水工混凝土環(huán)氧防護(hù)材料環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究

李敬瑋，鄧正剛，趙　波，夏世法

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038；3.水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038)

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水工混凝土環(huán)氧防護(hù)材料環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究

李敬瑋1，2，3，鄧正剛1，2，3，趙波1，2，3，夏世法1，2，3

(1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038；3.水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038)

摘要：在總結(jié)環(huán)氧防護(hù)材料在水工混凝土防護(hù)工程中應(yīng)用進(jìn)展的基礎(chǔ)上，針對水利水電工程應(yīng)用環(huán)境條件，進(jìn)行了模擬水工環(huán)境條件下環(huán)氧防護(hù)涂層材料適應(yīng)性試驗(yàn)研究。YEC環(huán)氧防護(hù)涂層的系列試驗(yàn)測試結(jié)果以及不同工程情況的應(yīng)用實(shí)例表明，該系列試驗(yàn)?zāi)軌驒z測材料在水工環(huán)境下的適應(yīng)性，為水工混凝土防護(hù)材料的選擇提供可參考的試驗(yàn)手段。

關(guān)鍵詞：水工混凝土；環(huán)氧涂料；修補(bǔ)與防護(hù)

0引言

病險(xiǎn)水庫或大壩普遍存在混凝土襯砌滲漏和薄層大面積剝蝕破壞現(xiàn)象，混凝土表面由各類裂縫和侵蝕破壞造成的表面缺陷，是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)弱化、耐久性降低的重要原因之一。

混凝土的破壞主要分為機(jī)械破壞、化學(xué)破壞和物理破壞三類。機(jī)械破壞主要包括沖磨、疲勞、沖擊、過載、沉降等運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)形式；化學(xué)破壞包括堿骨料反應(yīng)、侵入性介質(zhì)(硫酸鹽類、鹽類、軟水等)等；物理破壞包括凍融、熱效應(yīng)、鹽結(jié)晶、收縮、沖蝕、磨損等?；炷帘砻娴姆雷o(hù)材料主要分為疏水性防護(hù)劑(Hydrophobic impregnation)、防護(hù)劑(impregnation)和涂層(coating) 三類[1]。他們之間的主要區(qū)別在于混凝土表面形成的防護(hù)層的狀態(tài)不同，疏水性防護(hù)劑(Hydrophobic impregnation)是通過滲透作用使混凝土表面成為疏水性表面，包括混凝土孔隙的內(nèi)表面，但不填充混凝土表面的孔隙，品種多為硅烷和硅氧烷材料；防護(hù)劑(impregnation)可以完全或部分填充混凝土表面的孔隙和毛細(xì)管，并對混凝土表面起到補(bǔ)強(qiáng)作用，常在混凝土表面形成不連續(xù)的膜，多采用有機(jī)聚合物材料；涂層(coating)則在混凝土表面形成連續(xù)的防護(hù)膜，厚度在0.1～5 mm之間，材料多為有機(jī)聚合物、聚合物砂漿及聚合物改性水泥砂漿等。

涂層材料對化學(xué)破壞和物理破壞都具有很好的防護(hù)作用，部分涂層材料對機(jī)械破壞也有防護(hù)作用，所以涂層材料在防護(hù)中用途最為廣泛，尤其在浸水環(huán)境中，涂層防護(hù)能夠起到更好的阻隔作用，具有更可靠的物理和化學(xué)防護(hù)作用。針對水工混凝土的狀態(tài)和其運(yùn)行環(huán)境，對其處理的目的可以分為防護(hù)、修補(bǔ)和加固等，由于環(huán)氧樹脂突出的粘接、力學(xué)和耐介質(zhì)等性能，作為一種工程材料在混凝土的防護(hù)、修補(bǔ)加固方面具有不可替代的作用。

1環(huán)氧材料在水工混凝土表面防護(hù)中的研究及應(yīng)用進(jìn)展

在水利工程中，由于其特殊的運(yùn)行條件，混凝土的老化形式和機(jī)理更為多樣和復(fù)雜，如裂紋、碳化、溶蝕、凍融剝蝕、化學(xué)腐蝕、沖磨破壞等，所以水利工程中的防護(hù)和修補(bǔ)對材料和技術(shù)提出了更高的要求，而環(huán)氧樹脂材料優(yōu)異的綜合性能使其在水工防護(hù)修補(bǔ)中具有很大的技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿ΑＯ嚓P(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明環(huán)氧樹脂材料對于混凝土有優(yōu)異的防護(hù)效果。M. Delucchi等[2，3]比較了不同材料類型涂層的防護(hù)性能，包括水性環(huán)氧樹脂體系、水性環(huán)氧+丙烯酸酯/聚氨酯體系、環(huán)氧/聚胺體系以及乳液橡膠等，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在滲透性、抗磨性和耐介質(zhì)腐蝕性能以及裂紋橋聯(lián)方面環(huán)氧/聚胺體系具有非常出色的性能。M. Maslehuddin等[4]研究了在鹽霧、氯離子溶液、酸、硫磺蒸汽等條件下不同防護(hù)體系的防護(hù)效果，結(jié)果表明表層采用環(huán)氧涂層防護(hù)的體系，其防護(hù)效果明顯，并認(rèn)為適合在上述條件下應(yīng)用于混凝土的防護(hù)。盧永忠[5]研究了丙乳砂漿和環(huán)氧砂漿對混凝土的防護(hù)作用，結(jié)果表明兩種材料對混凝土的抗氯離子和抗凍性均有利，而環(huán)氧砂漿在抗磨性方面更優(yōu)。

