西霞院电站基于高含量推移质水流工况下环氧砂浆修复材料优化研究

谢宝丰，梁国涛，刘焕虎

（黄河水利水电开发集团有限公司，河南省济源市 454681）

黄河流域水流含沙量大，水流中挟带大量推移质，包括比较粗的砂砾石颗粒，以及在水流推动作用下前移的较大粒径块石等[1]。推移质以滚动、滑动、跳跃的方式移动，其破坏力比悬移质更大，往往能对水工泄洪建筑物造成功能性损坏[2]。大中型水利枢纽的泄水和输水建筑物，常处于流速快、大流量、高水头的工况下，水流对水工建筑物混凝土破坏形式主要有三种，一是悬移质颗粒对水工建筑物的磨损破坏；
二是水流冲击对混凝土的过流面造成气蚀破坏[3]；
三是推移质，特别是组粒径等对水利工程过水结构的破坏。推移质造成破坏类型有冲磨或破坏、混凝土表面剥落，甚至出现钢筋外露及锈蚀，比其他类型更加严重[4]。

西霞院工程是位于黄河中下游的大（2）型水利枢纽，自2018年以来，受水量调度及水情影响，连续三年经历“低水位、大流量、高含沙、长历时”泄洪运用方式，导致水流挟带大量的推移质及悬移质，对工程的水下建筑物、金属结构，特别是对泄水、输水建筑物造成了严重的冲磨破坏。环氧砂浆材料是一种推广性广、高性价比的复合结构材料，具有和易性强、固化速度快、力学性稳定、粘接性优良等优点，其在泄洪流道混凝土修复中得到广泛应用[5]。黄河水利水电开发集团有限公司在2014年研发出的混凝土环氧砂浆修复材料（专利号：ZL201410510917.6），已在西霞院水利枢纽水工建筑中广泛推广使用，取得一定的成效[6]。但针对2018年后在高含量推移质及悬移质的特殊工况下，特别是西霞院泄洪流道的混凝土环氧砂浆修复效果并不理想，为此需要对环氧砂浆修复材料的性能优化提升进行研究。

1.1 主要问题

（1）2018年以来，高含量推移质、悬移质水流通过泄洪流道成为造成水工建筑物混凝土损坏最主要原因。

（2）推移质以滚动、跳跃、滑动的方式对混凝土造成破坏，特别是流道的底板部分比边墙部分破坏更加严重，2018年汛后流道检查发现，个别部位混凝土损坏深度达到10cm，出现钢筋外露锈蚀。

（3）针对目前的工况，环氧砂浆修补材料要求在良好的抗压强度和粘接强度基础上，还具有良好的韧性和抗冲磨性能[7]，已有的专利环氧砂浆材料性能难以满足目前的工况。

1.2 原因分析

（1）2018年以来，西霞院反调节水库按照大流量、低水位泄洪排沙方式运用，期间实测最大出库含沙量达到266kg/m3，高含沙水流挟带大量推移质，大量推移质通过泄洪流道堆积在发电坝段消力池区域。2018年汛后对9条排沙孔洞流道进行了检查，发现长时间下泄高含沙水流导致流道混凝土普遍出现了磨蚀、掉块，局部较为严重出现露筋现象，9条流道底板平均磨蚀深度在2～10cm之间，泄洪流道底板的损坏程度远大于边墙的损坏程度，说明大体积推移质的滚动、碰撞等作用对底板的损坏更大。

（2）2018年汛后，对破坏较深的底板位置采用的修补方法是底部环氧混凝土并加入植筋，表面2cm采用公司原配方专利环氧砂浆覆盖；
边墙位置采用原专利环氧砂浆按1～2cm厚度修复。经过2019年汛期，检查发现底板位置仍然损坏严重，局部位置出现露筋现象。说明原配方专利环氧砂浆对高含量推移质水流的磨蚀、冲击抵抗保护能力不足，一是原配方环氧砂浆的强度在60MP，强度不足。二是应对大粒径推移质的跳跃撞击、滚动等损伤情况，要求环氧砂浆在耐磨高强度的基础上，还应具有足够的韧性。

2.1 方案初步设计

研究人员通过搜集资料、外出调研、现场试验等方法对环氧砂浆修复材料进行研究，原配方专利环氧砂浆的主骨料为级配石英砂，其主要矿物成分是SiO2，其莫氏硬度为7级。碳化硅材料目前也在工业应用中推广，俗称金刚砂，化学式为SiC，碳化硅的莫氏硬度为9.5级，碳化硅由于化学性能稳定，耐磨性和强度均超过石英砂[8]。研究人员拟采用级配SiC，替代原配方中的石英砂材料。碳化硅耐磨性和强度强于石英砂，但碳化硅材料属于高硬脆性材料，要保证环氧砂浆修复材料具有足够的韧性，必须添加增韧改性材料。

