中國(guó)水工結(jié)構(gòu)抗沖磨防空蝕涂料的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

孫紅堯，徐雪峰，杜 恒

(南京水利科學(xué)研究院 水災(zāi)害防御全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

遭受沖磨空蝕的水利水電工程結(jié)構(gòu)包括水閘、水庫(kù)（含水力發(fā)電和農(nóng)村小水電）、水輪機(jī)、輸水工程等，具體如泄洪道和溢流道、沖沙洞、引水管道和尾水管、水輪機(jī)葉片等。水工結(jié)構(gòu)的沖刷和磨耗是由含懸移質(zhì)（懸浮在水流中隨水流運(yùn)動(dòng)的泥沙）和推移質(zhì)（在河床表面附近以滑動(dòng)、滾動(dòng)、跳躍或?qū)右品绞竭\(yùn)動(dòng)的砂石顆粒）的水流作用于結(jié)構(gòu)表面引起的。根據(jù)電力標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5207—2021[1]的術(shù)語，水流中局部壓力降低到水汽化壓力時(shí)，形成水蒸氣氣泡的現(xiàn)象叫空化，水流空化氣泡潰滅時(shí)的瞬時(shí)壓力對(duì)過流邊界表面的剝蝕則稱為空蝕。圖1 為沖磨空蝕破壞的混凝土表面和鋼結(jié)構(gòu)表面。

圖1 沖磨空蝕破壞的結(jié)構(gòu)表面Fig.1 The structure surface after abrasion and cavitation erosion

1 中國(guó)水工結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)狀

對(duì)中國(guó)水工建筑物破壞情況的調(diào)查結(jié)果表明，已建大中型水電工程中有近70%存在沖刷、磨損和空蝕破壞[2]。國(guó)內(nèi)大量泄水工程實(shí)踐表明，平面閘門的門槽、溢流面、水流轉(zhuǎn)彎段、水流突變處、反弧段附近、鼻坎、分流墩、消力墩等部位由于設(shè)計(jì)體形不佳或施工平整度不能滿足設(shè)計(jì)要求而發(fā)生空蝕破壞，占破壞總數(shù)的32.8%[1]。部分泄水建筑物沖磨空蝕的破壞實(shí)例見表1[1]。

表1 部分泄水建筑物沖磨空蝕破壞實(shí)例Tab.1 Some examples of discharge structures damaged by abrasion and cavitation

2 過水水工結(jié)構(gòu)沖磨空蝕的影響因素

水工結(jié)構(gòu)沖磨空蝕的影響因素包括水流流速、沖磨介質(zhì)的種類及其含量、沖磨的角度和設(shè)計(jì)合理性等。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，磨損與沖角關(guān)系曲線是單調(diào)上升的，當(dāng)沖角小于 10°時(shí)，磨損甚微[1]。

表2 是含沙水的不同沙速時(shí)混凝土的有效磨損粒徑[1]，可見流速越大對(duì)結(jié)構(gòu)造成磨損的有效粒徑越小。據(jù)文獻(xiàn)[1]資料統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)某些溢洪道和泄洪洞內(nèi)的最大流速為38.10～51.55 m/s，可得水工結(jié)構(gòu)溢洪道和泄洪洞內(nèi)有效磨損粒徑小于10 μm。

表2 不同沙速時(shí)混凝土的有效磨損粒徑Tab.2 Effective wear particle size of concrete at different sand velocities

泄水建筑物沖磨破壞的實(shí)例調(diào)查[1]表明：受推移質(zhì)水流的沖磨時(shí)，較低的流速即可損壞混凝土基面；受懸移質(zhì)水流的沖磨時(shí)，含沙水流的流速是主要影響因素，水流流速越大，產(chǎn)生磨損的含沙量越低。

3 過水水工結(jié)構(gòu)抗沖磨防空蝕材料

除了水流摻氣措施和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，水工結(jié)構(gòu)抗沖磨防空蝕的措施還包括：采用抗沖磨防空蝕混凝土、抗沖耐磨樹脂砂漿、抗沖磨防空蝕涂料，以及在混凝土表面粘貼抗沖耐磨材料（如高強(qiáng)鋼）等。

