水工混凝土环氧防护材料环境适应性试验研究

李敬玮，邓正刚，赵　波，夏世法

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.流域水循环模拟与调控国家

重点实验室，北京100038；3.水利部水工程建设与安全重点实验室，北京100038)



水工混凝土环氧防护材料环境适应性试验研究

李敬玮1，2，3，邓正刚1，2，3，赵波1，2，3，夏世法1，2，3

(1.中国水利水电科学研究院，北京100038；2.流域水循环模拟与调控国家

重点实验室，北京100038；3.水利部水工程建设与安全重点实验室，北京100038)

摘要：在总结环氧防护材料在水工混凝土防护工程中应用进展的基础上，针对水利水电工程应用环境条件，进行了模拟水工环境条件下环氧防护涂层材料适应性试验研究。YEC环氧防护涂层的系列试验测试结果以及不同工程情况的应用实例表明，该系列试验能够检测材料在水工环境下的适应性，为水工混凝土防护材料的选择提供可参考的试验手段。

关键词：水工混凝土；环氧涂料；修补与防护

0引言

病险水库或大坝普遍存在混凝土衬砌渗漏和薄层大面积剥蚀破坏现象，混凝土表面由各类裂缝和侵蚀破坏造成的表面缺陷，是导致结构弱化、耐久性降低的重要原因之一。

混凝土的破坏主要分为机械破坏、化学破坏和物理破坏三类。机械破坏主要包括冲磨、疲劳、冲击、过载、沉降等运动、振动形式；化学破坏包括碱骨料反应、侵入性介质(硫酸盐类、盐类、软水等)等；物理破坏包括冻融、热效应、盐结晶、收缩、冲蚀、磨损等。混凝土表面的防护材料主要分为疏水性防护剂(Hydrophobic impregnation)、防护剂(impregnation)和涂层(coating) 三类[1]。他们之间的主要区别在于混凝土表面形成的防护层的状态不同，疏水性防护剂(Hydrophobic impregnation)是通过渗透作用使混凝土表面成为疏水性表面，包括混凝土孔隙的内表面，但不填充混凝土表面的孔隙，品种多为硅烷和硅氧烷材料；防护剂(impregnation)可以完全或部分填充混凝土表面的孔隙和毛细管，并对混凝土表面起到补强作用，常在混凝土表面形成不连续的膜，多采用有机聚合物材料；涂层(coating)则在混凝土表面形成连续的防护膜，厚度在0.1～5 mm之间，材料多为有机聚合物、聚合物砂浆及聚合物改性水泥砂浆等。

涂层材料对化学破坏和物理破坏都具有很好的防护作用，部分涂层材料对机械破坏也有防护作用，所以涂层材料在防护中用途最为广泛，尤其在浸水环境中，涂层防护能够起到更好的阻隔作用，具有更可靠的物理和化学防护作用。针对水工混凝土的状态和其运行环境，对其处理的目的可以分为防护、修补和加固等，由于环氧树脂突出的粘接、力学和耐介质等性能，作为一种工程材料在混凝土的防护、修补加固方面具有不可替代的作用。

1环氧材料在水工混凝土表面防护中的研究及应用进展

在水利工程中，由于其特殊的运行条件，混凝土的老化形式和机理更为多样和复杂，如裂纹、碳化、溶蚀、冻融剥蚀、化学腐蚀、冲磨破坏等，所以水利工程中的防护和修补对材料和技术提出了更高的要求，而环氧树脂材料优异的综合性能使其在水工防护修补中具有很大的技术优势和发展潜力。相关实验研究表明环氧树脂材料对于混凝土有优异的防护效果。M. Delucchi等[2，3]比较了不同材料类型涂层的防护性能，包括水性环氧树脂体系、水性环氧+丙烯酸酯/聚氨酯体系、环氧/聚胺体系以及乳液橡胶等，实验结果表明在渗透性、抗磨性和耐介质腐蚀性能以及裂纹桥联方面环氧/聚胺体系具有非常出色的性能。M. Maslehuddin等[4]研究了在盐雾、氯离子溶液、酸、硫磺蒸汽等条件下不同防护体系的防护效果，结果表明表层采用环氧涂层防护的体系，其防护效果明显，并认为适合在上述条件下应用于混凝土的防护。卢永忠[5]研究了丙乳砂浆和环氧砂浆对混凝土的防护作用，结果表明两种材料对混凝土的抗氯离子和抗冻性均有利，而环氧砂浆在抗磨性方面更优。

我国的水利设施正在进入维护、防护高峰期，大量的水工建筑物需要进行防护和修补。环氧基材料在混凝土薄层修补和防护中得到了广泛应用。包叔平等[6]报道了某船闸混凝土采用环氧涂层材料(环氧胶泥)进行防护，取得了满意效果。三峡大坝导流底孔、葛洲坝3号船闸反弧面利用环氧涂层材料进行抗冲磨、抗气蚀防护，效果良好[7，8]。江苏省国营淮海农场利用环氧厚浆涂料对碳化严重的混凝土桥梁进行修补和防护取得了较好效果，并为今后水工防腐提供了经验。中国水利水电科学研究院研制的环氧防护涂层材料在寒冷地区吉林台水电站大坝面板表面防护中应用效果良好[9]。

