謝寶豐，梁國濤，劉煥虎

（黃河水利水電開發(fā)集團(tuán)有限公司，河南省濟(jì)源市 454681）

0 引言

黃河流域水流含沙量大，水流中挾帶大量推移質(zhì)，包括比較粗的砂礫石顆粒，以及在水流推動作用下前移的較大粒徑塊石等[1]。推移質(zhì)以滾動、滑動、跳躍的方式移動，其破壞力比懸移質(zhì)更大，往往能對水工泄洪建筑物造成功能性損壞[2]。大中型水利樞紐的泄水和輸水建筑物，常處于流速快、大流量、高水頭的工況下，水流對水工建筑物混凝土破壞形式主要有三種，一是懸移質(zhì)顆粒對水工建筑物的磨損破壞；二是水流沖擊對混凝土的過流面造成氣蝕破壞[3]；三是推移質(zhì)，特別是組粒徑等對水利工程過水結(jié)構(gòu)的破壞。推移質(zhì)造成破壞類型有沖磨或破壞、混凝土表面剝落，甚至出現(xiàn)鋼筋外露及銹蝕，比其他類型更加嚴(yán)重[4]。

西霞院工程是位于黃河中下游的大（2）型水利樞紐，自2018年以來，受水量調(diào)度及水情影響，連續(xù)三年經(jīng)歷“低水位、大流量、高含沙、長歷時”泄洪運(yùn)用方式，導(dǎo)致水流挾帶大量的推移質(zhì)及懸移質(zhì)，對工程的水下建筑物、金屬結(jié)構(gòu)，特別是對泄水、輸水建筑物造成了嚴(yán)重的沖磨破壞。環(huán)氧砂漿材料是一種推廣性廣、高性價比的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，具有和易性強(qiáng)、固化速度快、力學(xué)性穩(wěn)定、粘接性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，其在泄洪流道混凝土修復(fù)中得到廣泛應(yīng)用[5]。黃河水利水電開發(fā)集團(tuán)有限公司在2014年研發(fā)出的混凝土環(huán)氧砂漿修復(fù)材料（專利號：ZL201410510917.6），已在西霞院水利樞紐水工建筑中廣泛推廣使用，取得一定的成效[6]。但針對2018年后在高含量推移質(zhì)及懸移質(zhì)的特殊工況下，特別是西霞院泄洪流道的混凝土環(huán)氧砂漿修復(fù)效果并不理想，為此需要對環(huán)氧砂漿修復(fù)材料的性能優(yōu)化提升進(jìn)行研究。

1 現(xiàn)狀問題

1.1 主要問題

（1）2018年以來，高含量推移質(zhì)、懸移質(zhì)水流通過泄洪流道成為造成水工建筑物混凝土損壞最主要原因。

（2）推移質(zhì)以滾動、跳躍、滑動的方式對混凝土造成破壞，特別是流道的底板部分比邊墻部分破壞更加嚴(yán)重，2018年汛后流道檢查發(fā)現(xiàn)，個別部位混凝土損壞深度達(dá)到10cm，出現(xiàn)鋼筋外露銹蝕。

（3）針對目前的工況，環(huán)氧砂漿修補(bǔ)材料要求在良好的抗壓強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度基礎(chǔ)上，還具有良好的韌性和抗沖磨性能[7]，已有的專利環(huán)氧砂漿材料性能難以滿足目前的工況。

1.2 原因分析

（1）2018年以來，西霞院反調(diào)節(jié)水庫按照大流量、低水位泄洪排沙方式運(yùn)用，期間實(shí)測最大出庫含沙量達(dá)到266kg/m3，高含沙水流挾帶大量推移質(zhì)，大量推移質(zhì)通過泄洪流道堆積在發(fā)電壩段消力池區(qū)域。2018年汛后對9條排沙孔洞流道進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)長時間下泄高含沙水流導(dǎo)致流道混凝土普遍出現(xiàn)了磨蝕、掉塊，局部較為嚴(yán)重出現(xiàn)露筋現(xiàn)象，9條流道底板平均磨蝕深度在2～10cm之間，泄洪流道底板的損壞程度遠(yuǎn)大于邊墻的損壞程度，說明大體積推移質(zhì)的滾動、碰撞等作用對底板的損壞更大。

