SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿材料工程特性研究

楊偉才，鮑志強，孟 川

（1.中國水利水電科學研究院，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，另外反復修補發(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行有重大工程和經(jīng)濟價值。

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理也不盡相同。懸移質(zhì)泥沙以懸浮狀態(tài)隨水流運動，由于顆粒細小，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?shù)淖矒糇饔谩Ｔ诟咚偎髯饔孟?，推移質(zhì)以滑動、滾動及跳躍等方式在過流面上運動，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)生較高的接觸應力，而當局部拉應力達到混凝土本身斷裂極限時，微細裂紋便會產(chǎn)生或擴展，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、運動方式等多方面因素的影響，還與過流時間、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重。

針對懸移質(zhì)磨蝕問題，目前常用砂漿和抗沖蝕涂層進行防護，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行安全。長期應用實踐使人們逐漸認識到：對于推移質(zhì)破壞，沖磨修補材料不能一味追求高強度，而應在保證一定強度的情況下，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為基液物理力學性能指標，SK-PAM抗沖磨樹脂漿材具有優(yōu)異的物理力學性能，其拉伸強度超過15 MPa，伸長率達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行了物理力學性能試驗，并與環(huán)氧砂漿進行抗沖磨對比試驗，以驗證SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿的抗沖磨性能和環(huán)境適應能力。

3 試驗方法與設備

3.1 拉伸強度和伸長率測試拉伸試驗參照SL352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》[5]中的水泥砂漿軸向拉伸試驗的試驗尺寸和拉伸試驗器具，待砂漿試件到達28 d試驗齡期后進行拉伸試驗。試驗中，記錄試件從開始到破壞過程的延伸情況，記錄試件破壞時的荷載，取最大拉伸強度時的伸長值計算伸長率，即伸長率為最大軸向拉伸強度時的伸長率。

3.2 抗壓抗折強度試驗抗壓試驗參照SL352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》[5]中的水泥砂漿抗壓強度試驗的試驗尺寸和抗壓試驗器具，試模使用40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)試模，待砂漿試件到達28 d試驗齡期后進行抗壓和抗折試驗，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。記錄試件的抗壓強度，若試件壓縮至50%尚未破壞，則記錄該點的抗壓強度。

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

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

3.4 低溫凍斷對比試驗為驗證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規(guī)程》中瀝青混凝土的凍斷試驗進行了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。凍斷試驗是將整個凍斷試驗機置于高低溫試驗箱中，試驗時高低溫試驗箱溫度從20℃開始，以30℃/h的速率降溫，凍斷試驗機通過數(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，并通過電機進行補償，控制整個試驗過程中凍斷試件不發(fā)生收縮位移。在此過程中，試件中應力不斷增長，達到一定值時，砂漿試件開裂，此溫度即為砂漿的凍斷溫度。

3.5 抗沖磨對比試驗抗沖磨性能試驗參考SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》[5]中水下鋼球法和圓環(huán)法兩種方法進行了抗沖磨試驗，水下鋼球法試驗沖磨試件采用已經(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28 d后進行沖磨試驗。根據(jù)規(guī)程要求，72 h為1個試驗周期，共試驗了3個周期。

采用圓環(huán)法進行了SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿和環(huán)氧砂漿抗沖磨對比試驗，試驗采用的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。試驗首先成型混凝土圓環(huán)試件（內(nèi)徑預留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，試件達到28 d齡期后，按照規(guī)程試驗方法進行沖磨試驗。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 拉伸強度和伸長率試驗結(jié)果分析拉伸強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。表2是SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿的拉伸強度和伸長率試驗結(jié)果，從表2可以看出，SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿拉伸強度5.5 MPa，試驗配比下砂漿伸長率可達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10%以上，表明特種抗沖磨砂漿屬于柔韌性材料，具有較強的適應協(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度和伸長率試驗結(jié)果

4.2 抗壓抗折強度試驗結(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結(jié)果，從表3的抗壓抗折試驗結(jié)果可以看出，試驗配比條件下的SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿抗壓強度可達20 MPa，抗折強度為11.9 MPa。圖1為抗壓試驗破壞形態(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為抗折試驗破壞形態(tài)，從圖2可以看出，抗折試驗時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結(jié)果

圖1 特種抗沖磨砂漿抗壓試驗破壞形態(tài)

圖2 特種抗沖磨砂漿抗折試驗破壞形態(tài)

4.3 基面黏接強度試驗結(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50℃以上，對薄層材料與基面的黏接能力是嚴峻的考驗，薄層修補材料容易發(fā)生脫空、翹起等破壞，因此，采用高溫水浴試驗，檢驗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度測試結(jié)果，試驗結(jié)果表明，高彈性修補砂漿與混凝土黏接強度最高可達3.8 MPa，平均黏接強度為3.6 MPa，高溫水浴后黏接強度仍達3.3 MPa。圖3和圖4分別為常溫和高溫水浴后黏按試驗，從圖3、圖4可以看出，拉拔試驗的破壞形式均為內(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)強度大于混凝土的抗拉強度，具有良好的環(huán)境適應能力，可以應用在混凝土缺陷的修補中。

表4 SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿黏接強度試驗結(jié)果

圖3 常溫成型黏接試驗

圖4 55℃高溫水浴后黏接試驗

4.4 低溫凍斷對比實驗結(jié)果分析表5為SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿凍斷試驗結(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-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結(jié)果

4.5 抗沖磨對比試驗結(jié)果分析現(xiàn)有的評價抗沖磨混凝土的試驗方法中，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機進行了3個周期的試驗，試驗結(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

圖5 高強環(huán)氧砂漿圓環(huán)法試驗后沖磨情況

圖6 SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿抗沖磨試驗后沖磨情況

由于水下鋼球法無法有效測試特種樹脂砂漿的沖磨強度，為了進一步測試抗沖磨砂漿的沖磨能力，并與環(huán)氧砂漿進行對比，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)氧砂漿進行了對比試驗（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度是高強環(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)法試驗進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

為論證SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿的主要力學性能和施工性能，研究施工工藝，確定各項主要施工技術(shù)參數(shù)，2018年5月在黃河劉家峽水電站溢洪道進行了現(xiàn)場試驗，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），試驗選擇沖蝕較嚴重的部位，共修復破損混凝土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，溢洪道泄洪流量達1800 m3/s，持續(xù)時間長達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行了力學性能、沖磨能力和環(huán)境適應性試驗，試驗表明該材料抗壓強度大于20 MPa，低溫凍斷溫度達-42℃，抗沖磨強度可達5.2 h/（g/cm2），同等條件對比試驗證明其抗沖磨強度是高強環(huán)氧砂漿的5倍以上，低溫凍斷溫度達-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)破壞的防護和修復，也可應用于混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍融保護及破壞后的修復。