楊偉才，鮑志強(qiáng)，孟 川

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2.北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

1 研究背景

水利水電工程泄水建筑物易遭受高速含砂水流沖磨和空蝕破壞，嚴(yán)重影響泄水建筑物的壽命和正常工作。隨著西南地區(qū)一批高水頭、大流量高壩的建成，泄水建筑物表面抗高速水流沖磨和空蝕的破壞問題越來越受到重視，另外反復(fù)修補(bǔ)發(fā)生沖磨破壞的水工泄水建筑物也會消耗大量的人力和財(cái)力，因此性能良好的抗沖磨材料對水工泄水建筑物的安全服役運(yùn)行有重大工程和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

通常高速挾沙水流的磨蝕介質(zhì)主要分為懸移質(zhì)與推移質(zhì)兩種存在形式，其對水工建筑物的磨損機(jī)理也不盡相同。懸移質(zhì)泥沙以懸浮狀態(tài)隨水流運(yùn)動，由于顆粒細(xì)小，在高速水流中往往會得到充分摻混而與水流保持相近的運(yùn)動速度，因此，懸移質(zhì)泥沙對過流建筑物的磨損一般比較均勻，表現(xiàn)為磨損、切削和沖撞，磨損部位往往是整個(gè)過流邊界。推移質(zhì)對水工建筑物的磨損破壞除具有與懸移質(zhì)類似的磨損切削作用外，在高速水流的作用下還具有相當(dāng)?shù)淖矒糇饔?。在高速水流作用下，推移質(zhì)以滑動、滾動及跳躍等方式在過流面上運(yùn)動，對水工建筑物過水面混凝土產(chǎn)生沖擊和摩擦兩種作用，并且沖擊破壞的能量較大，產(chǎn)生較高的接觸應(yīng)力，而當(dāng)局部拉應(yīng)力達(dá)到混凝土本身斷裂極限時(shí)，微細(xì)裂紋便會產(chǎn)生或擴(kuò)展，使得表層混凝土脫落。其磨損破壞作用的大小取決于流速、流態(tài)以及推移質(zhì)數(shù)量、粒徑、硬度、運(yùn)動方式等多方面因素的影響，還與過流時(shí)間、建筑物體型、材料的抗沖耐磨性能有關(guān)。由于重力作用的影響，推移質(zhì)對水工建筑物的磨損破壞往往以底部較為嚴(yán)重。

針對懸移質(zhì)磨蝕問題，目前常用砂漿和抗沖蝕涂層進(jìn)行防護(hù)，如環(huán)氧砂漿、丙乳砂漿、環(huán)氧膠泥和聚脲涂層等材料，并取得了良好的效果[1-3]。但對于推移質(zhì)的沖磨破壞問題，由于傳統(tǒng)的抗沖磨材料如高強(qiáng)混凝土、環(huán)氧砂漿、聚合物砂漿等屬于脆性材料，難以抵抗推移質(zhì)的沖擊，一直沒有得到根本的解決，嚴(yán)重影響泄水建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命和水利水電工程的運(yùn)行安全。長期應(yīng)用實(shí)踐使人們逐漸認(rèn)識到：對于推移質(zhì)破壞，沖磨修補(bǔ)材料不能一味追求高強(qiáng)度，而應(yīng)在保證一定強(qiáng)度的情況下，提高材料的彈韌性，使之能較好地吸收沖擊能量，并能抵抗磨蝕介質(zhì)的切割、磨損破壞。本文充分利用現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的新成果和新技術(shù)，以新型柔性天冬氨基樹脂及專用固化劑為膠結(jié)材料，研發(fā)出一種新型高韌性高抗沖磨材料——SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿，以滿足當(dāng)前及今后興建高壩大庫對高性能抗沖耐磨材料的需求。

2 SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿材料

2.1 SK-PAM特種抗沖磨樹脂基液性能SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿基液采用復(fù)合改性仲氨基樹脂為A組分、以脂肪族異氰酸酯為固化劑B組分。表1為基液物理力學(xué)性能指標(biāo)，SK-PAM抗沖磨樹脂漿材具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度超過15 MPa，伸長率達(dá)250%以上，具有優(yōu)異的柔韌性能；在-40℃低溫條件下仍具有很好的柔韌性，與混凝土基面黏接性能良好，完全不同于傳統(tǒng)的環(huán)氧砂漿和聚合物砂漿等脆性材料。