抗沖耐磨混凝土是目前過水水工結(jié)構(gòu)的主要抗沖耐磨防空蝕材料（以下簡(jiǎn)稱耐磨材料），其優(yōu)點(diǎn)是整體性好、磨耗層厚度大、易維修、成本低、施工方便等，缺點(diǎn)是與同厚度的有機(jī)耐磨材料比較時(shí)，耐磨性能差?？箾_耐磨樹脂砂漿是目前應(yīng)用較廣的有機(jī)耐磨材料之一，應(yīng)用較多的為環(huán)氧樹脂砂漿，其優(yōu)點(diǎn)是與基體混凝土附著力高、能夠達(dá)到2～3 cm 級(jí)耐磨厚度、耐磨性高，缺點(diǎn)是成本高、施工工藝要求高、砂漿層易空鼓、易開裂和易脫落等。三門峽工程和石棉水電站曾使用鋼板作為磨損鑲護(hù)材料[1]，但普碳鋼材料在水中腐蝕嚴(yán)重，使用前必須采取防腐蝕措施，所以不適合作為水工結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期抗沖耐磨防空蝕材料使用。

而抗沖耐磨防空蝕涂料是一類耐磨性能較好的有機(jī)耐磨材料，其優(yōu)點(diǎn)是材料類型多、配方可調(diào)性高、可以得到不同耐磨性能的涂料，缺點(diǎn)是耐磨涂層厚度一般難以超過20 mm，與同厚度混凝土和耐磨環(huán)氧砂漿相比成本較高。

3.1 水工結(jié)構(gòu)抗沖耐磨涂料的耐磨性能試驗(yàn)方法

涂料的耐磨性測(cè)試有干式和濕式試驗(yàn)方法。干式試驗(yàn)在空氣中開展，目前有旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法（GB/T 1768—2006）（常用試驗(yàn)方法）、落砂法（GB/T 23988—2009）（適合耐磨性能較低涂料的耐磨性能試驗(yàn)）和阿克隆磨耗法（GB/T 1689—2014）（適合可卷曲彈性涂料的磨耗試驗(yàn)）。濕式試驗(yàn)在水中開展，主要參考混凝土的抗水砂沖磨和抗空蝕的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，即DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和DL/T 5207—2021《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》，方法有（高速）水下鋼球法、（高速）圓環(huán)法和旋轉(zhuǎn)射流法，可依據(jù)表3 選擇合適的試驗(yàn)方法[1]。王新等[3]根據(jù)試驗(yàn)工況改進(jìn)了DL/T 5207—2021 規(guī)定的抗空蝕試驗(yàn)設(shè)備。干式法的試驗(yàn)結(jié)果不能與濕式法的直接比對(duì)，但兩種方法耐磨性能優(yōu)劣的趨勢(shì)為正相關(guān)。樹脂抗沖磨涂料的優(yōu)點(diǎn)是黏度小、配方可調(diào)性強(qiáng)、施工方便，缺點(diǎn)是涂層較薄不能厚涂，主要表現(xiàn)為薄涂層在水砂沖磨試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行耐磨性能測(cè)試時(shí)，涂層局部很快出現(xiàn)磨損且顯露底材，從而無法得出準(zhǔn)確的磨耗試驗(yàn)結(jié)果，所以DL/T 5207—2021 中用于混凝土耐磨性能的抗沖磨試驗(yàn)條件不適用于樹脂耐磨涂料的耐磨性能試驗(yàn)。

表3 不同抗沖磨工況的試驗(yàn)方法Tab.3 Test methods under different impact and wear conditions

3.2 水工結(jié)構(gòu)抗沖磨涂料的種類

目前用于水工結(jié)構(gòu)抗沖耐磨的耐磨涂料種類主要是環(huán)氧樹脂耐磨涂料和聚脲耐磨涂料。

3.2.1環(huán)氧樹脂耐磨涂料 由環(huán)氧樹脂清漆，輔以顏料、填料、助劑和溶劑等組成環(huán)氧樹脂色漆。環(huán)氧樹脂涂料是防腐蝕領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣和用量最大的一類樹脂涂料，環(huán)氧樹脂膠有“萬能膠”之稱。

