一種高性能抗沖耐磨復合材料在泄水建筑中的應用

白永昇，蘇富赟，李 泉，藺 周

（1.甘肅土木工程科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020，2.甘肅電投九甸峽水電開發有限責任公司，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常發生的破壞形式，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量最多的國家，但又因為我國河流含有大量泥沙、碎石等，高速、含砂、推移質水流使我國運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系到其受磨蝕損壞的程度，給經濟社會的發展造成了較大損失。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合材料，對既有水工泄水建筑沖磨破損部位進行了修補，并取得了良好的使用效果。

1 材料介紹

國內外學者對高速水流的磨蝕與破壞以及水利水電設施維護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用硅粉系列抗沖耐磨混凝土、改性環氧樹脂砂漿和防護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、組成配合比和技術路線的限制，使其在工程施工和應用中暴露出自身難以克服的種種弱點。研究表明，既有泄水混凝土構件在懸移質和推移質泥沙的沖磨作用下，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大小不一、深淺不同的坑洞和表面脫落現象。

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

1.1 試驗方法

1.1.1 力學性能測試方法

高性能抗沖耐磨復合材料抗壓強度與抗折強度力學性能測試參照 GB/T 17671－1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO）法》及 GB/T 50081－2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》規定執行。試件在標準養護室內養護。

1.1.2 耐久性能測試方法

高性能抗沖耐磨復合材料耐久性試驗參照 GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定執行。

1.1.3 抗沖磨測試方法

高性能抗沖耐磨復合材料抗沖磨強度及磨損率試驗參照 DL/T 5150－2017《水工混凝土試驗規程》中水下鋼球法試驗規定執行。

1.1.4 凝結時間測試方法

高性能抗沖耐磨復合材料凝結時間試驗參照 JGJ/T70《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》規定執行。

1.2 高性能抗沖耐磨復合材料性能指標

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

從表 1 中可以看出，這種高性能抗沖耐磨復合材料無論是力學性能還是耐久性能指標，都遠高于普通水泥基材料；同有機類修補材料相比，力學性能指標已經與一些有機類修補材料持平甚至略高，但其耐久性能指標遠高于有機類修補材料，同時材料無毒且可以在潮濕基面上施工，經過水下鋼球法試驗抗沖磨強度高于既有混凝土的抗沖耐磨強度。施工工藝簡便，施工便捷性優于傳統材料，價格僅為有機環氧類材料的 1/3～1/2，且目前化工類材料一直處于價格上漲的態勢，其綜合造價遠低于有機環氧類，可在實施過程中為運行單位節約大量維修資金。

表1 抗沖耐磨復合材料性能指標

2 施工方法

由于高性能防沖耐磨復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］，比有機類材料施工更具有便捷性。具體施工順序如下：

施工準備→搭設腳手架→基面清理→安裝抗剪鍵→涂刷專用界面劑→高性能抗沖耐磨復合材料壓抹→養護。

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。用清水將整個修補基面沖洗干凈，使基面 24 h 保持濕潤狀態，并使其在壓抹復合材料前處于飽和面干狀態。

2.2 抗剪鍵的設置

抗剪鍵采用機械成孔，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，使用復合材料修補缺陷處，修補缺陷處時由深到淺依次進行壓抹，每次壓抹厚度不應超過 15 mm 且需要壓實；壓抹厚度未達到設計厚度時，后一道壓抹應在前一道初凝后終凝前進行施工。最后一道壓抹面層要壓實、找平、表面光滑，不留錯臺。

2.4 養護

待復合材料終凝后，采取噴水養護，24 h 保濕，養護期為 7～14 d。施工環境溫度不低于 5 ℃，否則應采取冬季施工措施。

3 工程應用

由于高性能抗沖耐磨復合材料具有良好的性能，在某水電站泄水建筑中得到了應用。由于受泄洪影響，泄洪洞啟閉機室出口，距弧形閘門下游約 13 m，兩側邊墻及右側地面混凝土氣蝕沖刷破壞嚴重，鋼筋出露，需進行補強修復處理，以確保泄洪洞安全運行。具體沖蝕破壞范圍及深度如下：①右側邊墻沖刷損壞部位：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合材料修補后的工程情況如圖 6、7 所示。

圖6 修補過程

圖7 修補完后墻面情況

在修補施工過程中，由于泄水建筑內環境條件錯綜復雜，需重視對施工人員的安全教育，避免意外事件發生。泄水建筑內往往有小股水流涌出或噴濺。若在修補基面上有水流涌出，須提前用堵漏材料將涌水徹底封堵住，方可進行修補施工；若有水流噴濺至修補基面時，須提前改變水流的噴濺方向，使水流無法噴濺至修補基面時，方可施工并在施工結束后用塑料薄膜覆蓋，防止有其他水流噴濺至未凝結的復合材料表面。整個修補工作結束后需養護 7～14 d，方可過水運行。

4 結語

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