泄水建筑物中聚脲防護(hù)材料抗蝕性能的試驗分析

史國慶 張同鈺

摘 要：為保證建筑物正常運行，避免由于質(zhì)量問題引發(fā)的災(zāi)難性事故，泄水建筑物用材必須保證抗沖磨與抗空蝕性能。對此，研究351純聚脲與高硬度純聚脲2種抗沖磨聚脲防護(hù)材料，采用高速水砂法與水下棱石法對含懸移質(zhì)與推移質(zhì)水流的沖磨條件進(jìn)行模擬，分析聚脲防護(hù)材料的抗沖磨性能，與此同時，研究材料在強(qiáng)空蝕作用下的抗空蝕性能。結(jié)果顯示，噴涂聚脲防護(hù)材料可以顯著提高泄水建筑物工程用混凝土的抗沖磨與抗空蝕性能，且351噴涂純聚脲防護(hù)材料的抗沖磨與抗空蝕性能優(yōu)于高硬度噴涂純聚脲防護(hù)材料。

關(guān)鍵詞：泄水建筑物;351純聚脲;高硬度純聚脲;抗沖磨性能;抗空蝕性能

中圖分類號：TB33;TU502 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）07-0120-04

Experimental Analysis of Anti-corrosion Performance of Polyurea Protective Materials in Release Structure

Shi Guoqing， Zhang Tongyu

（Xianyang Vocational Technical College， Xianyang 712000， China）

Abstract：In order to ensure constructions normal operation， and avoid disastrous accident due to quality problem， the materials that used by release structure must ensure wear-resisting and cavitation erosion resistances. So， two kinds of anti-abrasion polyurea protective materials of 351 pure polyurea and high strength pure polyurea were studied， and uses high speed water sand method and underwater ribstone method to simulate rushed grinding conditions that conclude suspended load and bed load. Analyze polyurea protective materials wear-resisting performance. At the same time， it also researches its cavitation resistance under the role of strong cavitation erosion. Results show that spraying polyurea protective material can significantly improve the anti-abrasion and cavitation erosion performance of concrete used in spillway building engineering，， and 351 spraying pure polyurea protective material has better anti-abrasion and anti-cavitation performance than high-hardness spraying pure polyurea protective material.

Key words：release structure;351 pure polyurea;high strength pure polyurea;wear-resisting performance;anti-cavitation performance

對于很多河流而言，它們的泥沙含量都較高[1]，而高速含沙水流對過流面的沖磨與空蝕破壞以水工泄水建筑物常見的危害形式而存在，它們會導(dǎo)致泄水建筑物表層材料剝落、配筋外露，影響正常運行，嚴(yán)重的還會引發(fā)災(zāi)難性事故[2]。圖1所示為黃河上龍羊峽、萬家寨泄水建筑物表面蝕損，表現(xiàn)出沖磨與空蝕復(fù)合破壞特征[3]。在工程規(guī)模日益擴(kuò)大的背景下，我國高壩下泄水流已達(dá)到50m/s級的超高流速，泄水建筑物沖磨與空蝕問題越來越突出[4]。為了實現(xiàn)對這一工程技術(shù)難題的有效緩解，很多學(xué)者圍繞水力學(xué)與材料學(xué)等展開豐富研究，提出采取如摻氣減蝕[5-6]、高強(qiáng)混凝土抗蝕[7]等措施的建議，在一定程度上取得了減蝕抗蝕的效果。而研究工作日漸深入的推動下，聚脲這種有機(jī)高分子耐磨材料吸引了越來越多的學(xué)者與相關(guān)人員的關(guān)注。

聚脲是聚氨酯中一種具有高強(qiáng)度與高韌性的彈性體材料，基于其抗磨蝕、耐老化、抗腐蝕、抗沖擊以及獨特施工性能而在國防、工民建以及水利水電工程中有著廣泛的應(yīng)用[8]。20世紀(jì)90年代中期，我國黃微波教授進(jìn)行聚脲技術(shù)的研究與開發(fā)，現(xiàn)此項技術(shù)已在黑龍江尼爾基水電站蝸殼、北京三家店攔河閘等工程中得到大力的推廣，且取得良好的效果。與其他抗沖耐磨防護(hù)材料相比，聚脲防護(hù)材料有更高的抗沖耐磨性能，對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性能以及對自然光照、凍融、溫度交變等因素的耐受性能也更加優(yōu)越[9]。

然而，雖然水利水電工程領(lǐng)域?qū)垭宸雷o(hù)材料的應(yīng)用年份已不短，但學(xué)者針對材料的抗沖磨與防空蝕性能所做的研究還欠缺系統(tǒng)性，定性評價比較多。文章基于這一背景通過試驗分析聚脲防護(hù)材料的抗沖磨與抗空蝕性能，為材料配方的優(yōu)化以及工程的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 聚脲防護(hù)材料

