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水工混凝土抗冲耐磨防护技术研究进展

来源:个人技术集锦
水利水电技术第45卷2014年第2期 水工混凝土抗冲耐磨防护技术研究进展 黄微波,胡 晓,徐菲 (中国聚脲技术研发中心,山东青岛 266033) 摘要:简要介绍了抗冲耐磨混凝土和钢板衬护等现有水工混凝土抗冲耐磨技术,阐述了喷涂聚脲弹 性体技术应用于水工建筑物防护的可行性和优越性。工程应用表明,聚脲材料具有优异的抗冲耐磨性 能、良好的复杂环境适应性、超强的耐老化性能以及便捷的施工性能等特点,使其成为解决水工混凝 土磨损和空蚀问题的有效手段。 关键词:水工建筑物;聚脲材料;抗冲耐磨;抗空蚀 中图分类号:TV49 文献标识码:A 文章编号:1000。0860(2014)02—0061.04 Research progress of protection technologies for scour-abrasion resistance of hydraulic concrete HUANG Weibo,HU Xiao,XU Fei (R&D Center of Pure Polyurea in China,Qingdao 266033,Shandong,China) Abstract:The existing protection technologies of scour and abrasion resistance concrete,steel plate lining,etc.for hydraulic concrete are briefly described herein,while the feasibility and advantage of the application of the spray polyurea elastomer tech— nology to the protection of hydraulic structures are expatiated as wel1.The application to the actual engineering case shows that the polyurea material has the characteristics such excellent performance of scour and abrasion resistance,better adaptability to complicated environment,super—strong ageing—resistant performance,convenient workability,etc.,which make it become an effective approach to solve the problems from scour,abrasion and cavitation of hydraulic concrete. Key words:hydraulic structures;polyuria materials;scour—abrasion resistance;cavitation resistance 1 引 言 磨损冲击与空蚀破坏是水利水电设施如水工泄水 建筑物等的常见病害之一,尤其是当水流流速较高、 水流中挟带沙石等磨损介质时,这种破坏更为严重。 上述问题的存在严重影响了水工建筑物的安全运行及 效益的发挥。 重点阐述聚脲技术在水电行业抗冲耐磨防护领域的 可行性和优势。 2水电行业抗冲耐磨技术现状 2.1 混凝土抗冲耐磨技术 在悬移质和推移质泥沙的冲磨作用下,混凝土 组成材料中抗冲耐磨性能较差的部分将首先被磨 掉,抗冲耐磨性能较强的部分则凸现出来,并承受 较多的冲磨作用…。提高混凝土内各组分的抗冲耐 磨性能及其所占比例,改善各组分之间的界面结合 国内外学者对高速水流的磨蚀和破坏以及水利 水电设施维护的研究已有几十年历史,所涉及的抗 冲磨材料品种很多。研究表明,除了应用抗冲耐磨 性能突出的混凝土,还应当具有一定的抗冲耐磨防 护措施;同时泄水建筑的防护材料不能一味追求高 强度,还应提高材料的韧性,提高其抵抗温度、湿 度变化的能力,提高其对基层混凝上的粘结力等, 状况,都有利于混凝土抗冲耐磨性能的提高 J,其 中水泥品种与骨料品种是影响混凝土抗冲耐磨性能 的主要因素。 使其成为混凝上表面抗高速水流冲磨破坏的保护 层。本文简单介绍了水电行业常用抗冲耐磨技术, WaterResources andHydropowerEngineering Vo1.45No.2 收稿日期:2013.07—14 作者简介:黄微波(1963一),男,教授,博士。 61 黄微波,等∥水工混凝土抗 中耐磨防护技术研究进展 (1)硅粉混凝土。硅粉混凝土具有较高的抗压强 度,良好的抗磨性能及防渗和低热等性质。