根據(jù)國(guó)際大壩委員會(huì)對(duì)世界上100 座大壩的一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告，用于大壩上游面的合成材料中73%以上是以環(huán)氧樹脂為主的材料，環(huán)氧類復(fù)合材料具有黏結(jié)強(qiáng)度高、力學(xué)性能優(yōu)良及固化收縮率小等特點(diǎn)，環(huán)氧樹脂砂漿、環(huán)氧灌漿材料和環(huán)氧涂料在水工混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)中發(fā)揮重要作用[4]。環(huán)氧樹脂耐磨涂料的體系可以是溶劑型、水性和無溶劑型。

環(huán)氧樹脂的改性是環(huán)氧樹脂耐磨涂料的主要研究方向。周明等[5]和徐雪峰等[6]利用呋喃樹脂的低黏度改性環(huán)氧樹脂，添加耐磨填料和增韌劑改性，為無溶劑改性環(huán)氧樹脂耐磨涂料，耐磨涂層磨耗損失不大于6.0 mg（1 000 g/1 000 r，GB 1768 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法），抗水沙沖磨強(qiáng)度為不小于2.5 h/(kg/m2)（DL/T 5150，圓環(huán)法）；劉成樓等[7]以丙烯酸改性環(huán)氧樹脂為基料，以聚硫橡膠為增韌劑、磷酸鋁鋅為防銹顏料和腰果殼油改性胺為固化劑，以SiC、陶瓷微珠、納米Al2O3為耐磨填料制備的無溶劑環(huán)氧樹脂抗沖耐磨涂料，涂料的磨耗損失為8 mg（1 000 g/1 000 r，旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法）；買淑芳等[8]利用彈性體橡膠與環(huán)氧樹脂的不相容特點(diǎn)研發(fā)了具有“海島結(jié)構(gòu)”的環(huán)氧樹脂耐磨涂層，彈性體在環(huán)氧體系中形成的“海島結(jié)構(gòu)”具有吸能緩沖作用，該耐磨涂層的耐磨性能比普通環(huán)氧及C60 混凝土有較大的提高，“海島結(jié)構(gòu)”環(huán)氧耐磨涂層的抗水沙沖磨強(qiáng)度為3.5 h/(kg/m2)，而C60 高強(qiáng)混凝土的抗水沙沖磨強(qiáng)度為1.8 h/(kg/m2)；鄺亞力等[9]也進(jìn)行了“海島結(jié)構(gòu)”環(huán)氧樹脂抗沖磨材料的研究，其抗沖磨性能試驗(yàn)結(jié)果在49～75 h/(kg/m2)之間（水下鋼球法）。

所以，環(huán)氧樹脂改性的目的是降低涂料的黏度[5-6]、降低環(huán)氧樹脂的脆性即提高環(huán)氧樹脂的柔韌性[7-8]。黏度的降低能更好地滲透進(jìn)混凝土的毛細(xì)孔中形成錨固力以提高附著力，柔性的提高能夠使環(huán)氧樹脂的變形更好地適應(yīng)混凝土的變形。

3.2.2水工結(jié)構(gòu)聚氨酯（脲）耐磨涂料（純）聚脲是由異氰酸酯組分與氨基化合物組分反應(yīng)生成的一種彈性體物質(zhì)。（純）聚脲反應(yīng)速度很快，30 s 表干，60 s 即可承載，所以需要通過專用噴涂機(jī)械，加熱原料以1∶1 體積比的比例瞬間混合噴涂到基面。其耐水性能和耐酸性能優(yōu)于聚氨酯，但配方可調(diào)性不及聚氨酯。聚氨酯（脲）又稱半聚脲，是由異氰酸酯組分與羥基聚醚或羥基聚酯與氨基化合物組分反應(yīng)生成的一種彈性體物質(zhì)，可以通過改變氨基化合物的比例來調(diào)整反應(yīng)速度，反應(yīng)速度介于（純）聚脲和聚氨酯之間。單組分聚脲是以含有多異氰酸酯NCO 官能團(tuán)的預(yù)聚體和/或化學(xué)封閉的多異氰酸酯官能團(tuán)的預(yù)聚體與封端的胺類物質(zhì)、助劑等構(gòu)成的單包裝均質(zhì)黏稠體混合物；其暴露于空氣中，形成交聯(lián)點(diǎn)全部為脲基的高分子聚合物彈性體，固化交聯(lián)過程不產(chǎn)生二氧化碳。

