一種高性能抗沖耐磨復(fù)合材料在泄水建筑中的應(yīng)用

白永昇，蘇富赟，李 泉，藺 周

（1.甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020，2.甘肅電投九甸峽水電開發(fā)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730020）

0 引言

沖擊、磨損和空蝕等破壞是水工建筑物經(jīng)常發(fā)生的破壞形式，也是水工泄水建筑物常見的病害之一。我國是世界上建壩數(shù)量最多的國家，但又因?yàn)槲覈恿骱写罅磕嗌场⑺槭?，高速、含砂、推移質(zhì)水流使我國運(yùn)行中的泄水建筑物有 70 % 存在不同程度的沖磨破壞問題［1］，在長期水流沖涮下水工建筑物自身的抗沖磨能力直接關(guān)系到其受磨蝕損壞的程度，給經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展造成了較大損失。如何解決既有水工泄水建筑受含砂高速水流的沖刷磨蝕破壞后的修復(fù)問題是非常必要的，也是水工建筑物亟待解決的重要課題之一。

基于上述情況，本文選擇一種新型的高性能抗沖耐磨復(fù)合材料，對既有水工泄水建筑沖磨破損部位進(jìn)行了修補(bǔ)，并取得了良好的使用效果。

1 材料介紹

國內(nèi)外學(xué)者對高速水流的磨蝕與破壞以及水利水電設(shè)施維護(hù)的研究已有幾十年的歷史，所涉及的抗沖耐磨材料品種很多。目前，在我國水利水電工程中普遍應(yīng)用硅粉系列抗沖耐磨混凝土、改性環(huán)氧樹脂砂漿和防護(hù)涂料這三大類抗沖耐磨材料。這三類材料無疑均具有較好的抗沖耐磨性能，但由于選用原材料、組成配合比和技術(shù)路線的限制，使其在工程施工和應(yīng)用中暴露出自身難以克服的種種弱點(diǎn)。研究表明，既有泄水混凝土構(gòu)件在懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙的沖磨作用下，混凝土組成材料中抗沖耐磨性能較差的部分首先被磨掉，抗沖耐磨性能較強(qiáng)的部分則凸顯出來［2］，并承受較多的沖磨作用，久而久之在混凝土表面局部位置出現(xiàn)大小不一、深淺不同的坑洞和表面脫落現(xiàn)象。

針對這一情況，本文主要從提高抗沖耐磨復(fù)合材料本身的各物理性能如強(qiáng)度、抗開裂、抗沖、耐磨及抗空蝕等［3］，同時(shí)改善復(fù)合材料與既有混凝土界面粘接狀況的研究，實(shí)現(xiàn)對既有水工泄水建筑破損部位進(jìn)行修補(bǔ)。

1.1 試驗(yàn)方法

1.1.1 力學(xué)性能測試方法

高性能抗沖耐磨復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度力學(xué)性能測試參照 GB/T 17671－1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）法》及 GB/T 50081－2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定執(zhí)行。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

1.1.2 耐久性能測試方法

高性能抗沖耐磨復(fù)合材料耐久性試驗(yàn)參照 GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定執(zhí)行。

1.1.3 抗沖磨測試方法

高性能抗沖耐磨復(fù)合材料抗沖磨強(qiáng)度及磨損率試驗(yàn)參照 DL/T 5150－2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中水下鋼球法試驗(yàn)規(guī)定執(zhí)行。

1.1.4 凝結(jié)時(shí)間測試方法

高性能抗沖耐磨復(fù)合材料凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)參照 JGJ/T70《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定執(zhí)行。

1.2 高性能抗沖耐磨復(fù)合材料性能指標(biāo)

高性能抗沖耐磨復(fù)合材料通過水泥、石英砂及其它改性材料的復(fù)合，制備出一種無機(jī)修補(bǔ)復(fù)合材料，其具備較高的抗沖耐磨性能，同時(shí)兼具防凍、防腐［4］、高抗疲勞等性能。其性能參數(shù)如表 1 所示。

從表 1 中可以看出，這種高性能抗沖耐磨復(fù)合材料無論是力學(xué)性能還是耐久性能指標(biāo)，都遠(yuǎn)高于普通水泥基材料；同有機(jī)類修補(bǔ)材料相比，力學(xué)性能指標(biāo)已經(jīng)與一些有機(jī)類修補(bǔ)材料持平甚至略高，但其耐久性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于有機(jī)類修補(bǔ)材料，同時(shí)材料無毒且可以在潮濕基面上施工，經(jīng)過水下鋼球法試驗(yàn)抗沖磨強(qiáng)度高于既有混凝土的抗沖耐磨強(qiáng)度。施工工藝簡便，施工便捷性優(yōu)于傳統(tǒng)材料，價(jià)格僅為有機(jī)環(huán)氧類材料的 1/3～1/2，且目前化工類材料一直處于價(jià)格上漲的態(tài)勢，其綜合造價(jià)遠(yuǎn)低于有機(jī)環(huán)氧類，可在實(shí)施過程中為運(yùn)行單位節(jié)約大量維修資金。

表1 抗沖耐磨復(fù)合材料性能指標(biāo)

2 施工方法

由于高性能防沖耐磨復(fù)合材料本身含有水泥基成分，所以在混凝土面上施工無需其他的特殊處理，并且能夠在潮濕界面上施工［5］，比有機(jī)類材料施工更具有便捷性。具體施工順序如下：