表1 SK-PAM抗沖磨樹脂漿材基液物理力學(xué)性能

2.2 SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿的制備SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿是以柔性氨基樹脂、特種固化劑為膠結(jié)漿材，添加砂、粉料、助劑等抗沖磨填料混合配制而成的一種新型高韌性抗沖磨樹脂砂漿，兼具高柔韌性和一定的硬度，既能夠吸收磨蝕材料的沖擊能量，又具有很強(qiáng)的抗磨蝕能力。其制備方法如下：（1）先將砂、粉料、助劑等填料按比例拌合均勻；（2）按配比配制氨基樹脂漿液；（3）將配制好的氨基樹脂漿液按填料重量的25%～35%與上述填料混合，拌合均勻，即可得到SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿。

本文對制備的SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿進(jìn)行了物理力學(xué)性能試驗(yàn)，并與環(huán)氧砂漿進(jìn)行抗沖磨對比試驗(yàn)，以驗(yàn)證SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿的抗沖磨性能和環(huán)境適應(yīng)能力。

3 試驗(yàn)方法與設(shè)備

3.1 拉伸強(qiáng)度和伸長率測試?yán)煸囼?yàn)參照SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[5]中的水泥砂漿軸向拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)尺寸和拉伸試驗(yàn)器具，待砂漿試件到達(dá)28 d試驗(yàn)齡期后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)中，記錄試件從開始到破壞過程的延伸情況，記錄試件破壞時(shí)的荷載，取最大拉伸強(qiáng)度時(shí)的伸長值計(jì)算伸長率，即伸長率為最大軸向拉伸強(qiáng)度時(shí)的伸長率。

3.2 抗壓抗折強(qiáng)度試驗(yàn)抗壓試驗(yàn)參照SL352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[5]中的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)尺寸和抗壓試驗(yàn)器具，試模使用40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)試模，待砂漿試件到達(dá)28 d試驗(yàn)齡期后進(jìn)行抗壓和抗折試驗(yàn)，使用受壓面積為40 mm×40 mm的抗壓夾具，采用0.5 MPa/s的加荷速度。記錄試件的抗壓強(qiáng)度，若試件壓縮至50%尚未破壞，則記錄該點(diǎn)的抗壓強(qiáng)度。

3.3 黏接強(qiáng)度試驗(yàn)為驗(yàn)證SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境的能力，黏接強(qiáng)度試驗(yàn)分別進(jìn)行了常溫條件黏接試驗(yàn)和高溫水浴黏接強(qiáng)度測試。試驗(yàn)參考DL/T5126-2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》中砂漿黏接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的方法，預(yù)先澆筑成型混凝土（C40）試塊，混凝土試塊達(dá)到28 d齡期，表面清洗晾干后鋪筑高彈性修補(bǔ)砂漿，成型砂漿厚度約2 cm，28 d齡期后粘貼40 mm圓形鋼標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，采用J一10型碳纖維黏接強(qiáng)度檢測儀測定該砂漿材料與混凝土的黏接強(qiáng)度。

高溫水浴黏接強(qiáng)度測試是將SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿粘接強(qiáng)度試件放置于60℃恒溫水浴箱內(nèi)7 d，然后取出晾干，粘貼40 mm圓形鋼標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行黏接強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.4 低溫凍斷對比試驗(yàn)為驗(yàn)證SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿的抗低溫開裂性能，參照DL/T 5362-2006《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中瀝青混凝土的凍斷試驗(yàn)進(jìn)行了SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿和環(huán)氧砂漿材料的低溫凍斷對比試驗(yàn)。凍斷試驗(yàn)是將整個(gè)凍斷試驗(yàn)機(jī)置于高低溫試驗(yàn)箱中，試驗(yàn)時(shí)高低溫試驗(yàn)箱溫度從20℃開始，以30℃/h的速率降溫，凍斷試驗(yàn)機(jī)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測砂漿試件在降溫過程中的收縮位移，并通過電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，控制整個(gè)試驗(yàn)過程中凍斷試件不發(fā)生收縮位移。在此過程中，試件中應(yīng)力不斷增長，達(dá)到一定值時(shí)，砂漿試件開裂，此溫度即為砂漿的凍斷溫度。

3.5 抗沖磨對比試驗(yàn)抗沖磨性能試驗(yàn)參考SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[5]中水下鋼球法和圓環(huán)法兩種方法進(jìn)行了抗沖磨試驗(yàn)，水下鋼球法試驗(yàn)沖磨試件采用已經(jīng)測試過的混凝土試件，將試件基面沖洗干凈并晾干，然后在試件上澆筑厚約2 cm的SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿，室溫養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行沖磨試驗(yàn)。根據(jù)規(guī)程要求，72 h為1個(gè)試驗(yàn)周期，共試驗(yàn)了3個(gè)周期。