純聚脲技術(shù)于2000 年左右從美國(guó)引進(jìn)到國(guó)內(nèi)。聚脲的主要應(yīng)用范圍是防腐蝕、防水和耐磨等。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)聚脲制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如DL/T 5317《水電水利工程聚脲涂層施工技術(shù)規(guī)程》、JGJ/T 200《噴涂聚脲防水工程技術(shù)規(guī)程》、JC/T 2252《噴涂聚脲用底涂和膩?zhàn)印?、JC/T 2254《噴涂聚脲用層間處理劑》、HG/T 20273《噴涂型聚脲防護(hù)材料涂裝工程技術(shù)規(guī)范》、GB/T 23446《噴涂聚脲防水涂料》、HG/T 3831《噴涂聚脲防護(hù)涂料》、JC∕T 2435《單組分聚脲防水涂料》和為京滬高鐵聚脲應(yīng)用而制訂的《京滬高速鐵路橋梁混凝土橋面噴涂聚脲防水層暫行技術(shù)條件》等。目前市售聚脲分3 類：雙組分快速固化型聚脲、雙組分慢反應(yīng)聚脲和單組分聚脲。

（1）雙組分快速固化型聚脲。最早應(yīng)用于水利工程中的是雙組分噴涂聚脲彈性體，孫志恒等[10]針對(duì)噴涂聚脲彈性體在抗沖磨現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了包括8 套方案的第2 次抗沖磨現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，噴涂聚脲彈性體材料的性能見表4，第2 次試驗(yàn)對(duì)第1 次使用的材料進(jìn)行了改進(jìn)，增強(qiáng)了聚脲彈性體材料的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和耐磨性。表4 對(duì)比了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的材料性能，顯示2 次試驗(yàn)材料的斷裂伸長(zhǎng)率均小于標(biāo)準(zhǔn)要求指標(biāo)，2 種材料的磨耗試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)方法不同，數(shù)據(jù)不可比較。沖磨試驗(yàn)部位為小浪底水利樞紐2 號(hào)排沙洞進(jìn)口部位，該部位流速最大（最大過流流速為40 m/s）、水流條件復(fù)雜、沖刷磨損最嚴(yán)重。第2 次試驗(yàn)中，為了保證聚脲涂層與周圍混凝土的搭接牢固可靠，避免在高速水流沖刷下開口掀起，在與周圍混凝土搭接邊處采用平滑過渡方式。采取的8 套試驗(yàn)方案如下：①底面和側(cè)面大面積噴涂聚脲彈性體材料試驗(yàn)；②底面噴涂聚脲彈性體材料試驗(yàn)；③新老聚脲彈性體材料結(jié)合試驗(yàn)；④ 聚脲彈性體材料老邊封閉試驗(yàn)；⑤表面直接噴涂聚脲彈性體材料試驗(yàn)；⑥混凝土表面采用環(huán)氧樹脂砂漿找平后噴涂聚脲彈性體材料試驗(yàn)；⑦混凝土粗糙面僅打磨處理后噴涂聚脲彈性體材料試驗(yàn)；⑧鋼板表面噴涂聚脲彈性體材料試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土表面和鋼結(jié)構(gòu)表面均可使用噴涂聚脲彈性體進(jìn)行抗沖磨保護(hù)；粗糙的混凝土表面可以不用涂刷界面劑而直接噴涂聚脲材料；邊緣采取平滑過渡的形式則不需要封邊處理；新老聚脲材料之間必須涂刷專用界面劑；對(duì)破損的聚脲彈性體材料進(jìn)行快速修復(fù)，可采用彈性環(huán)氧涂料封邊。

表4 噴涂聚脲材料的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.4 The main technical indexes of spray polyurea materials

