水性環(huán)氧砂漿抗沖磨特性研究

俞亮 張雷 郭家琛

摘 要：水性環(huán)氧砂漿在水工建筑領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，其物理力學(xué)特性尤其是抗沖磨特性是決定是否應(yīng)用于排沙隧洞、溢流壩面等泄水建筑物的關(guān)鍵因素。針對水性環(huán)氧砂漿的抗沖磨性能，采用高速水下鋼球沖磨儀模擬推移質(zhì)對水性環(huán)氧砂漿的抗沖磨破壞，分析在不同轉(zhuǎn)速、不同級配沖磨鋼球下砂漿的抗沖磨特性，探索了適合于水性環(huán)氧砂漿的水下鋼球法試驗參數(shù)，提出了水性環(huán)氧砂漿抗沖磨壽命預(yù)測方法。

關(guān)鍵詞：水性環(huán)氧砂漿；抗沖磨；水下鋼球法；推移質(zhì)；壽命預(yù)測

中圖分類號：TV432 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.028

引用格式：俞亮，張雷，郭家琛.水性環(huán)氧砂漿抗沖磨特性研究[J].人民黃河，2022，44（1）：134-138，148.

ResearchonAnti AbrasionPropertyofWater BorneEpoxyMortar

YULiang1，2，ZHANGLei1，3，GUOJiachen4（1.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch，Zhengzhou450003，China；2.CollegeofWaterConservancyand HydropowerEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China；3.HenanEngineeringResearchCenterof HydropowerEngineeringAbrasionTestandProtection，Zhengzhou450003，China；4.DepartmentofCiviland EnvironmentalEngineering，HongKongUniversityofScienceandTechnology，HongKong00852，China）

Abstract：Waterborneepoxyemulsionmodifiedmortarhasbeenpaidmoreandmoreattentiontoandappliedinthefieldofhydrauliccon struction.Itsphysicalandmechanicalproperties，especiallytheanti erosionproperties，arethekeyinfluencingparametersappliedtotheout letstructuressuchassilt releasingtunnelandspillwaydamsurface.Ahigh speedunderwatersteelballpunchingtesterwasusedtosimulate theimpactofpushingmassontheabrasionresistanceofwater borneepoxymortar.Inthispaper，theabrasionresistanceofmortarunderdif ferentrotationalspeedsanddifferentgradesofgrindingsteelballswereanalyzedandthetestparametersofunderwatersteelballmethodsuit ableforwater borneepoxymortarwereexplored，thenamethodforpredictingthepunchingandgrindinglifeofmortarwaswellproposed.The researchresultsprovideabasisfortheapplicationofwater borneepoxymortartohydraulicstructuresrequiredbyanti impactabrasion.

Keywords：water borneepoxymortar；abrasionresistance；underwaterballmethod；bottomload；lifeprediction

水工泄水建筑物結(jié)構(gòu)的補強加固和高壩泄水建筑物的抗磨蝕防護是工程技術(shù)人員面臨的難點和學(xué)術(shù)研究的熱點。目前，針對水工泄水建筑物沖刷磨損、空蝕破壞問題，常采用以下兩種途徑進行防護和修復(fù)：一是在施工期或沖坑深度、范圍較大時，采用抗沖磨混凝土襯砌，如高強混凝土、硅粉混凝土、HF混凝土、摻纖維混凝土等；二是泄水建筑物發(fā)生沖刷磨損和空蝕破壞后，采用鋼板、鑄石板、聚合物砂漿作為表面薄層防護材料進行修復(fù)。表面薄層防護材料如鋼板和鑄石板存在容易發(fā)生整體剝落、施工工序復(fù)雜、成本高等問題，使其工程應(yīng)用受到限制[1-2]。聚合物砂漿是將高分子聚合物作為膠凝材料，如丁苯乳液、苯丙乳液、環(huán)氧樹脂、氨基甲酸乙酯等，利用聚合物自身良好的黏結(jié)力、低彈性模量的特點，來改善普通砂漿力學(xué)性能、抗沖磨性、耐久性以及與基底混凝土的黏結(jié)力[3]。聚合物改性砂漿中以環(huán)氧樹脂砂漿在水工混凝土結(jié)構(gòu)補強加固中應(yīng)用最多，效果最好[4]。環(huán)氧樹脂力學(xué)性能優(yōu)異、固化收縮性弱、與基材附著性良好[5]，作為膠結(jié)材料與骨料配制成環(huán)氧砂漿，用于水工泄水建筑物表面磨蝕防護已有40多年的歷史[6-8]。但傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿采用油性環(huán)氧樹脂，其缺點有：①具有較強黏性，在施工過程中砂漿不易抹平，施工工具不易清洗；②含有揮發(fā)性有機溶劑，對人體健康和環(huán)境造成不利影響；③表現(xiàn)為親油性，在潮濕有水環(huán)境下與基底材料黏結(jié)效果大幅度降低。

