改性环氧砂浆抗冲磨材料性能研究

张振忠，汪在芹，陈 亮

(长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430010)



改性环氧砂浆抗冲磨材料性能研究

张振忠，汪在芹，陈 亮

(长江水利委员会长江科学院，湖北武汉430010)

冲磨破坏是水工建筑物常见的破坏形式之一，环氧树脂基材料是常用的抗冲磨防护和修补材料。针对西部高寒地区高紫外辐射的环境特点和抗冲磨材料实际工况，通过试验研究了改性环氧砂浆的力学性能、抗反复冲磨性能和耐紫外老化性能。改性环氧砂浆长期抗拉强度大于17 MPa，216 h抗冲磨强度(水下钢球法)达1 090.03 h/(kg/m2)，1 440 h紫外加速老化试验后，抗拉强度和断裂能保留率分别为82.25%和96.90%。试验数据表明，改性环氧砂浆有优异的力学性能、抗冲磨性能和耐紫外老化性能，适合用于西部高寒地区抗冲磨防护和修补。

水工建筑物；抗冲耐磨；改性环氧砂浆；耐紫外老化

0 前 言

冲磨破坏是水工建筑物常见的破坏形式之一，冲磨破坏一般包括磨蚀破坏、空蚀破坏和冲刷破坏。磨蚀破坏是水流中沙石等磨蚀介质，在水流作用下与抗冲磨材料直接接触产生的，根据水中砂石与过流面的接触角又可以分为切削破坏和冲击破坏。磨蚀破坏多发生在水流含沙量大，尤其是含推移质多的过流面。磨蚀破坏一般面积较大，并具有一定的连续性[1]。空蚀破坏是空化气泡在过流面或其附近溃灭时，对结构表面造成破坏。空化气泡溃灭时产生的冲击压力非常大，约7 000个大气压[2]，在开敞式引水道中流速大于12 m/s，封闭式引水道中流速大于8 m/s时，均有可能发生空蚀现象[3]。空蚀破坏通常发生在过流面突变或凹凸不平引起流态突变的地方，一般表现为在过流表面局部位置出现空蚀剥蚀坑，但其他部位完好，蚀坑深度有几厘米至几十厘米、甚至几米不等[4]。冲刷破坏是动水压力和脉动压力对抗冲磨材料造成的破坏，是一个长期的过程。冲刷破坏一般破坏面积比较大，严重影响过水建筑物的安全运行[5]。冲磨破坏轻者造成过流面材料局部破坏，影响过流建筑物运行，重者造成过流面大面积破坏，影响过流建筑物结构安全[5]。对水工建筑物采用抗冲磨材料进行防护处理能有效保护过流面，以提高水工建筑物的耐久性。环氧树脂基抗冲磨材料抗冲磨强度高，与混凝土粘结性能较好，是水利水电工程中常用的混凝土抗冲磨防护和修补材料[6- 9]。但是，环氧树脂基抗冲磨材料在应用中也存在耐紫外老化性能不佳的问题。

目前，西藏、新疆等西部高寒地区正在积极进行水利水电开发，与内地相比，西部高寒地区显著的特点是严寒干燥、日温差大、紫外线辐射强烈[10- 11]，给环氧树脂基抗冲磨防护和修补材料的耐久性提出了更高的要求。研究环氧树脂基抗冲磨材料在西部高寒地区复杂环境中抵抗反复冲磨破坏的性能有重要工程意义。本文选择了改性环氧砂浆抗冲磨材料，针对西部高寒地区环境特点，通过试验研究材料的力学性能、耐紫外老化性能和抵抗反复冲磨破坏的性能，并判断其是否适用于西部高寒地区水工建筑物抗冲磨防护和修补。

1 试验方法与设备

1.1 抗拉强度和断裂能测试

抗拉强度和断裂能测试参考GB/T 2567—2008《树脂浇筑体性能试验方法》。拉伸试验采用哑铃型试件，使用日本岛津AG-IC型万能试验机测试试件的抗拉强度和断裂能，室温条件下测试速度为2 mm/min。

1.2 冲磨试验

参考SL352—2006《水工混凝土试验规程》中水下钢球法抗冲磨试验，冲磨试件采用已经测试过的混凝土试件。将试件表面打磨平整，冲洗干净并晾干，然后在试件上涂抹厚约2 mm的改性环氧砂浆，室温养护1周后进行冲磨试验。根据规程要求，72 h为1个试验周期。