我國的水利設(shè)施正在進(jìn)入維護(hù)、防護(hù)高峰期，大量的水工建筑物需要進(jìn)行防護(hù)和修補(bǔ)。環(huán)氧基材料在混凝土薄層修補(bǔ)和防護(hù)中得到了廣泛應(yīng)用。包叔平等[6]報(bào)道了某船閘混凝土采用環(huán)氧涂層材料(環(huán)氧膠泥)進(jìn)行防護(hù)，取得了滿意效果。三峽大壩導(dǎo)流底孔、葛洲壩3號船閘反弧面利用環(huán)氧涂層材料進(jìn)行抗沖磨、抗氣蝕防護(hù)，效果良好[7，8]。江蘇省國營淮海農(nóng)場利用環(huán)氧厚漿涂料對碳化嚴(yán)重的混凝土橋梁進(jìn)行修補(bǔ)和防護(hù)取得了較好效果，并為今后水工防腐提供了經(jīng)驗(yàn)。中國水利水電科學(xué)研究院研制的環(huán)氧防護(hù)涂層材料在寒冷地區(qū)吉林臺水電站大壩面板表面防護(hù)中應(yīng)用效果良好[9]。

環(huán)氧防護(hù)材料的修補(bǔ)防護(hù)效果在應(yīng)用實(shí)踐中也得到了證明，D.W.Fowler[10]對聚合物材料在混凝土修補(bǔ)防護(hù)的應(yīng)用進(jìn)行了回顧，指出限制其推廣利用的一個(gè)主要因素是價(jià)格，一般其成本是水泥體系的10～100倍。但隨著社會的發(fā)展和對修補(bǔ)防護(hù)作用認(rèn)識的加深，高性能環(huán)氧防護(hù)修補(bǔ)材料的應(yīng)用已越來越普遍。

2水工混凝土環(huán)氧防護(hù)材料的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的力學(xué)性能、粘接性能和長期的耐水性能，但在應(yīng)用中，由于環(huán)氧樹脂材料通常表現(xiàn)為剛性，應(yīng)用環(huán)境溫度的變化會在防護(hù)涂層內(nèi)部形成應(yīng)力的積累，由此可能引起防護(hù)層開裂、脫空等現(xiàn)象出現(xiàn)，從而降低或失去防護(hù)效果[11，12]。無論哪種破壞形式，都與材料本身的物理性能和使用過程中積累的內(nèi)應(yīng)力大小有關(guān)。趙波[13]等研究了水工環(huán)氧材料在不同溫度下的應(yīng)力松弛情況，結(jié)果表明有效的增韌可以提高環(huán)氧材料的松弛率，降低內(nèi)應(yīng)力。然而在水工行業(yè)中還沒有系統(tǒng)的試驗(yàn)方法考察環(huán)氧涂層材料的環(huán)境適應(yīng)性。因此，對水工混凝土用環(huán)氧涂層材料的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)進(jìn)行研究具有非常重要的實(shí)用意義。

中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所在環(huán)氧材料增韌及使用過程中消除應(yīng)力積累等研究的基礎(chǔ)上，研制了水工混凝土環(huán)氧防護(hù)涂層材料。根據(jù)試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，通過一系列的試驗(yàn)測試，考察其水工環(huán)境適應(yīng)性。以期為今后涂料體系選用提供參考。

2.1試驗(yàn)內(nèi)容

2.1.1高低溫干熱循環(huán)試驗(yàn)

為了評價(jià)材料在混凝土防護(hù)過程中適應(yīng)環(huán)境溫度變化的能力，進(jìn)行了高低溫干熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)[14]。為了涵蓋我國極寒地區(qū)凍融防護(hù)的應(yīng)用條件，將循環(huán)的最低溫度定為-40 ℃，最高溫度為55 ℃。