水性環(huán)氧樹脂繼承了傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的一些優(yōu)點，如與底材有較高的附著力、耐化學(xué)腐蝕性好，同時還突破了傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的缺陷[9]：①水性環(huán)氧樹脂以水為溶劑，可以與水泥、硅粉、粉煤灰等水性體系配合使用，達(dá)到相互彌補、充分發(fā)揮各自性能的目的；②由低分子量環(huán)氧樹脂制成的水性環(huán)氧樹脂不含有機溶劑，能夠滿足環(huán)保要求；③水性環(huán)氧樹脂砂漿可操作性好，施工工具便于清洗；④水性環(huán)氧樹脂體系可以在室溫和潮濕環(huán)境中固化。水性環(huán)氧樹脂成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)環(huán)氧樹脂的最佳材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，我國水性環(huán)氧樹脂的開發(fā)起步較晚，在水利工程中的應(yīng)用研究還很少，限制了其在水工泄水建筑物修補中的應(yīng)用。

水性環(huán)氧砂漿的抗沖磨特性是決定是否應(yīng)用于排沙隧洞、溢流壩面等泄水建筑物的關(guān)鍵因素，也是能否在水工泄水建筑物廣泛應(yīng)用的前提。目前常采用水下鋼球法、風(fēng)砂槍法和圓盤法進行抗沖刷和磨蝕性能測試，而這些方法的試驗參數(shù)是基于混凝土研究成果制定的，不能直接適用于水性環(huán)氧砂漿沖磨試驗。因此，需要采用適宜的抗沖磨試驗方法，研究水性環(huán)氧砂漿的抗沖磨性能。

1 試驗方法

1.1 試驗方案

按照《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T5150—2017），采用水下鋼球法模擬砂漿在推移質(zhì)作用下的沖磨過程。筆者采用南京水利科學(xué)研究院研制的水下鋼球法沖磨試驗機進行水性環(huán)氧乳液砂漿的抗沖磨性能研究，結(jié)合有關(guān)混凝土抗沖磨性能的研究[10]，試驗采用1200r/min和1800r/min兩種轉(zhuǎn)速，按照鋼球總質(zhì)量一定的原則確定了4種鋼球級配，見表1（其中，標(biāo)準(zhǔn)級配為《水工混凝土試驗規(guī)程》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)研磨鋼球級配）。

1.2 試件制備

水下鋼球法原用于測試混凝土抗沖磨性能，按照《水工混凝土試驗規(guī)程》需制作厚10cm、直徑30cm的圓柱形沖磨試件，試件體積大、質(zhì)量大。環(huán)氧砂漿比混凝土抗沖磨能力強，若按照原試件尺寸制作水性環(huán)氧砂漿將導(dǎo)致砂漿磨蝕損失量較小，對計算相對失重量敏感性較差，且材料用量多、利用率低。此外，在實際工程中水工混凝土修復(fù)砂漿層的厚度一般為10～20 mm。為提高試驗效率并降低試驗成本，使其更適用于砂漿的沖磨試驗，以評定砂漿的相對抗磨性能，對試件的制備進行了改進，試驗采用的水性環(huán)氧砂漿試塊為直徑30cm、厚2cm的圓盤。