1.3 紫外加速老化试验

采用与抗拉强度实验相同的哑铃型试件。参考GB/T 18244—2000《建筑防水材料老化试验方法》中人工加速老化(荧光紫外-冷凝)试验方法，使用美国翁开尔公司生产的QUV紫外加速老化试验机进行紫外加速老化试验，紫外光辐照强度为0.6 W/m2，老化温度为60 ℃，720 h为1个加速老化周期。

1.4 扫描电子显微镜

使用日本电子JSM6610A扫描电子显微镜(SEM)观测改性环氧砂浆在冲磨试验前后的表面形貌，研究材料冲磨破坏形态。

2 试验结果与分析

2.1 抗拉强度试验

抗拉强度是抗冲磨材料的重要力学指标，试验测试了改性环氧砂浆不同龄期的抗拉强度，如图1所示。从图1中可以看出，改性环氧砂浆在前7天内抗拉强度迅速增长，并且在第7天达到最大值18.78 MPa，而28天龄期的抗拉强度略有降低，为17.97 MPa，之后材料的抗拉强度保持不变。因此，实际应用中改性环氧砂浆要达到7天龄期才能保证其性能。

图1 环氧砂浆龄期与抗拉强度关系

2.2 冲磨试验

工程中溢流坝、水闸等过水建筑物通常是间歇性过水，抵抗一次冲磨破坏并不能证明抗冲磨材料在之后服役过程中性能优劣。为了探究抗冲磨材料在反复冲磨环境中的性能，对改性环氧砂浆进行了3个周期的冲磨试验，每个冲磨试验周期后冲磨试件的质量如图2所示，每个冲磨周期后试件外表见图3。

图2 冲磨试件质量与冲磨时间关系

图3 冲磨试验试件照片

分析冲磨试件质量变化发现：改性环氧砂浆前一个试验周期质量损失量较大，而后2个试验周期质量损失逐渐减小，并趋于稳定；3个试验周期过后，改性环氧砂浆的质量损失仅为14 g，抗冲磨强度高达1 090.03 h/(kg/m2)。从图3可以看出，冲磨试件经历第1个冲磨周期后有较大的变化，改性环氧砂浆颜色变黄，表面光泽变暗，边缘处有破损，而经历后2个冲磨周期后冲磨试件表面并没有大的变化，与质量损失趋势一致。第1个周期是磨合期，率先磨损了表面突出和结合薄弱的部分，表面变化较大，质量损失较多；之后进入稳定期，表面变化较小，质量损失变小并趋于稳定。

为了研究改性环氧砂浆冲磨破坏的形态，拍摄了改性环氧砂浆冲磨试验前后的SEM照片，如图4所示。由图4可知，冲磨试验前试件表面完整，可以看见散落的填料，无裂纹、凹坑；而冲磨试验后试件表面支离破碎，布满剥蚀坑和裂纹。两者对比可以得出：改性环氧砂浆冲磨破坏是典型的推移质造成的冲击和切削破坏[12，13]。

图4 改性环氧砂浆SEM照片

2.3 紫外加速老化试验

普通环氧材料容易受到紫外线影响，发生光-氧老化，影响材料性能，缩短材料使用寿命。西部高寒地区一个突出的特点是紫外线辐照强度高，因此，改性环氧砂浆抗冲磨材料的耐紫外老化性能非常重要。

对改性环氧砂浆抗冲磨材料进行2个周期(1 440 h)的紫外加速老化试验，记录了改性环氧砂浆经历不同老化龄期后的形貌变化情况如图5所示。从图5可知，改性环氧砂浆试件加速老化试验前颜色呈灰绿色，表面光滑、有光泽；经历了720 h紫外加速老化试验后，试件形貌基本没有变化，但可以看到油墨标记“SJ- 1”已经明显褪色；经历了1 080 h紫外加速老化后，试件颜色变淡，失去了表面光泽，但是并未出现粉化现象；经历了1 440 h紫外加速老化试验后，试件颜色进一步淡化，才出现了轻微的粉化现象。

图5 改性环氧砂浆试件不同加速老化时间照片

抗拉强度是环氧树脂基材料重要的力学性能，同时也是表征材料抗裂性能的重要指标。断裂能是材料拉伸试验从开始到试件断裂过程中外力对试件做的功，也叫断裂功，能综合反映材料的韧性。试验使用抗拉强度保留率和断裂能保留率作为耐紫外老化性能的判断指标，结果如表1所示。试验结果表明：改性环氧砂浆在经历1 440 h紫外加速老化试验后，抗拉强度有所下降，但是保留率仍高达82.25%；整体韧性几乎没有下降，断裂能保留高达96.90%，材料有良好的耐紫外老化性能。

