一种高性能抗冲耐磨复合材料在泄水建筑中的应用

2021-06-18白永昇苏富赟

工程质量 2021年5期

白永昇，苏富赟，李泉，蔺周

（1.甘肃土木工程科学研究院有限公司，甘肃兰州 730020，2.甘肃电投九甸峡水电开发有限责任公司，甘肃兰州 730020）

0 引言

冲击、磨损和空蚀等破坏是水工建筑物经常发生的破坏形式，也是水工泄水建筑物常见的病害之一。我国是世界上建坝数量最多的国家，但又因为我国河流含有大量泥沙、碎石等，高速、含砂、推移质水流使我国运行中的泄水建筑物有 70 % 存在不同程度的冲磨破坏问题［1］，在长期水流冲涮下水工建筑物自身的抗冲磨能力直接关系到其受磨蚀损坏的程度，给经济社会的发展造成了较大损失。如何解决既有水工泄水建筑受含砂高速水流的冲刷磨蚀破坏后的修复问题是非常必要的，也是水工建筑物亟待解决的重要课题之一。

基于上述情况，本文选择一种新型的高性能抗冲耐磨复合材料，对既有水工泄水建筑冲磨破损部位进行了修补，并取得了良好的使用效果。

1 材料介绍

国内外学者对高速水流的磨蚀与破坏以及水利水电设施维护的研究已有几十年的历史，所涉及的抗冲耐磨材料品种很多。目前，在我国水利水电工程中普遍应用硅粉系列抗冲耐磨混凝土、改性环氧树脂砂浆和防护涂料这三大类抗冲耐磨材料。这三类材料无疑均具有较好的抗冲耐磨性能，但由于选用原材料、组成配合比和技术路线的限制，使其在工程施工和应用中暴露出自身难以克服的种种弱点。研究表明，既有泄水混凝土构件在悬移质和推移质泥沙的冲磨作用下，混凝土组成材料中抗冲耐磨性能较差的部分首先被磨掉，抗冲耐磨性能较强的部分则凸显出来［2］，并承受较多的冲磨作用，久而久之在混凝土表面局部位置出现大小不一、深浅不同的坑洞和表面脱落现象。

针对这一情况，本文主要从提高抗冲耐磨复合材料本身的各物理性能如强度、抗开裂、抗冲、耐磨及抗空蚀等［3］，同时改善复合材料与既有混凝土界面粘接状况的研究，实现对既有水工泄水建筑破损部位进行修补。

1.1 试验方法

1.1.1 力学性能测试方法

高性能抗冲耐磨复合材料抗压强度与抗折强度力学性能测试参照 GB/T 17671－1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》及 GB/T 50081－2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定执行。试件在标准养护室内养护。

1.1.2 耐久性能测试方法

高性能抗冲耐磨复合材料耐久性试验参照 GB/T 50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定执行。

1.1.3 抗冲磨测试方法

高性能抗冲耐磨复合材料抗冲磨强度及磨损率试验参照 DL/T 5150－2017《水工混凝土试验规程》中水下钢球法试验规定执行。

1.1.4 凝结时间测试方法

高性能抗冲耐磨复合材料凝结时间试验参照 JGJ/T70《建筑砂浆基本性能试验方法标准》规定执行。

1.2 高性能抗冲耐磨复合材料性能指标

高性能抗冲耐磨复合材料通过水泥、石英砂及其它改性材料的复合，制备出一种无机修补复合材料，其具备较高的抗冲耐磨性能，同时兼具防冻、防腐［4］、高抗疲劳等性能。其性能参数如表 1 所示。

从表 1 中可以看出，这种高性能抗冲耐磨复合材料无论是力学性能还是耐久性能指标，都远高于普通水泥基材料；同有机类修补材料相比，力学性能指标已经与一些有机类修补材料持平甚至略高，但其耐久性能指标远高于有机类修补材料，同时材料无毒且可以在潮湿基面上施工，经过水下钢球法试验抗冲磨强度高于既有混凝土的抗冲耐磨强度。施工工艺简便，施工便捷性优于传统材料，价格仅为有机环氧类材料的 1/3～1/2，且目前化工类材料一直处于价格上涨的态势，其综合造价远低于有机环氧类，可在实施过程中为运行单位节约大量维修资金。

