聚合物材料在閘門門槽修補(bǔ)中的應(yīng)用

彭 淵,傅永平

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020;2.浙江省紹興縣塘閘管理處,浙江 紹興 312000)

1 問題的提出

水閘是為城市供水、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水、防洪、防潮、排澇等方面服務(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前,我國水閘大部分建于20世紀(jì)50—70年代,限于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件,普遍存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低、工程質(zhì)量差、配套設(shè)施不全等先天性問題。投入運(yùn)行后,由于長期缺乏良性管理體制與機(jī)制,工程管理粗放,缺乏必要的維修養(yǎng)護(hù),加之近年來全球氣候變化,極端天氣事件頻發(fā),水閘遭受地震、泥石流、洪水等超標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷,加劇了水閘病險(xiǎn)程度。在全國近4.1萬座小 (1)型以上水閘中,有2/3以上存在不同程度的病險(xiǎn)情況,存在著重大安全隱患,已成為我國水利工程體系中的薄弱環(huán)節(jié)。

目前我國水閘存在的病險(xiǎn)種類繁多,除了超設(shè)計(jì)使用年限、工程建設(shè)先天不足等因素外,環(huán)境污染也是主要因素。由于河道水質(zhì)污染日趨嚴(yán)重以及部分水閘地處沿海地區(qū),水閘運(yùn)行環(huán)境極為不利,受廢污水腐蝕和海水銹蝕而造成閘門及門槽埋件等金屬結(jié)構(gòu)的銹蝕成為主要病險(xiǎn)問題之一,需進(jìn)行更換或者修補(bǔ)。但因水閘年代久遠(yuǎn),結(jié)構(gòu)單薄,對閘門埋件及門槽埋件等金屬件進(jìn)行更換,會對閘門門體或者閘墩混凝土局部結(jié)構(gòu)造成破壞,更換難度大,嚴(yán)重時(shí)會對水閘整體結(jié)構(gòu)造成影響。因此對于銹蝕不太嚴(yán)重、更換困難的金屬件,選擇合適的金屬修補(bǔ)材料對其進(jìn)行修補(bǔ),延長其使用壽命是一條可行的途徑。

2 閘門及門槽金屬件腐蝕的原因

金屬在水溶液中的腐蝕反應(yīng)是由金屬氧化為金屬離子和溶液中去極化還原這一對共軛電化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成的。

沿海地區(qū)水閘長期受海水影響,海水是含鹽量很高的電解質(zhì)溶液,金屬在海水中發(fā)生氧去極化腐蝕,氧含量和海水流速等因素加快了腐蝕速度。內(nèi)陸地區(qū)水閘的金屬件受當(dāng)?shù)氐拇髿夂秃铀|(zhì)的影響,也會有不同程度的腐蝕。如大氣或水體中存在二氧化硫、三氧化硫、硫化氫、氯化物和氨時(shí),都會明顯促進(jìn)金屬的腐蝕。

水閘金屬材料所處的水上與水下的各個(gè)部分環(huán)境條件不同,其腐蝕情況也不同,一般分為大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和泥漿區(qū)。其中飛濺區(qū)浪花飛濺,忽干忽濕,表面積存的鹽分要高得多,浪花泡沫攜帶著空氣使氧氣含量增高,是對金屬腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域,如果不加防腐處理則腐蝕速度可達(dá)到0.5～1.0 mm/a,為海水全浸區(qū)的5～10倍。

3 聚合物金屬修補(bǔ)材料

因受當(dāng)時(shí)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的限制,以往除險(xiǎn)加固的水閘中常見的閘門及門槽金屬件,按材料大致可分為普通鋼材和鑄鐵件。對于銹蝕不太嚴(yán)重的普通鋼材的修復(fù),尤其是門槽埋件可以采用埋件除銹后外側(cè)焊接不銹鋼板,最后在埋件表面進(jìn)行防腐蝕處理的方法。但對于鑄鐵件,本身是脆性材料,含碳量高,塑性差,組織不均勻,焊接性很差,容易出現(xiàn)白口組織、裂紋和氣泡的缺陷,不適合采用外焊接不銹鋼板的修復(fù)方法。