（2）雙組分慢反應(yīng)聚脲。雙組分快速反應(yīng)聚脲的優(yōu)點(diǎn)是快速固化、對(duì)環(huán)境中水分不敏感、涂層厚度可達(dá)2 mm 以上。盡管文獻(xiàn)[10]的結(jié)果顯示，在粗糙的混凝土表面可以不用涂刷界面劑即可噴涂聚脲彈性體，但經(jīng)過許多工程實(shí)踐證明，雙組分快反應(yīng)噴涂聚脲的缺點(diǎn)是很難在混凝土表面充分潤(rùn)濕，與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度不高，容易與混凝土表面脫開。如果混凝土的界面劑是溶劑型涂料，則有以下不足：①溶劑還沒完全揮發(fā)即被聚脲覆蓋，在隨后服役過程中的熱脹冷縮作用下，聚脲涂層可能會(huì)發(fā)生空鼓現(xiàn)象；②界面劑的固化需要幾小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間，這就減弱了噴涂聚脲的快反應(yīng)特色；③在界面劑的固化與聚脲的反應(yīng)不同步和線脹系數(shù)存在差異時(shí)，開始反應(yīng)后就會(huì)形成應(yīng)力差異，為后面的脫皮、脫空埋下了隱患。圖2 為現(xiàn)場(chǎng)噴涂聚脲涂層鼓泡和脫落的現(xiàn)象。

圖2 噴涂聚脲涂層的破壞情況Fig.2 Damage of spray polyurea coating

科研人員期望通過降低聚脲的反應(yīng)速度以適應(yīng)涂層對(duì)基底的充分潤(rùn)濕和固化應(yīng)力的釋放等要求。慢反應(yīng)聚脲是將噴涂聚脲的伯氨基聚醚改為活性較低的仲氨基化合物（如聚天冬氨酸酯），其他組成不變。楊偉才等[11]選用由3 種脂肪族仲氨基樹脂組成的復(fù)配體系及少量助劑和顏填料構(gòu)成A 組分進(jìn)行了配方優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)果表明，新型雙組分慢反應(yīng)聚脲的黏度只有1 000～3 000 mPa·s；拉伸強(qiáng)度達(dá)16 MPa 以上，抗沖磨試驗(yàn)采用水下鋼球法，經(jīng)過72 h 的沖磨試驗(yàn)，未涂刷任何保護(hù)材料的C50 混凝土對(duì)比試件質(zhì)量損失達(dá)1.60 kg，而涂刷新型雙組分慢反應(yīng)聚脲材料的混凝土試件質(zhì)量損失小于0.005 kg。這說明材料厚度相同時(shí)，聚脲材料的耐磨性能優(yōu)于混凝土。但該涂料的缺點(diǎn)是市面上可選的仲胺材料較少、配方可調(diào)性差、且與同性能的聚氨酯彈性體涂料相比其材料成本較高。

（3）單組分（手刷）聚脲。在雙組分快速固化聚脲存在不足和雙組分慢反應(yīng)聚脲的研究并不能滿足市場(chǎng)需求時(shí)，單組分聚氨酯涂料的思路被套用到聚脲材料中。單組分聚脲是預(yù)聚體異氰酸酯基團(tuán)與涂料中的封端氨基（涂裝后釋放活性氨基）進(jìn)行反應(yīng)，而不是單組分聚氨酯中的異氰酸酯基團(tuán)與空氣中的水分反應(yīng)。

在水利水電工程上應(yīng)用的單組分聚脲的研究報(bào)道較少。孫志恒等[12]針對(duì)水利水電工程的特點(diǎn)進(jìn)行了單組分聚脲的室內(nèi)試驗(yàn)。單組分聚脲的性能列于表5，表中列入了2 個(gè)單組分聚脲標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的技術(shù)要求。2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定了單組分聚脲材料的抗沖磨強(qiáng)度（DL/T5317 水下鋼球法和JC/T2435 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法），文獻(xiàn)[12]中的單組分聚脲材料的抗沖磨強(qiáng)度為25 h/(kg/m2)（水下鋼球法）。

表5 單組分聚脲的性能Tab.5 Properties of single component polyurea materials

單組分聚脲材料[12]的固含量要求80%以上，其中含有20%的稀釋劑（即有機(jī)揮發(fā)物）。稀釋劑不參與反應(yīng)，在固化過程中揮發(fā)，危害環(huán)境。所以單組分聚脲的缺點(diǎn)是：有機(jī)揮發(fā)物含量高，單組分聚脲厚涂時(shí)很難控制涂層中的氣泡大小和氣泡密度，而涂層里面的氣泡會(huì)成為涂層破壞的源頭（如JC/T 2435 規(guī)定厚涂時(shí)起泡密度2 級(jí)及以下，起泡大小S2 級(jí)及以下）。