表1 抗冲耐磨复合材料性能指标

2 施工方法

由于高性能防冲耐磨复合材料本身含有水泥基成分，所以在混凝土面上施工无需其他的特殊处理，并且能够在潮湿界面上施工［5］，比有机类材料施工更具有便捷性。具体施工顺序如下：

施工准备→搭设脚手架→基面清理→安装抗剪键→涂刷专用界面剂→高性能抗冲耐磨复合材料压抹→养护。

2.1 基面处理

将混凝土基面整体凿毛处理，凿毛后清理浮尘和松动砂石。以被高速水流冲磨破坏的部位，若基面粗糙，可不做凿毛处理。用清水将整个修补基面冲洗干净，使基面 24 h 保持湿润状态，并使其在压抹复合材料前处于饱和面干状态。

2.2 抗剪键的设置

抗剪键采用机械成孔，钻孔深度不宜＜ 150 mm，成孔的直径不宜小于锚栓的直径；抗剪键大头处距平面处 20 mm，相邻抗剪键间距不宜＞ 600 mm；抗剪键呈梅花状布置，从缺陷处边缘开始设置。成孔后，清理掉浮灰，采用专用胶剂植入锚栓，胶剂要涂抹均匀，待完全牢固后，再进行下道施工程序。示意图如图 1、图 2 所示。

图1 抗剪键平面布置图

图2 抗剪键刨面图

2.3 涂刷专用界面剂和复合材料压抹

界面剂厚度控制在 0.5～1 mm，待刷好的界面剂后，使用复合材料修补缺陷处，修补缺陷处时由深到浅依次进行压抹，每次压抹厚度不应超过 15 mm 且需要压实；压抹厚度未达到设计厚度时，后一道压抹应在前一道初凝后终凝前进行施工。最后一道压抹面层要压实、找平、表面光滑，不留错台。

2.4 养护

待复合材料终凝后，采取喷水养护，24 h 保湿，养护期为 7～14 d。施工环境温度不低于 5 ℃，否则应采取冬季施工措施。

3 工程应用

由于高性能抗冲耐磨复合材料具有良好的性能，在某水电站泄水建筑中得到了应用。由于受泄洪影响，泄洪洞启闭机室出口，距弧形闸门下游约 13 m，两侧边墙及右侧地面混凝土气蚀冲刷破坏严重，钢筋出露，需进行补强修复处理，以确保泄洪洞安全运行。具体冲蚀破坏范围及深度如下：①右侧边墙冲刷损坏部位：长度为 3.0 m，宽度为 2.0 m，最大冲坑深度为 0.15 m，钢筋外露。地面冲刷损坏部位：长度为 3.5 m，宽度为 1.0 m，最大冲坑深度为 0.18 m，钢筋外露。②左侧墙面冲刷损坏部位：长度为 7.5 m，宽度为 2.0 m，最大冲坑深度为0.26 m，钢筋外露，伸缩缝部位（距地面约 1.8 m）有小股渗漏水。修补前的工程情况如图 3～5 所示。

图3 泄洪洞冲磨破坏整体

图4 泄洪洞左边墙面及地面情况

图5 泄洪洞右边墙面情况

使用高性能防冲耐磨复合材料修补后的工程情况如图 6、7 所示。

图6 修补过程

图7 修补完后墙面情况

在修补施工过程中，由于泄水建筑内环境条件错综复杂，需重视对施工人员的安全教育，避免意外事件发生。泄水建筑内往往有小股水流涌出或喷溅。若在修补基面上有水流涌出，须提前用堵漏材料将涌水彻底封堵住，方可进行修补施工；若有水流喷溅至修补基面时，须提前改变水流的喷溅方向，使水流无法喷溅至修补基面时，方可施工并在施工结束后用塑料薄膜覆盖，防止有其他水流喷溅至未凝结的复合材料表面。整个修补工作结束后需养护 7～14 d，方可过水运行。