表1 改性环氧砂浆老化前后性能指标

状态抗拉强度/MPa断裂能/J老化前17.750.3674老化后14.600.3560

3 结 论

结合西部高寒地区的高紫外辐射的环境特点和抗冲磨材料的实际工况，对改性环氧砂浆的抗拉强度、反复抗冲磨性能和耐紫外老化性能进行了试验研究。试验结果表明：①改性环氧砂浆的长期抗拉强度在17 MPa以上，自然养护条件下7天达到服役强度。②改性环氧砂浆冲磨试验过程中，磨合期质量损失较大，稳定期质量损失较小，并且趋于稳定；216 h冲磨试验测得抗冲磨强度(水下钢球法)高达1 090.03 h/(kg/m2)。③改性环氧砂浆经历1 440 h紫外加速老化试验后，抗拉强度和断裂能保留率分别为82.25%和96.90%。综合分析试验数据，改性环氧砂浆适合用于西部高寒地区水工建筑物的抗冲磨防护。

[1]李浩平， 李峰. 挟沙水流对混凝土的冲磨机理研究及冲磨试验机研发[J]. 机械研究与应用， 2011(2)： 37- 40．

[2]张磊. 水工泄水结构的抗磨防蚀设计探讨[J]. 山西水利科技， 2010 (4)： 9- 12．

[3]杨成球. 水工建筑物抗冲耐磨材料试验研究[J]. 四川水力发电， 1982(2)： 73- 82．

[4]侯全光. 葛洲坝水利枢纽二江泄水闸混凝土冲磨破坏的规律[J]. 水利水电技术， 1986(9)： 20- 24．

[5]支拴喜. 高速含沙水流建筑物抗磨蚀混凝土护面技术研究及应用[D]. 西安： 西安理工大学， 2011．

[6]张达， 崔同欢， 肖承京， 等. CW改性环氧砂浆在西藏地区抗冲磨防护中的应用[J]. 长江科学院院报， 2015， 32(11)： 102- 104．

[7]徐雪峰， 白银， 余熠. 水工泄水建筑物抗冲耐磨高分子护面材料综述[J]. 人民长江， 2012， 43(S1)： 177- 179， 198．

[8]祝君. 环氧砂浆大面积应用的研究[D]. 西安： 西安理工大学， 2005．

[9]买淑芳， 陈肖蕾， 姚斌. 环氧砂浆涂层老化状况研究与弹性环氧材料的开发[J]. 大坝与安全， 2004(5)： 20- 23．

[10]周世华， 汪在芹， 李家正， 等. 西藏地区的气候特征及对混凝土的影响[J]. 水力发电， 2012， 38(6)： 44- 47．

[11]董瑞琨， 许兆义， 杨成永. 青藏高原的冻融侵蚀问题 [J]. 人民长江， 2000， 31(9)： 39- 41．

[12]张彬， 范伟丽， 张雷， 等. 基于水下钢球法的混凝土抗冲磨试验研究[J]. 水力发电， 2014， 40(8)： 126- 128．

[13]杨春光. 水工混凝土抗冲磨机理及特性研究[D]. 杨凌： 西北农林科技大学， 2006．

(责任编辑 王 琪)

Research on the Property of Anti-abrasion Modified Epoxy Mortar

ZHANG Zhenzhong, WANG Zaiqin, CHEN Liang

(Changjiang River Scientific Research Institute of Conservancy Commission, Wuhan 430010, Hubei, China)

Abrasion is a common failure mode of hydraulic structures, and the materials based on epoxy resin are commonly used in anti-abrasion protection and repair of hydraulic structures. According to the high ultraviolet radiation characteristic of western cold area and the actual working condition of anti-abrasion materials, the experiments have been conducted to study the mechanical properties, the repeating abrasion resistant performance and ultraviolet aging resistant performance of anti-abrasion modified epoxy mortar. The long-term tensile strength of modified epoxy mortar is more than 17 MPa, the anti-abrasion strengths up to 1 090.03 h/(kg/m2) after 216 h with underwater method abrasion test, and the tensile strength retention rate and the fracture energy retention rate are 82.25% and 96.90% respectively after 1 440 h ultraviolet accelerated aging test. The experimental data show that the modified epoxy mortar has excellent mechanical performance, anti-abrasion performance and ultraviolet aging resistant performance. The modified epoxy mortar is suitable for anti-abrasion protection and repair in western cold area．

hydraulic structure; anti-abrasion; modified epoxy mortar; anti-ultraviolet aging

2015- 12- 14

水利部公益性行业专项(201301023)；国家自然科学基金资助项目(51579019)；中国华能总部科技项目(HNKJ15-H)

张振忠(1988—)，男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事水工建筑新材料方面的研究工作．

TV49

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0559- 9342(2016)06- 0095- 04