湖南鱼潭 大坝、白石水库和美国肯尤阿坝消力池都曾应用硅粉 混凝土,以抵抗高速含砂洪流的冲磨作用。目前在工 程中应用较为普遍。 (2)聚丙烯纤维混凝土。与普通}昆凝土相比较, 聚丙烯纤维混凝土的脆性指数和弹性模量降低,极限 拉伸变形增大。这些特征有利于提高混凝土的延性, 改善混凝土变形性能,进而有效地约束混凝土裂缝的 扩展,提高混凝土开裂后的承载能力。李光伟等 试验发现,掺0.6 kg/m’聚丙烯纤维时,混凝土的抗 冲磨强度可提高37%~40%。Mindess等 研究表 明,当聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/m 、0.9 kg/m。和 1.2 kg/m ,与水泥用量相同的普通高强混凝土相比, 抗冲磨强度分别提高了33%、49%和58%。聚丙烯 纤维混凝土能耐酸、碱、盐等化学腐蚀,比重小、成 本低,能有效地抑制混凝土的塑性裂缝,改善混凝土 的抗冲磨、抗渗、抗冻等性能,在水利工程中应用较 多。 (3)铁钢沙混凝土。铁钢沙混凝土最初被用于火 电厂输煤溜槽护面,近年来以其优异的物理力学性能 和较高的抗磨损抗冲击性能,在工程上的应用范围日 益扩大。如漫湾水电站1 导流洞进口段底板和底部 边墙衬护,宝珠寺水电站水垫塘底板等工程,应用铁 钢沙混凝土或沙浆作表面抗磨层材料,均获得了较满 意的效果。铁钢沙作为骨料其硬度远远高于普通天然 砂石的硬度。铁钢沙混凝土的抗拉压强度大,干缩率 小,抗冲击强度也较高,其抗冲耐磨性能随着强度的 增加而加强。铁钢沙混凝土还克服了一般抗冲耐磨混 凝土早期强度低的缺点,避免因寒潮或干缩等引起的 裂缝 。 (4)HF抗冲耐磨混凝土。HF混凝土是一种符合 以防为主、兼顾优良的抗磨抗空蚀性能,又能够满足 高速水流脉动压力和动水压力作用,保持自身稳定要 求的新型护面材料。HF混凝土胶凝材料与骨料之间 结合力的提高,其两者强度差异减小,混凝土形成一 个相对的均质材料体,不易产生应力集中破坏。由于 HF混凝土强度的提高,抗蚀性能增强,在空蚀和磨 损作用下,整个表面基本上被均匀磨损,形成比较光 滑的表面,不会出现因胶凝材料和砂浆被磨掉,骨料 外露引起空蚀破坏而导致的再生不平整度 J。因此, HF混凝土具有良好的抗冲耐磨、抗空蚀的性能。HF 混凝土曾应用于2002年在二滩泄洪洞护面工程,效 果良好 上述混凝土的抗冲耐磨性能较普通混凝土有显著 提高,但在工程应用过程中,依然存在各自的问题。 硅粉混凝土存在施工困难、易产生蜂窝麻面、表面平 整度差以及裂缝严重l 7 3等问题。聚丙烯纤维混凝土 难以搅拌均匀,容易结团,并且对混凝土的干缩裂缝 和温度裂缝的改善效果不大。铁钢沙混凝土的缺点是 用水量大,水泥用量高,和易性差,泌水现象明显, 施工性能差。HF混凝土也存在和易性差等问题。 在我国利用特殊混凝土作为抗冲磨、抗空蚀修补 材料或护面材料的研究和工程应用中,还先后出现了 呋喃混凝土、环氧混凝土、高纤维混凝土、高强混凝 土、聚合物砂浆等材料,这些材料也仍然存在不少问 题。例如,在树脂混凝土方面,呋喃混凝土、环氧混 凝土造价较高,施工不便,一般只作为填坑、修补材 料试用,而用作大面积护面材料尚缺乏研究与实践。 另外,其使用效果在不同工程中也不尽相同,与施工 工艺、施工条件等有很大关系。此外,高强混凝土和 钢纤维混凝土虽然造价比树脂混凝土低,施工也较方 便,但由于水泥用量大等原因,施工质量难于控制, 不能达到预期效果,其抗磨损、抗空蚀性能不够理 想。 2.2钢板衬护技术 钢板衬护是充分利用钢材的拉、压、弯、剪各项 力学性能好的特点,将其镶护在建筑物表面。工程应 用证明,在以抗推移质冲磨为主的建筑物上钢材的作 用是突出的,但钢材的价格较高,施工的质量要求也 较严,一般用在工程的主要部位并且是检修困难或极 易破坏的部位。部分工程钢板被砸坏、撕裂、冲走, 通常发生在焊接处或灌浆不密实处。所以施工时应把 好质量关,对焊缝焊接必须牢固,并且须和其他构件 连接成整体。采用钢板耐磨材料需要较多的锚杆型钢 等固定钢材,钢板与基层混凝土之间的空腔必须采用 回填灌浆填实,施工技术难度相对较高。映秀湾水电 站的抗磨钢板就曾发生过钢板被卷起冲走的事故,修 复相当困难。 因此应用钢板衬护混凝土要解决钢板与混凝土的 结合问题。此外由于价格昂贵,只能作局部衬护;对 振动敏感,高空蚀区不宜采用;易受疲劳而断裂是钢 板护材的弱点。 3纯聚脲技术 传统的水工混凝土抗冲耐磨材料或多或少存在 各自的应用局限性。为解决或减缓水利水电设施的 抗冲磨和气蚀破坏问题,目前主要从两个方面考 水利水电技术第45卷2014年第2期 虑:一方面继续研究高强度、高性能混凝土的应用 技术;另一方面是采用新型有机高分子复合材料抗 冲磨技术,利用特种高分子材料的高强度、高韧性 特点,“以柔克刚”来解决高速含沙水流的冲击磨 损。 聚脲就是一种具有高强度和高韧性的弹性体材 料,这种新型材料因抗磨蚀、耐老化、抗腐蚀、抗冲 击及独特的施工性能为人们所关注。