（2）2018年汛后，對破壞較深的底板位置采用的修補(bǔ)方法是底部環(huán)氧混凝土并加入植筋，表面2cm采用公司原配方專利環(huán)氧砂漿覆蓋；邊墻位置采用原專利環(huán)氧砂漿按1～2cm厚度修復(fù)。經(jīng)過2019年汛期，檢查發(fā)現(xiàn)底板位置仍然損壞嚴(yán)重，局部位置出現(xiàn)露筋現(xiàn)象。說明原配方專利環(huán)氧砂漿對高含量推移質(zhì)水流的磨蝕、沖擊抵抗保護(hù)能力不足，一是原配方環(huán)氧砂漿的強(qiáng)度在60MP，強(qiáng)度不足。二是應(yīng)對大粒徑推移質(zhì)的跳躍撞擊、滾動等損傷情況，要求環(huán)氧砂漿在耐磨高強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，還應(yīng)具有足夠的韌性。

2 方案的設(shè)計研究

2.1 方案初步設(shè)計

研究人員通過搜集資料、外出調(diào)研、現(xiàn)場試驗(yàn)等方法對環(huán)氧砂漿修復(fù)材料進(jìn)行研究，原配方專利環(huán)氧砂漿的主骨料為級配石英砂，其主要礦物成分是SiO2，其莫氏硬度為7級。碳化硅材料目前也在工業(yè)應(yīng)用中推廣，俗稱金剛砂，化學(xué)式為SiC，碳化硅的莫氏硬度為9.5級，碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定，耐磨性和強(qiáng)度均超過石英砂[8]。研究人員擬采用級配SiC，替代原配方中的石英砂材料。碳化硅耐磨性和強(qiáng)度強(qiáng)于石英砂，但碳化硅材料屬于高硬脆性材料，要保證環(huán)氧砂漿修復(fù)材料具有足夠的韌性，必須添加增韌改性材料。

本研究擬提出，一種高韌性耐磨環(huán)氧樹脂聚合物砂漿配方，初擬按重量份數(shù)由15～20份的環(huán)氧樹脂漿料、2～4份活性稀釋劑、6～8份固化混合物、70～80份填料混合物以及增韌改性材料混合拌制而成。

2.2 三種配比試驗(yàn)方案

根據(jù)擬訂方案，五種配料詳細(xì)組成做細(xì)微調(diào)整，每種配方內(nèi)部材料按重量配比見表1，混合后攪拌均勻后備用，再按比例混合，將得到的環(huán)氧樹脂聚合物砂漿，分別進(jìn)行性能檢測，結(jié)果見表2。

表1 三種試驗(yàn)方案配料詳細(xì)配比Table 1 Detailed ratio of ingredients in the three test schemes

表2 3種試驗(yàn)方案性能參數(shù)檢測結(jié)果Table 2 Test results of the performance parameters of the three test schemes

由表2可以看出，本研究設(shè)計試驗(yàn)方案1/2/3得到的高韌性耐磨環(huán)氧樹脂聚合物砂漿在抗壓強(qiáng)度上可以達(dá)到98MPa以上，粘接強(qiáng)度達(dá)到4.9MPa以上，抗沖磨強(qiáng)度達(dá)到418h/（kg/m2）以上，抗折彎強(qiáng)度達(dá)到26.0MPa以上；通過表2還可以看出，本研究發(fā)明的高韌性耐磨環(huán)氧樹脂聚合物砂漿具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，具備廣泛推廣的條件。

2.3 現(xiàn)場試驗(yàn)，效果對比

利用本設(shè)計研究方案提供的高韌性耐磨環(huán)氧樹脂聚合物砂漿和原專利配方環(huán)氧樹脂聚合物砂漿進(jìn)行了現(xiàn)場對比試驗(yàn)。研究人員在小浪底水利樞紐2號排沙洞出水口段進(jìn)行了對比試驗(yàn)，本發(fā)明提供的高韌性耐磨環(huán)氧樹脂聚合物砂漿，修補(bǔ)厚度為10mm；原專利配方環(huán)氧砂漿修補(bǔ)厚度為10mm。經(jīng)過3個月的泄洪排沙運(yùn)行，研究方案提供的高韌性耐磨環(huán)氧樹脂聚合物砂漿修補(bǔ)面未出現(xiàn)掉塊、沖坑等缺陷，平均磨蝕厚度約0.5mm，專利號為CN201410510917.6環(huán)氧樹脂聚合物砂漿約1/2的修補(bǔ)層被完全沖掉，剩余1/2的修補(bǔ)層平均磨蝕厚度約4mm。