隨著材料科學(xué)的發(fā)展,高分子聚合物材料的出現(xiàn)為鑄鐵件的修補(bǔ)提供了途徑。聚合物材料—環(huán)氧樹脂具有良好的物理化學(xué)性能,被廣泛地應(yīng)用于設(shè)備材料的修復(fù)中。

3.1 環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

環(huán)氧樹脂是指1個(gè)分子中含有2個(gè)或2個(gè)以上環(huán)氧基的樹脂,它是具有環(huán)氧基的化合物與多元羥基化合物進(jìn)行縮聚反應(yīng)生成的熱塑性高分子預(yù)聚體。其優(yōu)點(diǎn)是對金屬和非金屬材料的表面具有優(yōu)異的粘接強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度高;固化時(shí)無小分子生成,因而密度大、固化收縮率低;耐腐蝕性能、電絕緣性能良好;耐熱性能、耐水性能好;固化成型方便。缺點(diǎn)是耐溫和耐堿性較差,但若對其予以改性,應(yīng)用范圍將有很大的擴(kuò)展。

3.2 改性環(huán)氧修補(bǔ)材料的配置

工程應(yīng)用中為使環(huán)氧樹脂性能滿足要求和方便施工操作,需對環(huán)氧樹脂基材進(jìn)行改性,以提高其性能。改性過程中在環(huán)氧樹脂中添加固化劑、稀釋劑、填料和改性劑等添加劑。

環(huán)氧樹脂選用黏結(jié)性能好的中等環(huán)氧值(0.25～0.45)的樹脂,如6101、634#;固化劑是必不可少的添加劑,否則環(huán)氧樹脂不能固化,要求固化劑耐腐蝕性好,常用的環(huán)氧樹脂固化劑有脂肪胺、脂環(huán)胺、芳香胺等;改性劑的作用是為了改善環(huán)氧樹脂的鞣性、抗剪、抗彎、抗沖、提高絕緣性能。不同的改性劑有不同的作用,此次選用650#聚酰氨樹脂以提高抗沖擊鞣性;填料的作用是改善制品的性能,也可以減少環(huán)氧樹脂的用量,降低成本,可選用鐵粉、鋅粉、鈦粉和水泥作為填料。由于填料粒徑較小,分散性良好,能很好地分散于改性環(huán)氧樹脂中,強(qiáng)度很高,可以調(diào)高材料的硬度;稀釋劑的作用是降低黏度,改善樹脂的滲透性。稀釋劑可分惰性及活性2大類,用量一般不超過30%。

3.3 改性環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料防腐蝕作用機(jī)理

環(huán)氧樹脂本身具有耐腐蝕性能。作為金屬表面的修補(bǔ)材料,它不僅僅是機(jī)械地把腐蝕介質(zhì)和金屬表面隔離開起到保護(hù)作用,而且還由于成膜物的性質(zhì)以及各種助劑等方面的因素,使修補(bǔ)材料具有物理和電化學(xué)的保護(hù)作用。

(1)屏蔽作用。在于防止外界的腐蝕介質(zhì)接觸修補(bǔ)材料下的金屬表面,避免了金屬的腐蝕。

(2)緩蝕、鈍化作用。材料中除含有成膜物之外,還可使金屬表面鈍化,從而起到防腐蝕作用。

(3)電化學(xué)作用。在防腐蝕材料的填料中如含有大量金屬鋅粉時(shí),則形成一個(gè)由鋅粉和底材鋼板組成的微電池,在電化學(xué)上鋅是比鋼鐵更活潑的金屬,所以電流就從鋅向鋼鐵流動,含鋅涂層為陽極,鋼鐵成為陰極,從而保護(hù)了鋼鐵不受腐蝕。

