改性環(huán)氧砂漿抗沖磨材料性能研究

張振忠，汪在芹，陳 亮

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢430010)

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改性環(huán)氧砂漿抗沖磨材料性能研究

張振忠，汪在芹，陳 亮

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北武漢430010)

沖磨破壞是水工建筑物常見(jiàn)的破壞形式之一，環(huán)氧樹(shù)脂基材料是常用的抗沖磨防護(hù)和修補(bǔ)材料。針對(duì)西部高寒地區(qū)高紫外輻射的環(huán)境特點(diǎn)和抗沖磨材料實(shí)際工況，通過(guò)試驗(yàn)研究了改性環(huán)氧砂漿的力學(xué)性能、抗反復(fù)沖磨性能和耐紫外老化性能。改性環(huán)氧砂漿長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度大于17 MPa，216 h抗沖磨強(qiáng)度(水下鋼球法)達(dá)1 090.03 h/(kg/m2)，1 440 h紫外加速老化試驗(yàn)后，抗拉強(qiáng)度和斷裂能保留率分別為82.25%和96.90%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，改性環(huán)氧砂漿有優(yōu)異的力學(xué)性能、抗沖磨性能和耐紫外老化性能，適合用于西部高寒地區(qū)抗沖磨防護(hù)和修補(bǔ)。

水工建筑物；抗沖耐磨；改性環(huán)氧砂漿；耐紫外老化

0 前 言

沖磨破壞是水工建筑物常見(jiàn)的破壞形式之一，沖磨破壞一般包括磨蝕破壞、空蝕破壞和沖刷破壞。磨蝕破壞是水流中沙石等磨蝕介質(zhì)，在水流作用下與抗沖磨材料直接接觸產(chǎn)生的，根據(jù)水中砂石與過(guò)流面的接觸角又可以分為切削破壞和沖擊破壞。磨蝕破壞多發(fā)生在水流含沙量大，尤其是含推移質(zhì)多的過(guò)流面。磨蝕破壞一般面積較大，并具有一定的連續(xù)性[1]。空蝕破壞是空化氣泡在過(guò)流面或其附近潰滅時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)表面造成破壞。空化氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊壓力非常大，約7 000個(gè)大氣壓[2]，在開(kāi)敞式引水道中流速大于12 m/s，封閉式引水道中流速大于8 m/s時(shí)，均有可能發(fā)生空蝕現(xiàn)象[3]?？瘴g破壞通常發(fā)生在過(guò)流面突變或凹凸不平引起流態(tài)突變的地方，一般表現(xiàn)為在過(guò)流表面局部位置出現(xiàn)空蝕剝蝕坑，但其他部位完好，蝕坑深度有幾厘米至幾十厘米、甚至幾米不等[4]。沖刷破壞是動(dòng)水壓力和脈動(dòng)壓力對(duì)抗沖磨材料造成的破壞，是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。沖刷破壞一般破壞面積比較大，嚴(yán)重影響過(guò)水建筑物的安全運(yùn)行[5]。沖磨破壞輕者造成過(guò)流面材料局部破壞，影響過(guò)流建筑物運(yùn)行，重者造成過(guò)流面大面積破壞，影響過(guò)流建筑物結(jié)構(gòu)安全[5]。對(duì)水工建筑物采用抗沖磨材料進(jìn)行防護(hù)處理能有效保護(hù)過(guò)流面，以提高水工建筑物的耐久性。環(huán)氧樹(shù)脂基抗沖磨材料抗沖磨強(qiáng)度高，與混凝土粘結(jié)性能較好，是水利水電工程中常用的混凝土抗沖磨防護(hù)和修補(bǔ)材料[6- 9]。但是，環(huán)氧樹(shù)脂基抗沖磨材料在應(yīng)用中也存在耐紫外老化性能不佳的問(wèn)題。

目前，西藏、新疆等西部高寒地區(qū)正在積極進(jìn)行水利水電開(kāi)發(fā)，與內(nèi)地相比，西部高寒地區(qū)顯著的特點(diǎn)是嚴(yán)寒干燥、日溫差大、紫外線輻射強(qiáng)烈[10- 11]，給環(huán)氧樹(shù)脂基抗沖磨防護(hù)和修補(bǔ)材料的耐久性提出了更高的要求。研究環(huán)氧樹(shù)脂基抗沖磨材料在西部高寒地區(qū)復(fù)雜環(huán)境中抵抗反復(fù)沖磨破壞的性能有重要工程意義。本文選擇了改性環(huán)氧砂漿抗沖磨材料，針對(duì)西部高寒地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)研究材料的力學(xué)性能、耐紫外老化性能和抵抗反復(fù)沖磨破壞的性能，并判斷其是否適用于西部高寒地區(qū)水工建筑物抗沖磨防護(hù)和修補(bǔ)。