环氧防护材料的修补防护效果在应用实践中也得到了证明，D.W.Fowler[10]对聚合物材料在混凝土修补防护的应用进行了回顾，指出限制其推广利用的一个主要因素是价格，一般其成本是水泥体系的10～100倍。但随着社会的发展和对修补防护作用认识的加深，高性能环氧防护修补材料的应用已越来越普遍。

2水工混凝土环氧防护材料的环境适应性试验

环氧树脂具有优异的力学性能、粘接性能和长期的耐水性能，但在应用中，由于环氧树脂材料通常表现为刚性，应用环境温度的变化会在防护涂层内部形成应力的积累，由此可能引起防护层开裂、脱空等现象出现，从而降低或失去防护效果[11，12]。无论哪种破坏形式，都与材料本身的物理性能和使用过程中积累的内应力大小有关。赵波[13]等研究了水工环氧材料在不同温度下的应力松弛情况，结果表明有效的增韧可以提高环氧材料的松弛率，降低内应力。然而在水工行业中还没有系统的试验方法考察环氧涂层材料的环境适应性。因此，对水工混凝土用环氧涂层材料的环境适应性试验进行研究具有非常重要的实用意义。

中国水利水电科学研究院结构材料研究所在环氧材料增韧及使用过程中消除应力积累等研究的基础上，研制了水工混凝土环氧防护涂层材料。根据试验研究和工程实践，通过一系列的试验测试，考察其水工环境适应性。以期为今后涂料体系选用提供参考。

2.1试验内容

2.1.1高低温干热循环试验

为了评价材料在混凝土防护过程中适应环境温度变化的能力，进行了高低温干热循环实验[14]。为了涵盖我国极寒地区冻融防护的应用条件，将循环的最低温度定为-40 ℃，最高温度为55 ℃。

(1)试件准备。300 mm×300 mm×100 mm混凝土试件，试件表面拉拔强度大于3 MPa，基面打磨后刮涂2 mm厚环氧防护涂层，养护14 d。

(2)高低温实验箱。设定温度程序：①21 ℃降温至-40 ℃，降温速率为3 ℃/min(20 min)；②-40 ℃保持153 min；③升温至～55 ℃，升温速率为3 ℃/min(32 min)；④55 ℃保持153 min；⑤降温至21 ℃，降温速率为3 ℃/min(12 min)。一个循环约6 h10 min。

经过30个循环，观察涂层表面是否出现裂纹、起包、分层、剥落等外观缺陷。测试高低温干热循环后和未经过循环试验的同批号混凝土底材拉拔粘结强度对比测试结果。

2.1.2湿热-浸泡循环试验

本试验模拟考查水工混凝土环氧防护涂层材料突遇雷阵雨热冲击或水位上升引起的温度下降环境条件下，涂层材料与混凝土基层的热相容性能[15]。试验条件及过程如下：①试件准备。300 mm×300 mm×100 mm混凝土试件，试件表面拉拔强度大于3 MPa，基面打磨后刮涂2 mm厚环氧防护涂层，养护14 d。②水浴容器。内径为50 cm、高度大于20 cm的容器中放入14 cm高的自来水，水温不超过20 ℃。③烘箱设定温度为70 ℃。④将试件放入70 ℃烘箱中，5.5 h后取出，马上放入水浴容器中，水没过试件表面50 mm，搅拌容器中的水，使水温均匀，15 min后取出，完成一个循环，合计时间为6 h。

经过30个循环，观察涂层表面是否出现裂纹、起包、分层、剥落等外观缺陷。测试涂层材料对基材混凝土的拉拔粘结强度。

2.1.3冻融循环试验

为了评价环氧防护材料对混凝土抗冻融防护作用，依据SL 352—2006《水工混凝土试验规程》抗冻性试验要求，采用混凝土快速冻融试验机进行冻融试验，通过测试冻融循环前后环氧防护涂料与混凝土的拉拔粘结强度，检验该材料的抗冻性以及对混凝土的防护作用。试参数和过程如下：①试块准备。100 mm×100 mm×400 mm混凝土试块(C30F300)，表面打磨清理后涂刷环氧防护涂料，常温养护14 d。一块作为冻融试件，一块作为空白试件进行对比。②冻融条件。冻融液温度-25～20 ℃；3 h循环一次，降温1.5 h。