3.2.3其他耐磨涂層 曾麗琴[13]研究了沖蝕時(shí)間、沖蝕速度和含沙量對(duì)環(huán)氧瀝青涂料和3 種聚氨酯彈性涂料（1∶1、1∶2、1∶3）的沖磨性能的影響，得出涂層的磨耗損失與沖蝕時(shí)間、沖蝕速度和含沙量呈現(xiàn)正相關(guān)，聚氨酯涂層的抗沖蝕效果要優(yōu)于環(huán)氧瀝青涂層，其中聚氨酯1∶3 涂層的磨蝕量最小，抗沖蝕效果最好。蓋瓊等[14]在某水庫(kù)的溢流面除險(xiǎn)加固時(shí)使用了HK-966 高強(qiáng)度聚氨酯彈性抗沖磨涂料。

4 影響涂料耐磨性能的內(nèi)部因素

前面陳述了基體耐磨性能的外部影響因素：沖磨角度、水流流速、顆粒大小和懸移質(zhì)含量。而影響耐磨涂料耐磨性能的內(nèi)部因素則是樹脂種類、耐磨填料的種類、粒徑分布、填料的含量等。試驗(yàn)室內(nèi)水沙沖磨空蝕環(huán)境下，磨耗產(chǎn)生的熱量會(huì)使水溫升高，有機(jī)材料表面會(huì)發(fā)軟，降低材料的耐磨性能；但實(shí)際環(huán)境下，水砂沖刷磨耗產(chǎn)生的熱量很快被水帶走，樹脂不會(huì)因溫度升高而變軟，所以無需考慮材料表面溫度對(duì)耐磨性能的影響。

4.1 耐磨樹脂的硬度和變形能力的影響

環(huán)氧樹脂的改性和三類聚脲樹脂的發(fā)展歷程表明，樹脂是涂料的黏結(jié)體和載體，是保證耐磨涂料耐磨性能的根本，環(huán)氧樹脂和聚脲材料的耐磨機(jī)理不同。環(huán)氧類耐磨涂料屬于表面硬度很高的涂料，基本沒有彈性變形的能力，不加增韌劑改性的環(huán)氧樹脂耐磨涂料質(zhì)脆易隨著混凝土的開裂而開裂，而聚脲類耐磨涂料扯斷伸長(zhǎng)率可達(dá)200%以上，表面硬度較低，質(zhì)軟有彈性，可追隨混凝土的裂縫變形而不開裂，所以耐磨涂料抗沖磨防空蝕的機(jī)理是硬表面耐磨和軟表面耐磨。

表6 為幾種材料的彈性模量、泊松比和硬度（表中數(shù)據(jù)為近似值）?？梢钥闯?，彈性模量與維氏硬度呈正相關(guān)，而其與泊松比呈負(fù)相關(guān)。橡膠的磨耗主要為磨損磨耗、卷曲磨耗和疲勞磨耗3 種形式，塑料磨耗主要為黏著磨耗、磨粒磨耗、疲勞磨耗和蠕變磨耗4 種。橡膠與塑料的磨耗性能與材料的拉伸強(qiáng)度、定伸應(yīng)力、撕裂強(qiáng)度、疲勞性能及黏彈性能等有關(guān)。表6 中橡膠的彈性模量和維氏硬度最小和泊松比最大，環(huán)氧樹脂的彈性模量是C20 混凝土的1/25、鋼的1/210。

表6 幾種材料的彈性模量、泊松比和硬度Tab.6 Elastic modulus,Poisson’s ratio and hardness of several materials

聚脲彈性體屬于橡膠類，有彈性變形（斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)300%以上）和較高的撕裂強(qiáng)度（40 N/mm 以上），所以在水砂沖磨環(huán)境下可以部分吸收沙粒對(duì)表面的沖擊能和水中空氣泡的破滅能，沙粒造成橡膠拉伸卷曲時(shí)，在極限拉伸范圍內(nèi)，橡膠不會(huì)被破壞，超過極限拉伸時(shí)會(huì)造成橡膠撕裂而形成卷曲的橡膠條。