經(jīng)對比本研究發(fā)明提供的環(huán)氧樹脂聚合物砂漿與現(xiàn)有環(huán)氧樹脂砂漿相比，除具有現(xiàn)有環(huán)氧砂漿強(qiáng)度高、粘接強(qiáng)度大、方便施工的優(yōu)點(diǎn)外，還具有很好的韌性和抗沖耐磨性能，針對受高速含沙水流和推移質(zhì)影響嚴(yán)重的水工建筑物過流部位，具有很好的修補(bǔ)和防護(hù)作用。

2.4 確定最終方案

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室配比試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，確定高韌性耐磨環(huán)氧樹脂聚合物砂漿，按重量份數(shù)由15～20份的環(huán)氧樹脂漿料、2～4份活性稀釋劑、6～8份固化混合物、70～80份填料混合物以及增韌改性材料混合拌制而成（見表3）。

表3 最終方案配料比表Table 3 Ingredients ratio list of final solution

此種高韌性耐磨環(huán)氧樹脂聚合物砂漿的應(yīng)用方法，包括以下步驟：

（1）按照最終配比方案，備齊上述5種配料；

（2）施工前，使用電動工具對修補(bǔ)表面進(jìn)行處理，清理表面的灰塵、乳皮、松動骨料等；

（3）按重量份數(shù)取65份環(huán)氧樹脂漿料、10份活性稀釋劑、25份固化混合物，混合攪拌均勻，制成環(huán)氧基液，均勻涂刷在修補(bǔ)表面，并陳化20～60min；

（4）按重量份數(shù)取15～20份的環(huán)氧樹脂漿料、2～4份活性稀釋劑、6～8份固化混合物、70～80份填料混合物以及微量增韌改性材料，混合攪拌均勻，制成環(huán)氧樹脂聚合物砂漿；

（5）將環(huán)氧樹脂聚合物砂漿均勻涂抹在修補(bǔ)表面，并使用工具壓實(shí)抹平。

3 實(shí)施效果

3.1 新型環(huán)氧砂漿材料性能效果

本研發(fā)方案提供的環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料與原專利環(huán)氧樹脂砂漿材料相比，在抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度具有一定優(yōu)勢，在韌性和耐沖磨性能上也優(yōu)于原配方專利環(huán)氧砂漿。針對受高含量推移質(zhì)水流破壞的泄洪流道的受損位置，起到預(yù)防護(hù)和修復(fù)作用。研究人員首先經(jīng)過自檢部分指標(biāo)可達(dá)到性能要求，后又委托第三方國家金屬制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢測，主要性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期（見表4）。

表4 新型配方環(huán)氧砂漿主要性能指標(biāo)Table 4 Main performance indexes of the new formula on epoxy mortar

3.2 汛后流道檢查效果

新型環(huán)氧砂漿在2019年汛后廣泛應(yīng)用于西霞院泄洪流道維修底板部分維修中，經(jīng)過2020年一個汛期累計120天的運(yùn)用，其中過流5條泄洪流道，平均過流時間為1638小時，與上年度年過流情況類似。經(jīng)現(xiàn)場檢查，過流的5條排沙孔洞流道整體情況良好，在底板和邊墻的連接部位、流道折彎部位存在輕微磨蝕，證明新型環(huán)氧砂漿材料對高含量推移質(zhì)及懸移質(zhì)水流工況下泄洪流道運(yùn)行狀況有較大的改善，其抗磨蝕、沖擊性能有較大的提高。

4 結(jié)語

該項(xiàng)研究成果，提升了黃河流域高含量推移質(zhì)流工況下的泄水和輸水建筑物修復(fù)材料的性能，特別是粗粒徑推移質(zhì)及類推移質(zhì)造成的沖磨或破壞，導(dǎo)致混凝土表面剝落、鋼筋外露及銹蝕的問題；在實(shí)踐過程中提高了流道維修的施工質(zhì)量、縮短了檢修工期，消除了安全隱患。該研究成果逐步推廣到多個電站的水工建筑物維修維護(hù)中，對水工建筑物安全度汛提供保障，取得較大社會效益。