施工準(zhǔn)備→搭設(shè)腳手架→基面清理→安裝抗剪鍵→涂刷專用界面劑→高性能抗沖耐磨復(fù)合材料壓抹→養(yǎng)護(hù)。

2.1 基面處理

將混凝土基面整體鑿毛處理，鑿毛后清理浮塵和松動砂石。以被高速水流沖磨破壞的部位，若基面粗糙，可不做鑿毛處理。用清水將整個(gè)修補(bǔ)基面沖洗干凈，使基面 24 h 保持濕潤狀態(tài)，并使其在壓抹復(fù)合材料前處于飽和面干狀態(tài)。

2.2 抗剪鍵的設(shè)置

抗剪鍵采用機(jī)械成孔，鉆孔深度不宜＜ 150 mm，成孔的直徑不宜小于錨栓的直徑；抗剪鍵大頭處距平面處 20 mm，相鄰抗剪鍵間距不宜＞ 600 mm；抗剪鍵呈梅花狀布置，從缺陷處邊緣開始設(shè)置。成孔后，清理掉浮灰，采用專用膠劑植入錨栓，膠劑要涂抹均勻，待完全牢固后，再進(jìn)行下道施工程序。示意圖如圖 1、圖 2 所示。

圖1 抗剪鍵平面布置圖

圖2 抗剪鍵刨面圖

2.3 涂刷專用界面劑和復(fù)合材料壓抹

界面劑厚度控制在 0.5～1 mm，待刷好的界面劑后，使用復(fù)合材料修補(bǔ)缺陷處，修補(bǔ)缺陷處時(shí)由深到淺依次進(jìn)行壓抹，每次壓抹厚度不應(yīng)超過 15 mm 且需要壓實(shí)；壓抹厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)厚度時(shí)，后一道壓抹應(yīng)在前一道初凝后終凝前進(jìn)行施工。最后一道壓抹面層要壓實(shí)、找平、表面光滑，不留錯(cuò)臺。

2.4 養(yǎng)護(hù)

待復(fù)合材料終凝后，采取噴水養(yǎng)護(hù)，24 h 保濕，養(yǎng)護(hù)期為 7～14 d。施工環(huán)境溫度不低于 5 ℃，否則應(yīng)采取冬季施工措施。

3 工程應(yīng)用

由于高性能抗沖耐磨復(fù)合材料具有良好的性能，在某水電站泄水建筑中得到了應(yīng)用。由于受泄洪影響，泄洪洞啟閉機(jī)室出口，距弧形閘門下游約 13 m，兩側(cè)邊墻及右側(cè)地面混凝土氣蝕沖刷破壞嚴(yán)重，鋼筋出露，需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)處理，以確保泄洪洞安全運(yùn)行。具體沖蝕破壞范圍及深度如下：①右側(cè)邊墻沖刷損壞部位：長度為 3.0 m，寬度為 2.0 m，最大沖坑深度為 0.15 m，鋼筋外露。地面沖刷損壞部位：長度為 3.5 m，寬度為 1.0 m，最大沖坑深度為 0.18 m，鋼筋外露。②左側(cè)墻面沖刷損壞部位：長度為 7.5 m，寬度為 2.0 m，最大沖坑深度為0.26 m，鋼筋外露，伸縮縫部位（距地面約 1.8 m）有小股滲漏水。修補(bǔ)前的工程情況如圖 3～5 所示。

圖3 泄洪洞沖磨破壞整體

圖4 泄洪洞左邊墻面及地面情況

圖5 泄洪洞右邊墻面情況

使用高性能防沖耐磨復(fù)合材料修補(bǔ)后的工程情況如圖 6、7 所示。

圖6 修補(bǔ)過程

圖7 修補(bǔ)完后墻面情況

在修補(bǔ)施工過程中，由于泄水建筑內(nèi)環(huán)境條件錯(cuò)綜復(fù)雜，需重視對施工人員的安全教育，避免意外事件發(fā)生。泄水建筑內(nèi)往往有小股水流涌出或噴濺。若在修補(bǔ)基面上有水流涌出，須提前用堵漏材料將涌水徹底封堵住，方可進(jìn)行修補(bǔ)施工；若有水流噴濺至修補(bǔ)基面時(shí)，須提前改變水流的噴濺方向，使水流無法噴濺至修補(bǔ)基面時(shí)，方可施工并在施工結(jié)束后用塑料薄膜覆蓋，防止有其他水流噴濺至未凝結(jié)的復(fù)合材料表面。整個(gè)修補(bǔ)工作結(jié)束后需養(yǎng)護(hù) 7～14 d，方可過水運(yùn)行。

4 結(jié)語

該水工泄水建筑沖擊磨損部位經(jīng)高性能抗沖耐磨復(fù)合材料的修補(bǔ)，通過 2 年時(shí)間的運(yùn)行實(shí)踐表明：該復(fù)合材料具有高強(qiáng)、抗沖、耐磨及抗空蝕等優(yōu)良的物理力學(xué)性能；在施工中具有良好的工作性，施工工藝簡單且無毒副作用；該復(fù)合材料成本低廉，做水工泄水建筑物沖磨破壞部位修補(bǔ)時(shí)，為運(yùn)行單位節(jié)約資金。Q