改進后的抗沖磨試件如圖1所示。試件裝置的制作過程如下：

（1）制作厚8cm、直徑30cm的圓柱形砂漿塊作為砂漿試驗塊的底座。

（2）將外六角螺栓螺母緊套入螺母中形成螺母組合件，以增強外六角螺栓螺母與底座連接的牢固性，將螺母組合件安入底座中心位置預(yù)先鉆好的孔中并用水泥砂漿填埋。

（3）在水性環(huán)氧砂漿試塊中心位置鉆孔后放置在底座上并用外六角螺栓螺釘將其與底座連接，水性環(huán)氧砂漿試塊安裝完成后即可放入水下鋼球法沖磨試驗機進行試驗。

2 抗沖磨性能測試

采用P·C32.5R水泥和綠碳化硅制作水性環(huán)氧砂漿沖磨試件，砂漿配合比和不同齡期的力學(xué)性能見表2和表3。

2.1 不同轉(zhuǎn)速下不同級配鋼球沖磨結(jié)果分析

圖2～圖5為不同轉(zhuǎn)速和不同級配鋼球沖磨下砂漿沖磨速率和磨損率隨時間的變化情況。

由圖2～圖5中可以看出：在1200r/min轉(zhuǎn)速下，沖磨前兩個階段試件的沖磨速率基本相等，第三階段開始，采用12.7mm粒徑鋼球沖磨的試件，其沖磨速率開始急劇增大，采用另外三種鋼球級配進行沖磨的試件，其沖磨速率增長相對緩慢。在1200r/min的轉(zhuǎn)速下，砂漿沖磨速率由高到低對應(yīng)的鋼球級配分別為12.7mm粒徑、標(biāo)準(zhǔn)級配、19.1mm粒徑和25.4mm粒徑鋼球。在1800r/min轉(zhuǎn)速下，采用19.1mm粒徑、25.4mm粒徑鋼球進行沖磨，第一階段試件的沖磨速率基本相等，而采用12.7mm粒徑鋼球進行沖磨的試件沖磨速率從第一階段開始就急劇增長。由試驗結(jié)果可以看出，砂漿表面沖磨強度高，隨著沖磨的不斷進行，試件表面被磨損，沖磨發(fā)展到試件內(nèi)部，此時沖磨速率開始逐漸增大。

2.2 水流流速對水性環(huán)氧砂漿沖磨的影響

在不同轉(zhuǎn)速和不同級配鋼球沖磨下，砂漿的沖磨時間不同，圖6為1200r/min和1800r/min兩種轉(zhuǎn)速下采用標(biāo)準(zhǔn)級配、12.7mm粒徑、19.1mm粒徑、25.4mm粒徑鋼球，砂漿分別經(jīng)過72、24、54、45h沖磨后的磨損率。