(1)試件準(zhǔn)備。300 mm×300 mm×100 mm混凝土試件，試件表面拉拔強(qiáng)度大于3 MPa，基面打磨后刮涂2 mm厚環(huán)氧防護(hù)涂層，養(yǎng)護(hù)14 d。

(2)高低溫實(shí)驗(yàn)箱。設(shè)定溫度程序：①21 ℃降溫至-40 ℃，降溫速率為3 ℃/min(20 min)；②-40 ℃保持153 min；③升溫至～55 ℃，升溫速率為3 ℃/min(32 min)；④55 ℃保持153 min；⑤降溫至21 ℃，降溫速率為3 ℃/min(12 min)。一個(gè)循環(huán)約6 h10 min。

經(jīng)過30個(gè)循環(huán)，觀察涂層表面是否出現(xiàn)裂紋、起包、分層、剝落等外觀缺陷。測試高低溫干熱循環(huán)后和未經(jīng)過循環(huán)試驗(yàn)的同批號混凝土底材拉拔粘結(jié)強(qiáng)度對比測試結(jié)果。

2.1.2濕熱-浸泡循環(huán)試驗(yàn)

本試驗(yàn)?zāi)M考查水工混凝土環(huán)氧防護(hù)涂層材料突遇雷陣雨熱沖擊或水位上升引起的溫度下降環(huán)境條件下，涂層材料與混凝土基層的熱相容性能[15]。試驗(yàn)條件及過程如下：①試件準(zhǔn)備。300 mm×300 mm×100 mm混凝土試件，試件表面拉拔強(qiáng)度大于3 MPa，基面打磨后刮涂2 mm厚環(huán)氧防護(hù)涂層，養(yǎng)護(hù)14 d。②水浴容器。內(nèi)徑為50 cm、高度大于20 cm的容器中放入14 cm高的自來水，水溫不超過20 ℃。③烘箱設(shè)定溫度為70 ℃。④將試件放入70 ℃烘箱中，5.5 h后取出，馬上放入水浴容器中，水沒過試件表面50 mm，攪拌容器中的水，使水溫均勻，15 min后取出，完成一個(gè)循環(huán)，合計(jì)時(shí)間為6 h。

經(jīng)過30個(gè)循環(huán)，觀察涂層表面是否出現(xiàn)裂紋、起包、分層、剝落等外觀缺陷。測試涂層材料對基材混凝土的拉拔粘結(jié)強(qiáng)度。

2.1.3凍融循環(huán)試驗(yàn)

為了評價(jià)環(huán)氧防護(hù)材料對混凝土抗凍融防護(hù)作用，依據(jù)SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》抗凍性試驗(yàn)要求，采用混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，通過測試凍融循環(huán)前后環(huán)氧防護(hù)涂料與混凝土的拉拔粘結(jié)強(qiáng)度，檢驗(yàn)該材料的抗凍性以及對混凝土的防護(hù)作用。試參數(shù)和過程如下：①試塊準(zhǔn)備。100 mm×100 mm×400 mm混凝土試塊(C30F300)，表面打磨清理后涂刷環(huán)氧防護(hù)涂料，常溫養(yǎng)護(hù)14 d。一塊作為凍融試件，一塊作為空白試件進(jìn)行對比。②凍融條件。凍融液溫度-25～20 ℃；3 h循環(huán)一次，降溫1.5 h。

經(jīng)300個(gè)凍融循環(huán)，觀察涂層表面是否出現(xiàn)裂紋、起包、分層、剝落等外觀缺陷。測試涂層材料對基材混凝土的拉拔粘結(jié)強(qiáng)度。

2.1.4基本力學(xué)性能試驗(yàn)

涂層材料的本體力學(xué)性能試驗(yàn)，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》中的拉伸試驗(yàn)，測試材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。砂漿粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16777—2008 《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》，測試涂層材料在干燥和潮濕砂漿基面的粘結(jié)強(qiáng)度。環(huán)氧涂層抗沖磨性能試驗(yàn)參考SL 352—2006 《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中混凝土抗沖磨試驗(yàn)(圓環(huán)法)，將環(huán)氧涂層涂在混凝土圓環(huán)基材上，測試環(huán)氧涂層在高速水沙沖刷條件下的抗沖磨強(qiáng)度。

2.2結(jié)果與討論

采用YEC環(huán)氧防護(hù)涂層材料進(jìn)行以上系列基本性能及環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。檢測結(jié)果見表1、2。

表1YEC環(huán)氧防護(hù)涂層材料基本力學(xué)性能測試結(jié)果

材料表干時(shí)間/h拉伸強(qiáng)度/MPa斷裂伸長率/%與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度/MPa干燥基面潮濕基面抗沖耐磨強(qiáng)度/h·(kg·m2)-1YEC環(huán)氧防護(hù)涂層3.016.26.84.08(砂漿破壞)3.62(砂漿破壞)4316