采用圓環(huán)法進(jìn)行了SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿和環(huán)氧砂漿抗沖磨對比試驗(yàn)，試驗(yàn)采用的SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿和環(huán)氧樹脂砂漿的配比均為漿材∶填料=1∶3。試驗(yàn)首先成型混凝土圓環(huán)試件（內(nèi)徑預(yù)留2 cm），然后再澆筑SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿和環(huán)氧樹脂砂漿將內(nèi)徑恢復(fù)，試件達(dá)到28 d齡期后，按照規(guī)程試驗(yàn)方法進(jìn)行沖磨試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 拉伸強(qiáng)度和伸長率試驗(yàn)結(jié)果分析拉伸強(qiáng)度和伸長率是表征抗沖磨材料柔韌性和抗開裂能力的重要指標(biāo)。表2是SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿的拉伸強(qiáng)度和伸長率試驗(yàn)結(jié)果，從表2可以看出，SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿拉伸強(qiáng)度5.5 MPa，試驗(yàn)配比下砂漿伸長率可達(dá)5.7%，根據(jù)工程需要，通過調(diào)整砂漿配比，其最大伸長率可達(dá)10%以上，表明特種抗沖磨砂漿屬于柔韌性材料，具有較強(qiáng)的適應(yīng)協(xié)調(diào)變形能力，不容易發(fā)生開裂、脫空等問題。

表2 SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿拉伸強(qiáng)度和伸長率試驗(yàn)結(jié)果

4.2 抗壓抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析表3是SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿抗壓和抗折試驗(yàn)結(jié)果，從表3的抗壓抗折試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)配比條件下的SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿抗壓強(qiáng)度可達(dá)20 MPa，抗折強(qiáng)度為11.9 MPa。圖1為抗壓試驗(yàn)破壞形態(tài)，從圖1可以看出，SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿在受壓條件下，砂漿本體產(chǎn)生壓縮變形，直到超過最大受力能力發(fā)生破壞，但砂漿本體并沒有發(fā)生剝落，說明SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿具有優(yōu)異的柔韌性能。圖2為抗折試驗(yàn)破壞形態(tài)，從圖2可以看出，抗折試驗(yàn)時(shí)試件逐漸從底部逐漸向上裂開，破壞形式表現(xiàn)為韌性破壞。

表3 SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿抗壓和抗折試驗(yàn)結(jié)果

圖1 特種抗沖磨砂漿抗壓試驗(yàn)破壞形態(tài)

圖2 特種抗沖磨砂漿抗折試驗(yàn)破壞形態(tài)

4.3 基面黏接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析在大壩溢流面等位置，在夏季由于受太陽直射，地面溫度最高可達(dá)50℃以上，對薄層材料與基面的黏接能力是嚴(yán)峻的考驗(yàn)，薄層修補(bǔ)材料容易發(fā)生脫空、翹起等破壞，因此，采用高溫水浴試驗(yàn)，檢驗(yàn)特種抗沖磨砂漿抗高溫黏接能力。表4為特種樹脂砂漿在常溫和高溫水浴后的黏接強(qiáng)度測試結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明，高彈性修補(bǔ)砂漿與混凝土黏接強(qiáng)度最高可達(dá)3.8 MPa，平均黏接強(qiáng)度為3.6 MPa，高溫水浴后黏接強(qiáng)度仍達(dá)3.3 MPa。圖3和圖4分別為常溫和高溫水浴后黏按試驗(yàn)，從圖3、圖4可以看出，拉拔試驗(yàn)的破壞形式均為內(nèi)聚破壞，說明SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力，可以應(yīng)用在混凝土缺陷的修補(bǔ)中。

表4 SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿黏接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 常溫成型黏接試驗(yàn)

圖4 55℃高溫水浴后黏接試驗(yàn)

4.4 低溫凍斷對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表5為SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿凍斷試驗(yàn)結(jié)果。從表5可以看出，SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿的低溫凍斷溫度達(dá)-42℃，而環(huán)氧砂漿的平均凍斷溫度只有-15℃，說明SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿具有優(yōu)異的低溫抗裂性能。