3.4 改性環(huán)氧修補(bǔ)材料修補(bǔ)步驟

改性環(huán)氧修補(bǔ)材料修補(bǔ)的基本工藝為:表面處理—配制修補(bǔ)劑—涂抹—固化—后處理。

(1)對閘門和門槽金屬埋件修補(bǔ)面通過打磨機(jī)、噴砂機(jī)或用砂布、鋼絲刷等工具打磨,去掉表面氧化層和雜質(zhì),直至露出金屬原色,并且將表面的氣孔、砂眼里面用銼刀將疏松的材質(zhì)除去,再用丙酮將表面徹底清洗干凈。

(2)根據(jù)配合比用量,按比例配置修補(bǔ)劑,并且攪拌均勻。

(3)涂抹材料第1層要薄,要確保粘接及覆蓋,再將材料均勻地涂抹到整個(gè)修復(fù)表面,涂抹第2層材料前應(yīng)將前一層材料仔細(xì)修理一遍,不應(yīng)有氣孔、裂縫、不密實(shí)等現(xiàn)象,確保填實(shí)并留有加工余量。

(4)完全固化24 h/24℃。溫度每提升11℃,固化時(shí)間縮短1/2,但提升溫度不得超出材料的承受溫度。

(5)用250目細(xì)砂紙研磨環(huán)氧修補(bǔ)后的表面直至平滑,表面修整后,用水磨砂紙研磨保養(yǎng)2 d后,可投入使用。

3.5 應(yīng)用實(shí)例

浙江省紹興縣新三江閘為Ⅱ等水利工程,建于1981年,是蕭紹平原的主要排澇工程,在馬山閘等其他水閘配合下,承擔(dān)著蕭紹平原紹興市約 3.607萬 hm2、蕭山約1.267萬hm2、上虞市約0.6萬hm2的農(nóng)田和紹興 1 582 km2的灌溉排澇任務(wù)[2]。新三江閘為胸墻式閘室結(jié)構(gòu),全閘共分15孔,每孔高4.8 m,凈寬6 m,閘孔總凈寬90 m,最大過閘流量 1 420 m3/s。新三江閘為二類閘,需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

在新三江閘除險(xiǎn)加固過程中,發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土閘門的金屬結(jié)構(gòu)及門槽金屬埋件銹蝕嚴(yán)重。施工過程中對閘門的主滑塊座、吊座、壓板、螺栓、止水橡皮、吊梁及吊梁導(dǎo)向滾輪、下游閘門短拉桿等構(gòu)件全部進(jìn)行更換;對門槽鑄鐵金屬埋件進(jìn)行機(jī)械除銹后,采用改性環(huán)氧修補(bǔ)材料修補(bǔ)門槽鑄鐵埋件的蝕坑缺陷。

根據(jù)浙江省水利河口研究院試驗(yàn)室提供的鑄鐵門槽埋件改性環(huán)氧修補(bǔ)材料配合比試驗(yàn)報(bào)告,確定改性環(huán)氧修補(bǔ)材料成分(見表1),材料試驗(yàn)成果見表2。

表2 改性環(huán)氧修補(bǔ)材料試驗(yàn)成果表

經(jīng)過2 a的運(yùn)行,2011年檢修時(shí),修補(bǔ)后的鑄鐵門槽完好無損,抗腐蝕性好,表明改性環(huán)氧修補(bǔ)材料用于鑄鐵門槽的修復(fù)是成功的。

4 聚合物金屬修補(bǔ)材料的應(yīng)用前景

我國地域廣闊、海岸線漫長,水閘數(shù)量相當(dāng)可觀,在水閘的除險(xiǎn)加固及維修過程中對銹蝕的閘門埋件及門槽埋件等金屬件進(jìn)行更換,往往更換難度大,而且會對原主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。對于銹蝕不太嚴(yán)重、更換困難的金屬件,可以選擇聚合物金屬修補(bǔ)材料進(jìn)行修補(bǔ),以加快施工速度,減小對結(jié)構(gòu)的破壞,節(jié)約工程投資,具有廣泛的應(yīng)用前景。