1 試驗(yàn)方法與設(shè)備

1.1 抗拉強(qiáng)度和斷裂能測(cè)試

抗拉強(qiáng)度和斷裂能測(cè)試參考GB/T 2567—2008《樹(shù)脂澆筑體性能試驗(yàn)方法》。拉伸試驗(yàn)采用啞鈴型試件，使用日本島津AG-IC型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件的抗拉強(qiáng)度和斷裂能，室溫條件下測(cè)試速度為2 mm/min。

1.2 沖磨試驗(yàn)

參考SL352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中水下鋼球法抗沖磨試驗(yàn)，沖磨試件采用已經(jīng)測(cè)試過(guò)的混凝土試件。將試件表面打磨平整，沖洗干凈并晾干，然后在試件上涂抹厚約2 mm的改性環(huán)氧砂漿，室溫養(yǎng)護(hù)1周后進(jìn)行沖磨試驗(yàn)。根據(jù)規(guī)程要求，72 h為1個(gè)試驗(yàn)周期。

1.3 紫外加速老化試驗(yàn)

采用與抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)相同的啞鈴型試件。參考GB/T 18244—2000《建筑防水材料老化試驗(yàn)方法》中人工加速老化(熒光紫外-冷凝)試驗(yàn)方法，使用美國(guó)翁開(kāi)爾公司生產(chǎn)的QUV紫外加速老化試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行紫外加速老化試驗(yàn)，紫外光輻照強(qiáng)度為0.6 W/m2，老化溫度為60 ℃，720 h為1個(gè)加速老化周期。

1.4 掃描電子顯微鏡

使用日本電子JSM6610A掃描電子顯微鏡(SEM)觀測(cè)改性環(huán)氧砂漿在沖磨試驗(yàn)前后的表面形貌，研究材料沖磨破壞形態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

抗拉強(qiáng)度是抗沖磨材料的重要力學(xué)指標(biāo)，試驗(yàn)測(cè)試了改性環(huán)氧砂漿不同齡期的抗拉強(qiáng)度，如圖1所示。從圖1中可以看出，改性環(huán)氧砂漿在前7天內(nèi)抗拉強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，并且在第7天達(dá)到最大值18.78 MPa，而28天齡期的抗拉強(qiáng)度略有降低，為17.97 MPa，之后材料的抗拉強(qiáng)度保持不變。因此，實(shí)際應(yīng)用中改性環(huán)氧砂漿要達(dá)到7天齡期才能保證其性能。

圖1 環(huán)氧砂漿齡期與抗拉強(qiáng)度關(guān)系

2.2 沖磨試驗(yàn)

工程中溢流壩、水閘等過(guò)水建筑物通常是間歇性過(guò)水，抵抗一次沖磨破壞并不能證明抗沖磨材料在之后服役過(guò)程中性能優(yōu)劣。為了探究抗沖磨材料在反復(fù)沖磨環(huán)境中的性能，對(duì)改性環(huán)氧砂漿進(jìn)行了3個(gè)周期的沖磨試驗(yàn)，每個(gè)沖磨試驗(yàn)周期后沖磨試件的質(zhì)量如圖2所示，每個(gè)沖磨周期后試件外表見(jiàn)圖3。

圖2 沖磨試件質(zhì)量與沖磨時(shí)間關(guān)系

圖3 沖磨試驗(yàn)試件照片

分析沖磨試件質(zhì)量變化發(fā)現(xiàn)：改性環(huán)氧砂漿前一個(gè)試驗(yàn)周期質(zhì)量損失量較大，而后2個(gè)試驗(yàn)周期質(zhì)量損失逐漸減小，并趨于穩(wěn)定；3個(gè)試驗(yàn)周期過(guò)后，改性環(huán)氧砂漿的質(zhì)量損失僅為14 g，抗沖磨強(qiáng)度高達(dá)1 090.03 h/(kg/m2)。從圖3可以看出，沖磨試件經(jīng)歷第1個(gè)沖磨周期后有較大的變化，改性環(huán)氧砂漿顏色變黃，表面光澤變暗，邊緣處有破損，而經(jīng)歷后2個(gè)沖磨周期后沖磨試件表面并沒(méi)有大的變化，與質(zhì)量損失趨勢(shì)一致。第1個(gè)周期是磨合期，率先磨損了表面突出和結(jié)合薄弱的部分，表面變化較大，質(zhì)量損失較多；之后進(jìn)入穩(wěn)定期，表面變化較小，質(zhì)量損失變小并趨于穩(wěn)定。