試驗選取351噴涂純聚脲與高硬度噴涂純聚脲2種抗沖磨聚脲防護(hù)材料配方進(jìn)行對比分析，表1所示為兩種材料的性能參數(shù)。

1.2 試驗方法與儀器

抗沖磨試驗采用高速水砂法與水下棱石法，對含懸移質(zhì)與推移質(zhì)水流的沖磨條件進(jìn)行模擬，通過試驗把握聚脲防護(hù)材料表面在水下高速流動介質(zhì)的磨蝕影響之下表現(xiàn)出來的相對抗力，進(jìn)而分析該材料表面的抗沖磨性能。選用金剛砂作為高速水砂法的磨料，儀器使用高速水砂抗沖磨試驗儀，設(shè)置含砂水流沖磨速度為40m/s，水流含砂率為7%，結(jié)合沖磨效果確定試驗時間;隨機(jī)選擇大小在1～2cm之間，各向尺寸均衡且有分明尖角的玄武巖石料作為水下棱石的磨料，儀器使用HKS-II型抗沖磨試驗機(jī)，試驗機(jī)加入磨料為1kg，沖磨試驗機(jī)連續(xù)運行24h后停機(jī)更換一次磨料，1個試件的沖磨時間累計為96h。

抗空蝕試驗儀器使用縮放型強(qiáng)空蝕發(fā)生器，設(shè)置喉口流速為48m/s，強(qiáng)空化狀態(tài)下連續(xù)運行8h，對聚脲防護(hù)材料表面在高速水流空蝕影響下表現(xiàn)出來的相對抗力進(jìn)行把握，進(jìn)而分析材料的抗空蝕性能。

1.3 試件制作

根據(jù)試驗的具體內(nèi)容與儀器的相關(guān)要求進(jìn)行試件的制作，將實際工程中用到的C60抗沖磨混凝土材料CM用作基底混凝土試件，養(yǎng)護(hù)28d，在其表面噴涂聚脲防護(hù)材料作為防護(hù)層，采用的工藝一致于施工現(xiàn)場所用工藝，防護(hù)材料厚度為4mm，完成噴涂操作之后，再對試件進(jìn)行7d齡期的養(yǎng)護(hù)，之后便可投入試驗。總得來說，文章所進(jìn)行的抗沖磨與抗空蝕試驗過程差別不大，均嚴(yán)格根據(jù)規(guī)范所提要求實施，各組試驗分別制作3塊試件（試件聚脲防護(hù)材料與基材實現(xiàn)較好的粘結(jié)），取它們的平均值。

2 試驗結(jié)果

2.1 抗沖磨試驗

（1）高速水砂懸移質(zhì)沖磨試驗。設(shè)置試驗條件相同，采用高速水砂法對351噴涂純聚脲與高硬度噴涂純聚脲2種抗沖磨聚脲防護(hù)材料及一組沒有任何防護(hù)材料的基底混凝土進(jìn)行抗沖磨試驗，對比分析它們在懸移質(zhì)沖磨作用下表現(xiàn)出來的抗沖磨性能。

在采用高速水砂法進(jìn)行懸移質(zhì)沖磨2h后，聚脲防護(hù)材料同基底混凝土試件的粘結(jié)依舊牢固，并沒有鼓泡或者剝離的現(xiàn)象發(fā)生，但是聚脲防護(hù)材料的表面出現(xiàn)了一定程度的磨損，之前光滑的表面變得粗糙，有波紋狀的蝕痕呈現(xiàn)出來，總得來說，聚脲防護(hù)材料的沖磨破壞程度并不大，厚度的變化也不明顯。而對于沒有防護(hù)材料的基底混凝土而言，其所受到的沖磨破壞則明顯嚴(yán)重得多，表層全部剝落，骨料被暴露在外。表2所示為沖磨時間為2h的3種材料的抗沖磨參數(shù)。

從質(zhì)量損失角度來看，聚脲防護(hù)材料的抗沖磨強(qiáng)度明顯高于基底混凝土，基底混凝土的質(zhì)量損失超過聚脲防護(hù)材料質(zhì)量損失的10倍;從磨損體積或磨損厚度角度來看，基底混凝土的磨損體積（磨損厚度）超過聚脲防護(hù)材料磨損體積（磨損厚度）的5倍，可知在泄水建筑物中應(yīng)用聚脲防護(hù)材料，抗沖磨性能大幅度提升，且351噴涂純聚脲的抗沖磨性能優(yōu)于高硬度噴涂純聚脲。

（2）水下棱石推移質(zhì)沖磨。設(shè)置試驗條件相同，采用水下棱石法對351噴涂純聚脲與高硬度噴涂純聚脲2種抗沖磨聚脲防護(hù)材料及一組沒有任何防護(hù)材料的基底混凝土進(jìn)行抗沖磨試驗，各試件累計沖磨96h，對比分析它們在推移質(zhì)水流沖磨作用下表現(xiàn)出來的抗沖磨性能。

在采用玄武巖沖磨法進(jìn)行推移質(zhì)水流沖磨24h后，351純聚脲與高硬度純聚脲防護(hù)材料的表面除中心小塊區(qū)域沒有發(fā)生變化之外，大多數(shù)區(qū)域的磨損均比較明顯，且隨著沖磨時間的增加，沖磨破壞程度越來越大，防護(hù)材料的厚度越來越小。相較而言，351純聚脲的沖磨破壞程度小于高硬度純聚脲，且前者表現(xiàn)出相對較好的磨損均勻性。沒有防護(hù)材料的基底混凝土沖磨破壞程度最大。表3所示為3種材料的抗沖磨參數(shù)。

