝”数字皮肤”，实现全生命周期健康监测