另外聚合物修補(bǔ)材料通過對環(huán)氧結(jié)構(gòu)的改性、環(huán)氧合金化、填充無機(jī)填料、膨脹單體改性等高性能化后還可以制得多種防腐蝕涂料[4],如:聚硫橡膠環(huán)氧防腐蝕涂料、環(huán)氧改性橡膠瀝青防腐蝕涂料、環(huán)氧樹脂納米防腐涂料等。環(huán)氧防腐蝕涂料由于它的低污染、省資源、涂裝適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),成為新建工程的防腐蝕涂料品種,應(yīng)用范圍進(jìn)一步得到延伸。

5 水閘工程金屬件選材的思考

在水閘的維修及管理過程中,金屬件銹蝕是個(gè)普遍存在的問題,嚴(yán)重影響了水閘的使用壽命。金屬件的修復(fù)及更換往往難度大,施工復(fù)雜,因此在水閘建造過程中,合理地對閘門及門槽等預(yù)埋金屬件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選材顯得尤為重要。

金屬件的選材首要問題是根據(jù)對應(yīng)的工作環(huán)境和設(shè)計(jì)壽命,選擇相應(yīng)耐蝕級別的金屬材料。選材時(shí)綜合各種原則選擇最適用的材料,如材料使用壽命應(yīng)與工程的設(shè)計(jì)壽命相匹配;要求材料具有高的性價(jià)比,既具有滿足設(shè)計(jì)和工作環(huán)境條件要求的性能又具有較低的價(jià)格成本;所用材料市場供應(yīng)充足,鑄件加工工藝易于實(shí)現(xiàn)。表3列舉了不同金屬材料的耐蝕情況,供參考。

表3 部分金屬材料耐蝕情況表

由表3可知,鈦及其高合金和不銹鋼,如316、316 L、317、317 L等具有優(yōu)良的耐蝕性能,但價(jià)格昂貴且制造工藝復(fù)雜,很少采用;普碳鋼及普通鑄鐵的性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求也不宜采用:當(dāng)設(shè)計(jì)要求不高的情況下可以用合金鑄鐵STNi3、STNi2Cr、STNi4Cr2等;當(dāng)設(shè)計(jì)要求高時(shí)可用高鎳奧氏體鑄鐵,如GGL-NiCuCr15 6 2,或者采用鎳鉻奧氏體不銹鋼。

6 結(jié) 語

不同材料的抗海水腐蝕的基本性能是有差異的,但區(qū)別不大,而且工程用材量大,很難根據(jù)區(qū)帶腐蝕情況細(xì)致分類。因此設(shè)計(jì)時(shí)采取的防腐措施比選擇合金含量、抗腐蝕性能好的金屬材料更重要,如海平面以上可以用普碳鋼架防腐措施,水下全浸區(qū)和浪濺區(qū)選用耐蝕能力強(qiáng)的耐蝕鑄鐵或不銹鋼等材料,并且表面進(jìn)行防腐處理。綜合考慮金屬材料的使用環(huán)境、耐海水腐蝕的性能和制造成本等多種因素,性價(jià)比較好的低鎳鉻合金鑄鐵(STNi2Cr)是國內(nèi)外應(yīng)用較多的一種耐海水腐蝕的鑄鐵,在我國沿海水利工程閘門及門槽埋件中獲得廣泛應(yīng)用。

[1]黃國興,陳改新.水工混凝土建筑物修補(bǔ)技術(shù)及應(yīng)用 [M].北京:中國水利水電出版社,1998.

[2]王立軍,嚴(yán)其芳.浙江省紹興縣新三江閘除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].上海:上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院,2008.

[3]郭劉秀.用改性環(huán)氧膠泥修復(fù)壓縮機(jī)缸筒 [J].腐蝕與防護(hù),2003,24(5):224-225.

[4]孔愛平,王軍.基于化工設(shè)備金屬腐蝕及環(huán)氧防腐涂層的應(yīng)用研究 [J].遼寧化工,2007,36(5):330-333.