由試驗結(jié)果可見，轉(zhuǎn)速變化對單粒徑鋼球沖磨效果的影響更明顯。有關(guān)混凝土的水下鋼球法沖磨試驗表明[10]，采用19.1mm粒徑、25.4mm粒徑鋼球進行沖磨，當(dāng)轉(zhuǎn)速由1200r/min提高到1800r/min時，混凝土的磨損率反而有所下降。可見采用水下鋼球法進行沖磨，轉(zhuǎn)速變化對水性環(huán)氧砂漿和混凝土沖磨效果影響不同，水性環(huán)氧砂漿受轉(zhuǎn)速變化的影響更為明顯。其原因是砂漿由水泥、砂等細(xì)顆粒通過膠凝材料黏結(jié)而成，推移質(zhì)對材料的破壞以沖擊破壞為主，沖磨介質(zhì)的沖擊和摩擦導(dǎo)致填料磨損以及填料之間的分離?；炷劣伤?、砂和粗骨料組成，表面多為一層耐磨性較低的砂漿層，在沖磨過程中水泥石率先被磨損使得骨料逐漸裸露，而骨料硬度均高于水泥石，導(dǎo)致其受到切削的磨損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥石，當(dāng)粗骨料之間的水泥石進一步被水流帶走，骨料受到水流的作用力更大，在水流的作用下脫落，造成破壞進一步發(fā)展。因此，混凝土沖磨受鋼球粒徑的影響更大，采用混合粒徑?jīng)_磨，骨料之間的水泥石更容易被磨損，有關(guān)研究表明[11]在1200r/min轉(zhuǎn)速條件下采用標(biāo)準(zhǔn)級配鋼球進行混凝土沖磨，混凝土沖磨速率要高于采用單一粒徑的。

2.3 傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿沖磨結(jié)果分析

基于水性環(huán)氧砂漿試驗結(jié)果，采用1800r/min的轉(zhuǎn)速，進行12.7、19.1、25.4mm單粒徑鋼球?qū)鹘y(tǒng)環(huán)氧砂漿的沖磨試驗，試驗結(jié)果如圖7和圖8所示。

相比水性環(huán)氧砂漿，傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿的抗沖磨特性有較大不同。傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿表層存在松散顆粒，導(dǎo)致砂漿剛開始沖磨的質(zhì)量損失較大，當(dāng)表層松散顆粒剝離后，才反映出其真實抗沖磨性能。從第二階段開始，無論采用何種粒徑進行沖磨，傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿各個階段的沖磨速率基本保持穩(wěn)定，并不隨著沖磨的不斷進行而增大，這表明傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿材料抗沖磨性能均勻。從19.1、25.4mm粒徑鋼球的沖磨試驗結(jié)果來看，水性環(huán)氧砂漿表層的沖磨強度與傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿沖磨強度接近。

2.4 推移質(zhì)作用下砂漿抗沖磨壽命預(yù)測

在1200r/min和1800r/min的轉(zhuǎn)速下，水性環(huán)氧砂漿磨損率隨沖磨時間的變化趨勢呈拋物線形，磨損率與時間的關(guān)系可用擬合關(guān)系式表示，見表4。

傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿磨損率隨沖磨時間的變化趨勢呈線性，磨損率與時間的關(guān)系可用擬合關(guān)系式表示，見表5。

根據(jù)水下鋼球法試驗結(jié)果，不同類型砂漿磨損率與沖磨時間可用擬合關(guān)系式表示，這可以為砂漿在推移質(zhì)作用下的抗沖磨壽命預(yù)測提供參考。預(yù)測新砂漿在推移質(zhì)作用下抗沖磨壽命時，可以先對其進行水下鋼球法抗沖磨試驗，將試驗得出的磨損率與時間關(guān)系曲線進行擬合，將擬合關(guān)系式與已有砂漿的擬合關(guān)系式進行比較，根據(jù)已有砂漿在不同實際工程中的應(yīng)用壽命來推測新砂漿在相同條件下的使用壽命。

2.5 水性環(huán)氧砂漿抗沖磨性能影響因素分析

為分析材料特性對抗砂漿沖磨性能的影響，采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥制作水下鋼球法抗沖磨試件，將沖磨結(jié)果與水性環(huán)氧砂漿進行比較分析，P·O42.5普通硅酸鹽水泥砂漿配合比和力學(xué)性能見表6、表7。試驗沖磨轉(zhuǎn)速為1200r/min，采用12.7mm的單粒徑鋼球，鋼球數(shù)量112顆，沖磨結(jié)果如圖9和圖10所示。