表5 SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿凍斷試驗(yàn)結(jié)果

4.5 抗沖磨對比試驗(yàn)結(jié)果分析現(xiàn)有的評價(jià)抗沖磨混凝土的試驗(yàn)方法中，水下鋼球法主要模擬水流挾帶著推移質(zhì)及類推移質(zhì)對底板及其他由混凝土澆筑部位的磨損破壞，圓環(huán)法抗沖磨測試側(cè)重模擬含砂水流即懸移質(zhì)對混凝土的沖磨破壞。為了探究SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿抵抗推移質(zhì)破壞的能力，本文首先采用水下鋼球沖磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了3個(gè)周期的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后測量試件的質(zhì)量損失基本為零，說明特種抗沖磨砂漿材料具有極強(qiáng)的抗推移質(zhì)破壞能力。

表6 SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿與環(huán)氧砂漿抗沖磨對比試驗(yàn)

圖5 高強(qiáng)環(huán)氧砂漿圓環(huán)法試驗(yàn)后沖磨情況

圖6 SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿抗沖磨試驗(yàn)后沖磨情況

由于水下鋼球法無法有效測試特種樹脂砂漿的沖磨強(qiáng)度，為了進(jìn)一步測試抗沖磨砂漿的沖磨能力，并與環(huán)氧砂漿進(jìn)行對比，本文又采用圓環(huán)法（40 m/s流速）對SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿和環(huán)氧砂漿進(jìn)行了對比試驗(yàn)（表6）。表6結(jié)果表明，在同等條件下，SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿的抗沖磨強(qiáng)度是高強(qiáng)環(huán)氧砂漿的5倍以上。圖5是環(huán)氧砂漿沖磨后的形態(tài)，從圖5可以看出，環(huán)氧砂漿被沖出很深的凹槽，表現(xiàn)出典型的懸移質(zhì)微切削破壞形式。圖6是特種抗沖磨砂漿沖磨后的形態(tài)，從圖6可以看出，只是表面均勻的被磨損掉一層，圓環(huán)中部砂漿表面還比較完整，圓環(huán)法試驗(yàn)進(jìn)一步證明特種抗沖磨砂漿具有優(yōu)異的抗沖磨能力。

5 工程現(xiàn)場試驗(yàn)

為論證SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿的主要力學(xué)性能和施工性能，研究施工工藝，確定各項(xiàng)主要施工技術(shù)參數(shù)，2018年5月在黃河劉家峽水電站溢洪道進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，劉家峽水庫溢洪道長期遭受高速水流和凍融破壞，底板混凝土局部發(fā)生沖磨破壞，破壞深度平均在3～5 cm左右（圖7），試驗(yàn)選擇沖蝕較嚴(yán)重的部位，共修復(fù)破損混凝土30 m2（圖8）。具體施工工藝流程為：（1）對泄流底板磨蝕破壞的混凝土基面鑿毛處理，深度在3～5 cm左右；（2）高壓水槍清洗基面；（3）基面干燥后涂刷專用界面劑；（4）然后涂刷一遍特種抗沖磨樹脂基液；（5）澆筑SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿并抹面找平，自然養(yǎng)護(hù)14 d。

圖7 劉家峽溢洪道底板現(xiàn)狀

圖8 澆筑SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿

2018年夏季劉家峽水電站遭受近30年以來最大洪水的考驗(yàn)，溢洪道泄洪流量達(dá)1800 m3/s，持續(xù)時(shí)間長達(dá)30余天，SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿完好無損（圖9），抗高速水流沖磨效果良好。

圖9 特種砂漿經(jīng)歷泄洪沖磨后情況

6 結(jié)語

本文針對水利水電工程存在的泄洪建筑物沖磨防護(hù)難題，深入分析高速水流作用下推移質(zhì)及懸移質(zhì)對水工混凝土磨蝕破壞機(jī)理，以柔性氨基樹脂材料和特種固化劑為膠結(jié)體系，添加抗沖磨填料，研發(fā)了新型抗沖磨樹脂砂漿材料，并對新型樹脂砂漿進(jìn)行了力學(xué)性能、沖磨能力和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該材料抗壓強(qiáng)度大于20 MPa，低溫凍斷溫度達(dá)-42℃，抗沖磨強(qiáng)度可達(dá)5.2 h/（g/cm2），同等條件對比試驗(yàn)證明其抗沖磨強(qiáng)度是高強(qiáng)環(huán)氧砂漿的5倍以上，低溫凍斷溫度達(dá)-42℃，說明SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿具有高韌性和高抗沖磨的材料特性。劉家峽溢洪道現(xiàn)場試驗(yàn)表明其抗沖磨效果良好，適用于泄水建筑物的抗沖磨、特別是推移質(zhì)破壞的防護(hù)和修復(fù)，也可應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍融保護(hù)及破壞后的修復(fù)。