20世纪90年代 中期,国内黄微波教授率先成功研发聚脲技术,该技 术已在黑龙江尼尔基水电站蜗壳、北京三家店拦河 闸、广东鹤山拦河闸、山西龙口水电站、怀柔水库西 溢洪道闸墩、北京黄松峪水库溢洪道闸墩、浙江富春 江水电站船闸、云南小湾水电站高拱坝上游面防渗、 景洪水电站厂房顶防渗、西藏雪卡水电站放水洞、青 海拉西瓦水电站底孔等工程中应用,效果良好。相较 于其他抗冲耐磨防护材料,聚脲的优越性主要体现在 以下几个方面。 3.1抗冲耐磨性能 聚脲优异的抗冲击、耐磨损及耐高速水流冲刷的 功能,能有效阻止高速含泥沙水流的冲蚀、磨损对水 工混凝土的破坏,可大大提高水利设施的耐久性。中 国聚脲技术研发中心的研究结果表明:(1)纯聚脲在 高速(40 m/s)含泥沙(10%)水流冲刷的磨损率小于 0.027 g/(eln ・h),是C60高强混凝土的l5倍; (2)纯聚脲耐高速水流气蚀能力是环氧树脂的130 倍。 中国聚脲技术研发中心在小浪底水库2 排沙洞 采用基层找平、边界平滑过渡的纯聚脲试验,是所有 参加试验单位中,唯一保留至今的纯聚脲抗冲耐磨成 功案例。 3.2对复杂环境的适应性 我国的水工建筑大量分布于环境恶劣的西南和西 北地区。这两个地区海拔较高,气候环境复杂,加上 水利设施作业具有的高难度,给防护材料的施工带来 了极为严峻的考验。 聚脲施工对水分、湿度不敏感,施工时受环境温 度和湿度的影响小。聚脲材料极高的温度和湿度适应 性使其在复杂的环境下能够形成性能稳定可靠的涂 层;在水电大坝的施工基材存在高落差、陡坡、施工 作业面不规则等固有因素,以及可能面I临下雨、刮 风、结露、潮湿等情况下,配合使用配套的基材处理 系统,对混凝土基材的附着力仍能达到2.5 MPa以 上 J,并且随着服役时间的延长,与水工建筑物的 附着力保持良好,甚至还会增大。 水利水电技术第45卷2O14年第2期 黄微波,等∥水工混凝土抗)中耐磨防护技术研究进展 3.3技术优势 聚脲施工采用专用的高温高压撞击式混合设备喷 涂,材料瞬间固化成膜,一次施工即可达到厚度要 求,连续施工形成无接缝的弹性体防护材料,施工便 捷。聚脲喷涂后可在任意曲面喷涂成型而不产生流 挂,5 S凝胶,1 train即可达到步行强度 J,较手刮聚 脲或其他刮涂型护面材料更能满足大坝快速蓄水的需 要。 3.4其他性能 聚脲材料对自然光照、冻融、温度交变等因素 具有优异的耐受性。黄微波¨叫等通对经过人工加速 老化15 000倍的聚脲样片进行理化性能测试和红外 光谱分析,发现材料的力学性能并未发生大的变 化,紫外线的照射仅仅使聚脲表面失光,而对聚脲 内部结构和大分子链段并未产生破坏。Dudley J Primeaux… 也通过加速试验预计聚脲的寿命在75 年以上,中国聚脲技术研发中心的相关研究结 果 -15]也证实了这一点。吕平等¨ 研究发现经历 温变后的SPUA涂层的强度并不会低于温度交变前 的涂层强度。李志高等 研究发现聚脲涂层的防渗 性能及自身抗冻性能很好,对混凝土表现出很高的 抗冻融性能,经历600次冻融循环后表面完好无 损,质量损失和相对动弹性模量几乎不变,可以确 保混凝土长期在复杂环境下的服役年限,有效提高 了水利混凝土耐久性。 此外,聚脲的超弹性赋予了该材料优秀的抗开裂 性能,对于混凝土坝面的裂缝以及裂缝扩展具有良好 的抑制效果。在背水压力情况下,聚脲涂层同样能保 持良好的抗渗性。聚脲涂层不产生和其他有机挥发 物,节能环保,是真正的绿色产品。 4结论 因水流、砂石及自然环境中其他因素的多重耦 合作用,水工泄水设施的正常使用和服役安全受到 威胁。为确保水工泄水设施安全稳定地运行,水流 和介质冲刷重点部位材料的选择和应用十分关键。 在传统的材料不能完全解决水利水电设施尤其是水 工泄水建筑物的磨损和空蚀问题的情况下,喷涂聚 脲作为一种抗冲击、耐磨损、耐高速水流冲刷、综 合性能优异、施工方便的新型防护材料,能够为提 高水工泄水建筑物的安全性和耐久性提供重要保 障,是水利水电行业抗冲耐磨防护领域的一项创造 性突破。 (下转第67页) 徐瑶,等∥混凝土温度场反分析典型算法对比研究 计算出的特征点温度历时曲线与特征点实测温度历时 土温度场反分析算法方面提供指导。 曲线最贴近,几乎和计算值重合。而遗传算法的效果 要稍差一些。通过遗传算法反算出的各特征点最高温 参考文献: 度值均高于实测温度值,平均高了近0.5 oC,最高温 黎军.水工结构施工期混凝土温度场反分析及其应用[D].南 度到达的时间也略有延后。至于模拟退火法,其计算 京:河海大学,2002. 的精度就更加差了一些,因为它是靠着不断地在可行 [2] 徐果明.反演理论及其应用[M].北京:地震出版社,2003, 1.5. 解空间的扰动来比较、搜索最优解,找到最优解有一 [3] 吕爱钟,将斌松.岩石力学反问题[M].北京:煤炭工 出版 定的概率性,而且其寻优的能力在温度下降时也有所 社.1998:7—12. 