表2　YEC環(huán)氧防護(hù)涂層環(huán)境適應(yīng)性系列試驗(yàn)檢測結(jié)果　MPa

經(jīng)過以上測試試驗(yàn)，觀察試件表面YEC環(huán)氧防護(hù)涂層未出現(xiàn)裂紋、起包、分層、剝落等現(xiàn)象。防護(hù)材料在經(jīng)過各種循環(huán)試驗(yàn)后，涂層及基材的粘結(jié)強(qiáng)度并無明顯降低，說明材料具有很好的防護(hù)效果。

3水工混凝土防護(hù)工程應(yīng)用實(shí)例

2010年白蓮崖水庫排沙洞閘門室發(fā)現(xiàn)漏水，濕度非常大，存在嚴(yán)重的結(jié)露現(xiàn)象，其防護(hù)工程對材料潮濕適應(yīng)性的要求非常高，防護(hù)材料必須具備出色的潮濕粘接和潮濕固化的性能。采用YEC環(huán)氧防護(hù)涂層材料進(jìn)行修補(bǔ)防護(hù)，經(jīng)過5年的運(yùn)行表明，粘結(jié)防護(hù)及抗沖磨效果非常理想。

厄瓜多爾科卡科多辛克雷水電站(CCS)首部沖沙閘及其下游消力池是首部樞紐重要的泄洪排沙建筑物，沖沙泄洪運(yùn)用頻繁，除懸移質(zhì)外，還有推移質(zhì)，根據(jù)河床砂礫料的級配曲線，中值粒徑約30 mm左右。水力試驗(yàn)結(jié)果表明，在各級特征洪水條件下，消力池均能形成完整水躍，消力池與下游海漫水流銜接平順，海漫段水流波動(dòng)相對較小，海漫護(hù)坦首端斷面流速為8～10 m/s。由于沉沙池沖沙廊道出口布置在沖沙閘下游護(hù)坦右側(cè)，水流流速偏大，泥沙含量較高，所以需對沖沙閘下游護(hù)坦表層混凝土進(jìn)行抗沖磨處理。由于需處理范圍內(nèi)的混凝土已經(jīng)澆筑完成了5塊，所以對已澆筑混凝土面層需進(jìn)行二期抗沖磨處理。為此中國水電建設(shè)集團(tuán)CCS項(xiàng)目部委托中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所對二期處理備選材料進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)，確定采用YEC環(huán)氧防護(hù)涂層進(jìn)行抗沖磨防護(hù)，防護(hù)厚度為3 mm。工程施工時(shí)間為2014年3月～4月，防護(hù)面積約為2 400 m2，目前運(yùn)行狀況良好。

云南松山河口水電站引水隧洞和調(diào)壓井滲漏比較嚴(yán)重，采用的施工方案是在對局部缺陷重點(diǎn)處理的基礎(chǔ)上，采用YEC防護(hù)涂層材料對調(diào)壓井及引水隧洞混凝土表面進(jìn)行防滲處理。該工程于2011年4月完工，施工面積1萬余 m2，工程完工后引水運(yùn)行未再發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

4結(jié)語

水工混凝土應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，對防護(hù)材料的要求也較高，如果僅對材料的基本力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)，難以達(dá)到工程實(shí)際運(yùn)行要求。因此，針對材料的水工環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。希望經(jīng)過試驗(yàn)篩選，確保材料在復(fù)雜的應(yīng)用條件下，長期發(fā)揮防護(hù)作用。

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(責(zé)任編輯焦雪梅)

Experimental Study on Environment Suitability of Epoxy Coating for Hydraulic Concrete

LI Jingwei1,2,3, DENG Zhenggang1,2,3, ZHAO Bo1,2,3, XIA Shifa1,2,3

(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China;2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, Beijing 100038, China;3. Key Laboratory of Hydraulic Engineering Construction and Safety of MWR, Beijing 100038, China)

Abstract:The research progress in application of epoxy coating for hydraulic concrete is firstly summed, and then, the environmental suitability experiments of epoxy coating are carried out to hydraulic concrete protection under simulated hydraulic project environment. The experimental results of YEC epoxy coating and its engineering application examples show that these experiments are capable of detecting the suitability of epoxy coating for hydraulic concrete and also provide an referenced test method for selecting suitable protection materials of hydraulic concrete．

Key Words:hydraulic concrete; epoxy resin coating; protection and repairing

中圖分類號：TV528；TQ317

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)01- 0098- 04

作者簡介：李敬瑋(1975—)，女，河北石家莊人，高級工程師，主要從事水工新型材料研究工作．

基金項(xiàng)目：中國水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)結(jié)集1352項(xiàng)目資助

收稿日期：2015- 09- 30