環(huán)氧樹脂固化形成熱固性塑料，環(huán)氧樹脂質(zhì)硬且脆，具有較小的泊松比，基本不吸收水砂沖磨的沖擊能和水中氣泡的破滅能，主要是磨耗磨損機(jī)理和蠕變機(jī)理，純環(huán)氧樹脂由于是硬質(zhì)高分子，其耐磨性能不高。未加任何填料的純環(huán)氧樹脂清漆的耐磨性能為磨耗損失109.4 mg（1 000 g/1 000 r，旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法）[15]，磨耗損失遠(yuǎn)大于添加耐磨填料后的環(huán)氧樹脂涂層。環(huán)氧樹脂必須添加硬度高和耐磨性能優(yōu)異的SiC 等填料與環(huán)氧樹脂形成整體，依靠硬質(zhì)填料和硬質(zhì)樹脂提高耐磨性能，所以環(huán)氧樹脂耐磨涂料是硬耐磨。

4.2 耐磨填料種類和添加量的影響

4.2.1填料種類的影響 微米級(jí)填料的硬度直接影響涂層的耐磨性能，表7 為微米級(jí)硬質(zhì)填料對(duì)環(huán)氧樹脂涂層的耐磨性的影響。由表7 可見，涂層的磨耗損失（1 000 g/1 000 r，旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法）與彈性模量及維氏硬度成負(fù)相關(guān)，硬度越高，耐磨性能越好。

表7 微米級(jí)填料對(duì)環(huán)氧樹脂涂層耐磨性能的影響Tab.7 Effect of micron fillers on wear resistance of epoxy coating

耐磨涂料中的填料除了采用通用的石英砂、金剛砂和碳化硅等微米級(jí)填料外，還有添加納米Al2O3和石墨烯等具有特殊性能的填料。納米級(jí)填料除了具有納米的特性外，還有填充微米級(jí)填料空隙起到提高耐磨性能的作用。錢文勛等[15]利用納米粒子的小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、銀紋效應(yīng)和滾珠效應(yīng)，將納米SiO2/A12O3/ZrO2與微米尺寸的耐磨填料SiC 復(fù)合來提高環(huán)氧樹脂涂料的耐磨性能，試驗(yàn)結(jié)果列于表8。結(jié)果顯示，納米粒子顯著改善了耐磨涂料的耐磨性能，最佳耐磨性能可達(dá)4.8 mg（1 000 g/1 000 r，旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法）。

表8 納米材料對(duì)環(huán)氧樹脂耐磨涂料的耐磨性能的影響Tab.8 Effect of nano materials on wear resistance of epoxy resin wear resistant coatings

杜恒[16]研究了填料中搭配氧化石墨烯（GO）材料對(duì)涂料的耐磨性能的影響（圖3），利用氧化石墨烯的薄膜性能、納米小尺寸效應(yīng)、潤(rùn)滑效應(yīng)，結(jié)果顯示氧化石墨烯與其他耐磨填料進(jìn)行復(fù)混后，在添加量0.50%以下時(shí)，氧化石墨烯的添加對(duì)涂料的耐磨性能提高非常明顯。

圖3 氧化石墨烯添加量對(duì)涂層耐磨性的影響Fig.3 Effect of graphene oxide addition content on abrasion resistance of coating

4.2.2填料與樹脂比例的影響 耐磨填料的添加量是涂層耐磨性能的重要影響因素之一[9,12]。杜恒[16]對(duì)比了無溶劑環(huán)氧樹脂耐磨涂料和水性環(huán)氧樹脂耐磨涂料，研究了耐磨填料的種類、粒徑分布、填料的含量對(duì)涂層耐磨性的影響，認(rèn)為為了保證涂料優(yōu)異的耐磨性能，應(yīng)選擇剛性大和耐磨性好的填料、合適的粒徑分布和合適的填料添加量。圖4 是顏基比對(duì)涂層耐磨性的影響試驗(yàn)結(jié)果，圖3 和4 的試驗(yàn)方法均為旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法（1 000 g/1 000 r）[16]，可見填料在涂料中的比例存在最佳值。