经300个冻融循环，观察涂层表面是否出现裂纹、起包、分层、剥落等外观缺陷。测试涂层材料对基材混凝土的拉拔粘结强度。

2.1.4基本力学性能试验

涂层材料的本体力学性能试验，参考标准GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》中的拉伸试验，测试材料的拉伸强度和断裂伸长率。砂浆粘结强度试验参考标准GB/T 16777—2008 《建筑防水涂料试验方法》，测试涂层材料在干燥和潮湿砂浆基面的粘结强度。环氧涂层抗冲磨性能试验参考SL 352—2006 《水工混凝土试验规程》中混凝土抗冲磨试验(圆环法)，将环氧涂层涂在混凝土圆环基材上，测试环氧涂层在高速水沙冲刷条件下的抗冲磨强度。

2.2结果与讨论

采用YEC环氧防护涂层材料进行以上系列基本性能及环境适应性试验。检测结果见表1、2。

表1YEC环氧防护涂层材料基本力学性能测试结果

材料表干时间/h拉伸强度/MPa断裂伸长率/%与砂浆粘结强度/MPa干燥基面潮湿基面抗冲耐磨强度/h·(kg·m2)-1YEC环氧防护涂层3.016.26.84.08(砂浆破坏)3.62(砂浆破坏)4316

表2　YEC环氧防护涂层环境适应性系列试验检测结果　MPa

经过以上测试试验，观察试件表面YEC环氧防护涂层未出现裂纹、起包、分层、剥落等现象。防护材料在经过各种循环试验后，涂层及基材的粘结强度并无明显降低，说明材料具有很好的防护效果。

3水工混凝土防护工程应用实例

2010年白莲崖水库排沙洞闸门室发现漏水，湿度非常大，存在严重的结露现象，其防护工程对材料潮湿适应性的要求非常高，防护材料必须具备出色的潮湿粘接和潮湿固化的性能。采用YEC环氧防护涂层材料进行修补防护，经过5年的运行表明，粘结防护及抗冲磨效果非常理想。

厄瓜多尔科卡科多辛克雷水电站(CCS)首部冲沙闸及其下游消力池是首部枢纽重要的泄洪排沙建筑物，冲沙泄洪运用频繁，除悬移质外，还有推移质，根据河床砂砾料的级配曲线，中值粒径约30 mm左右。水力试验结果表明，在各级特征洪水条件下，消力池均能形成完整水跃，消力池与下游海漫水流衔接平顺，海漫段水流波动相对较小，海漫护坦首端断面流速为8～10 m/s。由于沉沙池冲沙廊道出口布置在冲沙闸下游护坦右侧，水流流速偏大，泥沙含量较高，所以需对冲沙闸下游护坦表层混凝土进行抗冲磨处理。由于需处理范围内的混凝土已经浇筑完成了5块，所以对已浇筑混凝土面层需进行二期抗冲磨处理。为此中国水电建设集团CCS项目部委托中国水利水电科学研究院结构材料研究所对二期处理备选材料进行抗冲磨试验，确定采用YEC环氧防护涂层进行抗冲磨防护，防护厚度为3 mm。工程施工时间为2014年3月～4月，防护面积约为2 400 m2，目前运行状况良好。

云南松山河口水电站引水隧洞和调压井渗漏比较严重，采用的施工方案是在对局部缺陷重点处理的基础上，采用YEC防护涂层材料对调压井及引水隧洞混凝土表面进行防渗处理。该工程于2011年4月完工，施工面积1万余 m2，工程完工后引水运行未再发现渗漏现象。

4结语

水工混凝土应用环境复杂，对防护材料的要求也较高，如果仅对材料的基本力学性能进行评价，难以达到工程实际运行要求。因此，针对材料的水工环境适应性试验具有非常重要的实用价值。希望经过试验筛选，确保材料在复杂的应用条件下，长期发挥防护作用。

参考文献：

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[6]包叔平， 温成国. 两种修补工艺在某船闸施工中的应用[J]. 人民长江， 2004， 35(6)： 31- 32．

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[9]李敬玮， 赵波， 瞿杨. 高韧性环氧防护涂层低温抗裂性能试验及应用研究[J]. 水力发电， 2014， 40(3)： 90- 92．

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[13]赵波， 李敬玮， 鲁一晖. 水工环氧防护材料不同温度应力松弛性能研究[J]. 水利水电技术， 2012(9)： 52- 55．

[14]BS EN 13687- 4： 2002 Products and systems for the protection and repair of concrete structures-Test methods-Determination of thermal compatibility-Part 4： Dry Thermal cycling[S]．

[15]BS EN 13687- 2： 2002 Products and systems for the protection and repair of concrete structures-Test methods-Determination of thermal compatibility-Part 2： Thunder-shower cycling(thermal shock)[S]．

(责任编辑焦雪梅)

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

中图分类号：TV528；TQ317

文献标识码：A

文章编号：0559- 9342(2016)01- 0098- 04

作者简介：李敬玮(1975—)，女，河北石家庄人，高级工程师，主要从事水工新型材料研究工作．

基金项目：中国水利水电科学研究院科研专项结集1352项目资助

收稿日期：2015- 09- 30