改性環(huán)氧砂漿抗沖磨材料性能研究

張振忠，汪在芹，陳 亮

(長江水利委員會長江科學(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

(長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北武漢430010)

沖磨破壞是水工建筑物常見的破壞形式之一，環(huán)氧樹脂基材料是常用的抗沖磨防護(hù)和修補材料。針對西部高寒地區(qū)高紫外輻射的環(huán)境特點和抗沖磨材料實際工況，通過試驗研究了改性環(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)氧砂漿長期抗拉強度大于17 MPa，216 h抗沖磨強度(水下鋼球法)達(dá)1 090.03 h/(kg/m2)，1 440 h紫外加速老化試驗后，抗拉強度和斷裂能保留率分別為82.25%和96.90%。試驗數(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。

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)多的過流面。磨蝕破壞一般面積較大，并具有一定的連續(xù)性[1]?？瘴g破壞是空化氣泡在過流面或其附近潰滅時，對結(jié)構(gòu)表面造成破壞?？栈瘹馀轁鐣r產(chǎn)生的沖擊壓力非常大，約7 000個大氣壓[2]，在開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，均有可能發(fā)生空蝕現(xiàn)象[3]?？瘴g破壞通常發(fā)生在過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]。沖刷破壞是動水壓力和脈動壓力對抗沖磨材料造成的破壞，是一個長期的過程。沖刷破壞一般破壞面積比較大，嚴(yán)重影響過水建筑物的安全運行[5]。沖磨破壞輕者造成過流面材料局部破壞，影響過流建筑物運行，重者造成過流面大面積破壞，影響過流建筑物結(jié)構(gòu)安全[5]。對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)過流面，以提高水工建筑物的耐久性。環(huán)氧樹脂基抗沖磨材料抗沖磨強度高，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)和修補材料[6- 9]。但是，環(huán)氧樹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)行水利水電開發(fā)，與內(nèi)地相比，西部高寒地區(qū)顯著的特點是嚴(yán)寒干燥、日溫差大、紫外線輻射強烈[10- 11]，給環(huán)氧樹脂基抗沖磨防護(hù)和修補材料的耐久性提出了更高的要求。研究環(huán)氧樹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，針對西部高寒地區(qū)環(huán)境特點，通過試驗研究材料的力學(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。

1 試驗方法與設(shè)備

1.1 抗拉強度和斷裂能測試

抗拉強度和斷裂能測試參考GB/T 2567—2008《樹脂澆筑體性能試驗方法》。拉伸試驗采用啞鈴型試件，使用日本島津AG-IC型萬能試驗機測試試件的抗拉強度和斷裂能，室溫條件下測試速度為2 mm/min。

1.2 沖磨試驗

參考SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》中水下鋼球法抗沖磨試驗，沖磨試件采用已經(jīng)測試過的混凝土試件。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。根據(jù)規(guī)程要求，72 h為1個試驗周期。

1.3 紫外加速老化試驗

采用與抗拉強度實驗相同的啞鈴型試件。參考GB/T 18244—2000《建筑防水材料老化試驗方法》中人工加速老化(熒光紫外-冷凝)試驗方法，使用美國翁開爾公司生產(chǎn)的QUV紫外加速老化試驗機進(jìn)行紫外加速老化試驗，紫外光輻照強度為0.6 W/m2，老化溫度為60 ℃，720 h為1個加速老化周期。

1.4 掃描電子顯微鏡

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

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗拉強度試驗

抗拉強度是抗沖磨材料的重要力學(xué)指標(biāo)，試驗測試了改性環(huán)氧砂漿不同齡期的抗拉強度，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)抗拉強度迅速增長，并且在第7天達(dá)到最大值18.78 MPa，而28天齡期的抗拉強度略有降低，為17.97 MPa，之后材料的抗拉強度保持不變。因此，實際應(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度關(guān)系

2.2 沖磨試驗

工程中溢流壩、水閘等過水建筑物通常是間歇性過水，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，對改性環(huán)氧砂漿進(jìn)行了3個周期的沖磨試驗，每個沖磨試驗周期后沖磨試件的質(zhì)量如圖2所示，每個沖磨周期后試件外表見圖3。

圖2 沖磨試件質(zhì)量與沖磨時間關(guān)系

圖3 沖磨試驗試件照片

分析沖磨試件質(zhì)量變化發(fā)現(xiàn)：改性環(huán)氧砂漿前一個試驗周期質(zhì)量損失量較大，而后2個試驗周期質(zhì)量損失逐漸減小，并趨于穩(wěn)定；3個試驗周期過后，改性環(huán)氧砂漿的質(zhì)量損失僅為14 g，抗沖磨強度高達(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個沖磨周期后沖磨試件表面并沒有大的變化，與質(zhì)量損失趨勢一致。第1個周期是磨合期，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)氧砂漿沖磨試驗前后的SEM照片，如圖4所示。由圖4可知，沖磨試驗前試件表面完整，可以看見散落的填料，無裂紋、凹坑；而沖磨試驗后試件表面支離破碎，布滿剝蝕坑和裂紋。兩者對比可以得出：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

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)一個突出的特點是紫外線輻照強度高，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。

對改性環(huán)氧砂漿抗沖磨材料進(jìn)行2個周期(1 440 h)的紫外加速老化試驗，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紫外加速老化試驗后，試件形貌基本沒有變化，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間照片

抗拉強度是環(huán)氧樹脂基材料重要的力學(xué)性能，同時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從開始到試件斷裂過程中外力對試件做的功，也叫斷裂功，能綜合反映材料的韌性。試驗使用抗拉強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紫外加速老化試驗后，抗拉強度有所下降，但是保留率仍高達(dá)82.25%；整體韌性幾乎沒有下降，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)境特點和抗沖磨材料的實際工況，對改性環(huán)氧砂漿的抗拉強度、反復(fù)抗沖磨性能和耐紫外老化性能進(jìn)行了試驗研究。試驗結(jié)果表明：①改性環(huán)氧砂漿的長期抗拉強度在17 MPa以上，自然養(yǎng)護(hù)條件下7天達(dá)到服役強度。②改性環(huán)氧砂漿沖磨試驗過程中，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沖磨試驗測得抗沖磨強度(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紫外加速老化試驗后，抗拉強度和斷裂能保留率分別為82.25%和96.90%。綜合分析試驗數(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(201301023)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51579019)；中國華能總部科技項目(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