下降。而本程序中为了节约计算时间,采取了快速地 [4] 朱伯芳.混凝土绝热温升的新计算模型与反分析[J].水力发 退火降温,故其计算的结果是三种算法中精度最差 电,2003,29(4):29—34. 的。 [5] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国 电力出版社,1998:8—16. 3结论 [6] Metropolis N,Rosenbiuth A,Rosenbiuth M,et a1.Equation of state calculation by fast computing machines[J].Journal of Chemi— (1)混凝土热力学参数反演分析最终可以转化为 cal Physics,1953(21):1087—1092. 一个求目标函数最小值的优化问题。本文引入模拟退 [7] Goldberg D E.Genetic algorithms in Search,optimization anf ma— 火法、遗传算法、微粒群算法等三种常见的反分析算 chine learning[M].Addison—wesley Publishing Company,1989. 法,并结合混凝土温度场和应力场三维仿真理论,编 [8] 邢文训,谢金星.现代优化计算方法[M].北京:清华大学出 版社,2005:114. 制了相应的计算程序。 [9] Holland J H.Adaptation in naturla and artiifcila systems[M].MIT (2)通过算例表明,这三种算法在用于混凝土温 Press,1975. 度场的反分析中是可靠的,可以用于混凝土热力学参 [10] Lin J Y,Cheng T F.Numerical estimation of thermal conductivity 数的反分析。通过对比三种算法在反演结果可知,就 from boundary temperature measure—ments[J]Numerical Heat Trans- 计算精度和效率而言,微粒群算法最佳,遗传算法其 fer,1997,32(A):187—203. 次,模拟退火法最低,这一结论可为今后在选择混凝 (责任编辑陈小敏) (上接第63页) [1O] 黄微波,谢远伟,胡晓,等.海洋大气环境下纯聚脲重防腐涂 层耐久性研究[J].材料导报,2013,27(3):23—26. 参考文献: Dudley J Primeaux.Polyurea elastomer technology:history.chem- 何真.高性能抗冲磨混凝土的研究[D].湖北:武汉工业大学 istyr&basic formulating techniques[c]//Proceedings of the 9th PDA annual conference,2008. 材料科学与_T程学院,1999. [2] 何真,胡曙光,梁文泉,等.水工混凝土磨蚀磨损的研究[J]. [12] 吕平,陈国华,黄微波.聚天冬氨酸酯聚脲涂层加速老化行为 硅酸盐学报,2008,28(z1):78—8O. 研究[J].四川大学学报,2007,39(2):92—97. [3] 李光伟,杨元慧.聚丙烯纤维混凝土性能的试验研究[J].水 [13] Weibo Huang,Ping Lv.Dependence of dynamic mechanical proper- ty and morphology of polyaspartic esters based polyurea on curing 利水电科技进展,2001,21(5):l4—16. [4] Chen L,Mindess S,Morgan D R,et a1.Comparative toughness temperature[J].Polymer materilas science and engineering,2010, testing of fiber reinforced concrete[C].Testing of Fiber Reinforced 26(3):72—74. Concrete,1995. [14] Weibo Huang,Ping Lv,Jing Zhang,et a1.Properties of aliphatic [5] 马耀.福堂水电站拦河闸坝铺盖及护坦的抗冲耐磨材料研究 polyurea coated concrete under salt fog exposure[J].Advanced ma— [J].水电站设计,2004,20(2):25—29. terials research,2011,168:1010-1015. 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