根據(jù)表3，351純聚脲與高硬度純聚脲防護(hù)材料在24h、48h、72h、96h磨損質(zhì)量比較均勻，沖磨破壞過程也相對穩(wěn)定，但沒有防護(hù)的基底混凝土試件質(zhì)量損失則比較大，351純聚脲與高硬度純聚脲防護(hù)材料的抗沖磨性能明顯優(yōu)于基底混凝土。從質(zhì)量損失角度來看，基底混凝土的質(zhì)量損失約為聚脲防護(hù)材料質(zhì)量損失的40～100倍;而從磨損厚度角度來看，前者又約為后者的20～50倍。另外，351純聚脲防護(hù)材料的抗沖磨強(qiáng)度約為高硬度純聚脲的2倍，即前者表現(xiàn)出更好的抗沖磨性能。

以質(zhì)量損失為參考依據(jù)對磨損厚度進(jìn)行計算，圖2所示為351純聚脲與高硬度純聚脲防護(hù)材料的磨損厚度同時間的關(guān)系。可知聚脲防護(hù)材料磨損厚度與時間大致呈現(xiàn)出線性相關(guān)的關(guān)系，證明材料有比較好的均勻性。351純聚脲防護(hù)材料的磨損破壞速度慢于高硬度純聚脲，前者抗沖磨性能優(yōu)于后者。

2.2 抗空蝕試驗

設(shè)置試驗條件相同，對351噴涂純聚脲與高硬度噴涂純聚脲2種抗沖磨聚脲防護(hù)材料及一組沒有任何防護(hù)材料的基底混凝土進(jìn)行抗空蝕試驗。受到連續(xù)8h的空化氣泡潰滅產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力影響，聚脲防護(hù)材料同基底混凝土的粘結(jié)依舊牢固，沒有發(fā)生剝離情況，且351純聚脲與高硬度純聚脲材料的表面形貌在試驗前后幾乎沒有發(fā)生任何變化，僅有的一點是材料表面稍微的變澀，空蝕破壞并未造成351純聚脲與高硬度純聚脲材料質(zhì)量上的損失。然而，未噴涂防護(hù)材料的基底混凝土表面砂漿與大骨料均出現(xiàn)剝蝕的現(xiàn)象。對比可知，聚脲防護(hù)材料有很強(qiáng)的抗空蝕性能。表4所示為3種材料的抗空蝕參數(shù)。

3 結(jié)語

文章對351噴涂純聚脲與高硬度噴涂純聚脲2種抗沖磨聚脲防護(hù)材料進(jìn)行抗沖磨試驗與抗空蝕試驗，發(fā)現(xiàn)在基底混凝土表面噴涂聚脲防護(hù)材料，可以顯著提高泄水建筑物工程用混凝土的抗沖磨與抗空蝕性能，且351噴涂純聚脲防護(hù)材料的抗沖磨與抗空蝕性能優(yōu)于高硬度噴涂純聚脲防護(hù)材料，材料在泄水建筑物中有很高的應(yīng)用價值。而基于這一結(jié)果，還有幾點需要強(qiáng)調(diào)：①有的學(xué)者在研究中曾采用水下鋼球法對含推移質(zhì)水流造成的磨損破壞進(jìn)行模擬，但是聚脲防護(hù)材料在水下鋼球的沖磨之下基本上會保持完好無損的狀態(tài)，究其原因，在于水下鋼球法所體現(xiàn)的是鋼球這一推移質(zhì)對試件表面所產(chǎn)生的越滾、沖擊與摩擦作用，就聚脲防護(hù)材料而言，它們受到鋼球的作用會發(fā)生彈性變形，將很多沖擊能量吸收，不容易出現(xiàn)磨蝕破壞的現(xiàn)象，故水下鋼球法對聚脲材料的抗沖磨性能試驗并不適用。②聚脲防護(hù)材料在某些工程中曾被傳出負(fù)面消息，但這并不意味著聚脲噴涂技術(shù)存在問題，今后的工程應(yīng)用需對聚脲防護(hù)材料的適用性及其容易引發(fā)的問題進(jìn)行考慮。③我國市場，一些人錯誤地認(rèn)為聚氨酯防護(hù)材料性能比聚脲防護(hù)材料性能差，原因可能在于市場上普通的單組分聚氨酯與雙組分聚氨酯占領(lǐng)了主要的聚氨酯涂層防水市場，應(yīng)用的越多，不足也就越明顯。其實，歐美一些發(fā)達(dá)國家，性能突出的聚氨酯防護(hù)材料比聚脲防護(hù)材料的適應(yīng)性更好，但這也無法證明聚氨酯優(yōu)于聚脲。就聚氨酯與聚脲而言，決對性地認(rèn)為一種材料優(yōu)于另一種材料并不確切，人們應(yīng)該關(guān)注的，是材料的適應(yīng)性、功能性及使用年限。

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