圖4 顏基比對(duì)涂層耐磨性的影響Fig.4 Effect of filler/resin ratio on abrasion resistance of coating

5 抗沖磨防空蝕涂料在水工結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

環(huán)氧樹脂耐磨涂料2010 年前在水利工程上得到廣泛應(yīng)用，如新疆烏魯瓦提水電站沖沙洞、泄洪洞和發(fā)電洞[5-6]；貴州東風(fēng)大壩中中孔泄洪洞[17]；南松山河口水電站引水隧洞[18]；福建水東電站溢流面[14]等。

雙組分噴涂聚脲2010 年前在水利工程上也得到廣泛應(yīng)用，如浙江新安江水電站溢流面左邊墻挑流鼻坎[19]、山西黃河龍口水利樞紐泄水底孔溢流面[20]、黑龍江尼爾基水利樞紐水輪機(jī)蝸殼[21]、小浪底水電站2 號(hào)排沙洞[10]等。雙組分慢反應(yīng)聚脲的研究和應(yīng)用較少，SK 雙組分慢反應(yīng)聚脲2015 年應(yīng)用于山西省禹門口灌區(qū)汾南泵站出水口消力池和2016 年應(yīng)用于內(nèi)蒙古察爾森水庫(kù)電廠尾水消力池工程上[11]。文獻(xiàn)公開的應(yīng)用單組分聚脲的材料多是SK 單組分聚脲，如龍羊峽水電站表孔溢洪道[22]、青海李家峽水電站左底孔泄水道[12]、吉林白山水電站溢流面[12]等。

綜上所述，耐磨涂料在水工結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用部位主要為沖沙洞、泄洪洞、發(fā)電洞、引水隧洞、溢流面、消力池等，2010 年以前以環(huán)氧樹脂耐磨涂料和快速固化噴涂聚脲耐磨涂料為主，2010 年以后則是單組分手刷聚脲為主，少部分工程使用了慢反應(yīng)雙組分聚脲耐磨涂料。根據(jù)在工程上應(yīng)用耐磨涂料的經(jīng)驗(yàn)，由于環(huán)氧樹脂耐磨涂層厚度較?。ㄒ话?00 μm 以下），在高速水流的作用下環(huán)氧樹脂涂層很快被磨損而露出基材。由于聚脲涂層的彈性和撕裂強(qiáng)度較大，在高速水流作用下，涂層如果與基底附著不牢，則涂層可能會(huì)整體起皮脫空、翻卷或撕裂?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，如聚脲涂料的材料配比不正確、涂裝環(huán)境掌握不好、涂裝工藝存在瑕疵，則涂層可能發(fā)生局部鼓泡的現(xiàn)象。

6 結(jié)語

根據(jù)目前水利水電工程抗沖耐磨涂料的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀，由于耐磨涂料（不含環(huán)氧樹脂砂漿）的薄涂（涂層厚度在2 mm 以下）性能，用于水利水電工程的耐磨涂料的長(zhǎng)期耐磨性能還不能滿足工程需要，仍然需要繼續(xù)進(jìn)行研究。同厚度比較了環(huán)氧樹脂類涂料、聚脲類涂料和混凝土的抗沖磨試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂類耐磨涂料的耐磨性能（旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法，磨耗損失2.1 mg[16](1 000 g/1 000 r))優(yōu)于聚脲彈性體（旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法，磨耗損失≤40 mg(750 g/750 r))，混凝土的抗沖磨性能最低（C60 混凝土的抗沖磨強(qiáng)度為0.17 h/(kg/m2)，聚脲彈性體的為≥25 h/(kg/m2))[12]?？梢娔湍ネ苛希ú缓h(huán)氧樹脂砂漿）比耐磨混凝土的性價(jià)比低，因此建設(shè)方在采用耐磨涂料時(shí)比較慎重。建議水工結(jié)構(gòu)抗沖磨防空蝕材料的下一步研究方向是：較高耐磨性能的聚合物耐磨砂漿或聚合物耐磨混凝土、可厚涂（涂層厚度大于2 mm）的環(huán)境友好高彈性高附著力耐磨涂料，以及水工結(jié)構(gòu)抗沖磨防空蝕耐磨涂料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定等。