水泥砂漿最大沖磨速率為最小沖磨速率的3.23倍，而水性環(huán)氧砂漿最大沖磨速率為最小沖磨速率的10.77倍，這表明相比水泥砂漿，水性環(huán)氧砂漿表層和內(nèi)部的抗沖磨性能差異較大，可能原因為水性環(huán)氧砂漿內(nèi)部存在較多孔隙。經(jīng)過72h沖磨后，水性環(huán)氧砂漿沖磨試件磨損率相比水泥砂漿要低30.5%。從材料力學(xué)性能來看，相比水泥砂漿，水性環(huán)氧砂漿28d齡期抗壓強度高10.1%，抗折強度高64.8%，壓折比低33.1%，測得的最大抗拉強度高30.3%。由此可見，砂漿抗沖磨強度與壓折比、抗拉強度相關(guān)性較強，砂漿抗沖磨強度與壓折比呈負(fù)相關(guān)，與抗拉強度呈正相關(guān)。壓折比反映了材料的韌性，材料韌性越好，砂漿在鋼球的沖擊下越不容易產(chǎn)生微裂紋，而抗拉強度反映了材料內(nèi)部的黏結(jié)力，抗拉強度越高，在鋼球沖磨下砂漿中的填料顆粒越不容易從基體脫落。

為進一步研究水性環(huán)氧砂漿材料內(nèi)部特性對砂漿抗沖磨性能的影響，將水性環(huán)氧砂漿水灰比提高至0.4，其他配比不變，制作沖磨試件。試驗沖磨轉(zhuǎn)速為1200r/min，采用12.7mm的單粒徑鋼球，鋼球數(shù)量112顆。試驗結(jié)果如圖11和圖12所示。

經(jīng)過72h的沖磨，水灰比為0.4的砂漿磨損率比水灰比為0.35的砂漿低15.9%。水灰比0.35的沖磨試件密度為2327.9kg/m3，水灰比0.4的沖磨試件密度為2456.2kg/m3，水灰比增大導(dǎo)致砂漿的稠度增大、砂漿內(nèi)部孔隙減少、密實度提高，從而使得砂漿抗沖磨強度提高。由此可見，水性環(huán)氧砂漿密實度也是影響砂漿抗沖磨性能的重要因素。

3 結(jié) 論

針對水性環(huán)氧砂漿的抗沖磨性能，采用高速水下鋼球沖磨儀模擬推移質(zhì)對水性環(huán)氧砂漿的沖磨破壞，分析在不同轉(zhuǎn)速和不同級配沖磨鋼球沖磨下砂漿的沖磨特性，探索適合于水性環(huán)氧砂漿的水下鋼球法試驗參數(shù)，提出水性環(huán)氧砂漿抗沖磨壽命預(yù)測方法，得到的結(jié)論如下：

（1）在1200r/min和1800r/min兩種轉(zhuǎn)速下，采用12.7mm粒徑鋼球進行沖磨，其沖磨速率高于標(biāo)準(zhǔn)、19.1mm和25.4mm粒徑鋼球級配；在1200r/min轉(zhuǎn)速下，采用12.7mm粒徑鋼球進行沖磨更能體現(xiàn)水性環(huán)氧砂漿不同層面的抗沖磨性能。

（2）相比混凝土，水流流速對水性環(huán)氧砂漿沖磨速率影響更為明顯。

（3）傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿和水性環(huán)氧砂漿的磨損率隨沖磨時間的變化趨勢不同，通過試驗結(jié)果可獲得砂漿磨損率與沖磨時間的擬合關(guān)系式，為推測不同砂漿在相同條件下抗推移質(zhì)作用的使用壽命提供思路。

（4）砂漿抗沖磨強度與壓折比、抗拉強度相關(guān)性較強，抗沖磨強度與壓折比為負(fù)相關(guān)，與抗拉強度為正相關(guān)；砂漿內(nèi)部密實度也是影響水性環(huán)氧砂漿抗沖磨性能的重要因素。

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【責(zé)任編輯 崔瀟菡】