為了研究改性環(huán)氧砂漿沖磨破壞的形態(tài)，拍攝了改性環(huán)氧砂漿沖磨試驗(yàn)前后的SEM照片，如圖4所示。由圖4可知，沖磨試驗(yàn)前試件表面完整，可以看見(jiàn)散落的填料，無(wú)裂紋、凹坑；而沖磨試驗(yàn)后試件表面支離破碎，布滿剝蝕坑和裂紋。兩者對(duì)比可以得出：改性環(huán)氧砂漿沖磨破壞是典型的推移質(zhì)造成的沖擊和切削破壞[12，13]。

圖4 改性環(huán)氧砂漿SEM照片

2.3 紫外加速老化試驗(yàn)

普通環(huán)氧材料容易受到紫外線影響，發(fā)生光-氧老化，影響材料性能，縮短材料使用壽命。西部高寒地區(qū)一個(gè)突出的特點(diǎn)是紫外線輻照強(qiáng)度高，因此，改性環(huán)氧砂漿抗沖磨材料的耐紫外老化性能非常重要。

對(duì)改性環(huán)氧砂漿抗沖磨材料進(jìn)行2個(gè)周期(1 440 h)的紫外加速老化試驗(yàn)，記錄了改性環(huán)氧砂漿經(jīng)歷不同老化齡期后的形貌變化情況如圖5所示。從圖5可知，改性環(huán)氧砂漿試件加速老化試驗(yàn)前顏色呈灰綠色，表面光滑、有光澤；經(jīng)歷了720 h紫外加速老化試驗(yàn)后，試件形貌基本沒(méi)有變化，但可以看到油墨標(biāo)記“SJ- 1”已經(jīng)明顯褪色；經(jīng)歷了1 080 h紫外加速老化后，試件顏色變淡，失去了表面光澤，但是并未出現(xiàn)粉化現(xiàn)象；經(jīng)歷了1 440 h紫外加速老化試驗(yàn)后，試件顏色進(jìn)一步淡化，才出現(xiàn)了輕微的粉化現(xiàn)象。

圖5 改性環(huán)氧砂漿試件不同加速老化時(shí)間照片

抗拉強(qiáng)度是環(huán)氧樹(shù)脂基材料重要的力學(xué)性能，同時(shí)也是表征材料抗裂性能的重要指標(biāo)。斷裂能是材料拉伸試驗(yàn)從開(kāi)始到試件斷裂過(guò)程中外力對(duì)試件做的功，也叫斷裂功，能綜合反映材料的韌性。試驗(yàn)使用抗拉強(qiáng)度保留率和斷裂能保留率作為耐紫外老化性能的判斷指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：改性環(huán)氧砂漿在經(jīng)歷1 440 h紫外加速老化試驗(yàn)后，抗拉強(qiáng)度有所下降，但是保留率仍高達(dá)82.25%；整體韌性幾乎沒(méi)有下降，斷裂能保留高達(dá)96.90%，材料有良好的耐紫外老化性能。

表1 改性環(huán)氧砂漿老化前后性能指標(biāo)

狀態(tài)抗拉強(qiáng)度/MPa斷裂能/J老化前17.750.3674老化后14.600.3560

3 結(jié) 論

結(jié)合西部高寒地區(qū)的高紫外輻射的環(huán)境特點(diǎn)和抗沖磨材料的實(shí)際工況，對(duì)改性環(huán)氧砂漿的抗拉強(qiáng)度、反復(fù)抗沖磨性能和耐紫外老化性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：①改性環(huán)氧砂漿的長(zhǎng)期抗拉強(qiáng)度在17 MPa以上，自然養(yǎng)護(hù)條件下7天達(dá)到服役強(qiáng)度。②改性環(huán)氧砂漿沖磨試驗(yàn)過(guò)程中，磨合期質(zhì)量損失較大，穩(wěn)定期質(zhì)量損失較小，并且趨于穩(wěn)定；216 h沖磨試驗(yàn)測(cè)得抗沖磨強(qiáng)度(水下鋼球法)高達(dá)1 090.03 h/(kg/m2)。③改性環(huán)氧砂漿經(jīng)歷1 440 h紫外加速老化試驗(yàn)后，抗拉強(qiáng)度和斷裂能保留率分別為82.25%和96.90%。綜合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，改性環(huán)氧砂漿適合用于西部高寒地區(qū)水工建筑物的抗沖磨防護(hù)。

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(責(zé)任編輯 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

水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)(201301023)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579019)；中國(guó)華能總部科技項(xiàng)目(HNKJ15-H)

張振忠(1988—)，男，湖北武漢人，碩士研究生，主要從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