本研究拟提出，一种高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆配方，初拟按重量份数由15～20份的环氧树脂浆料、2～4份活性稀释剂、6～8份固化混合物、70～80份填料混合物以及增韧改性材料混合拌制而成。

2.2 三种配比试验方案

根据拟订方案，五种配料详细组成做细微调整，每种配方内部材料按重量配比见表1，混合后搅拌均匀后备用，再按比例混合，将得到的环氧树脂聚合物砂浆，分别进行性能检测，结果见表2。

表1 三种试验方案配料详细配比Table 1 Detailed ratio of ingredients in the three test schemes

表2 3种试验方案性能参数检测结果Table 2 Test results of the performance parameters of the three test schemes

由表2可以看出，本研究设计试验方案1/2/3得到的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆在抗压强度上可以达到98MPa以上，粘接强度达到4.9MPa以上，抗冲磨强度达到418h/（kg/m2）以上，抗折弯强度达到26.0MPa以上；
通过表2还可以看出，本研究发明的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆具有很强的稳定性，具备广泛推广的条件。

2.3 现场试验，效果对比

利用本设计研究方案提供的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆和原专利配方环氧树脂聚合物砂浆进行了现场对比试验。研究人员在小浪底水利枢纽2号排沙洞出水口段进行了对比试验，本发明提供的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，修补厚度为10mm；
原专利配方环氧砂浆修补厚度为10mm。经过3个月的泄洪排沙运行，研究方案提供的高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆修补面未出现掉块、冲坑等缺陷，平均磨蚀厚度约0.5mm，专利号为CN201410510917.6环氧树脂聚合物砂浆约1/2的修补层被完全冲掉，剩余1/2的修补层平均磨蚀厚度约4mm。

经对比本研究发明提供的环氧树脂聚合物砂浆与现有环氧树脂砂浆相比，除具有现有环氧砂浆强度高、粘接强度大、方便施工的优点外，还具有很好的韧性和抗冲耐磨性能，针对受高速含沙水流和推移质影响严重的水工建筑物过流部位，具有很好的修补和防护作用。

2.4 确定最终方案

根据实验室配比试验和现场试验，确定高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆，按重量份数由15～20份的环氧树脂浆料、2～4份活性稀释剂、6～8份固化混合物、70～80份填料混合物以及增韧改性材料混合拌制而成（见表3）。

表3 最终方案配料比表Table 3 Ingredients ratio list of final solution

此种高韧性耐磨环氧树脂聚合物砂浆的应用方法，包括以下步骤：

（1）按照最终配比方案，备齐上述5种配料；

（2）施工前，使用电动工具对修补表面进行处理，清理表面的灰尘、乳皮、松动骨料等；

（3）按重量份数取65份环氧树脂浆料、10份活性稀释剂、25份固化混合物，混合搅拌均匀，制成环氧基液，均匀涂刷在修补表面，并陈化20～60min；

（4）按重量份数取15～20份的环氧树脂浆料、2～4份活性稀释剂、6～8份固化混合物、70～80份填料混合物以及微量增韧改性材料，混合搅拌均匀，制成环氧树脂聚合物砂浆；

（5）将环氧树脂聚合物砂浆均匀涂抹在修补表面，并使用工具压实抹平。

3.1 新型环氧砂浆材料性能效果

本研发方案提供的环氧树脂修补材料与原专利环氧树脂砂浆材料相比，在抗压强度、抗拉强度、粘结强度具有一定优势，在韧性和耐冲磨性能上也优于原配方专利环氧砂浆。针对受高含量推移质水流破坏的泄洪流道的受损位置，起到预防护和修复作用。研究人员首先经过自检部分指标可达到性能要求，后又委托第三方国家金属制品质量监督检验中心进行检测，主要性能指标达到预期（见表4）。

表4 新型配方环氧砂浆主要性能指标Table 4 Main performance indexes of the new formula on epoxy mortar

3.2 汛后流道检查效果

新型环氧砂浆在2019年汛后广泛应用于西霞院泄洪流道维修底板部分维修中，经过2020年一个汛期累计120天的运用，其中过流5条泄洪流道，平均过流时间为1638小时，与上年度年过流情况类似。经现场检查，过流的5条排沙孔洞流道整体情况良好，在底板和边墙的连接部位、流道折弯部位存在轻微磨蚀，证明新型环氧砂浆材料对高含量推移质及悬移质水流工况下泄洪流道运行状况有较大的改善，其抗磨蚀、冲击性能有较大的提高。

该项研究成果，提升了黄河流域高含量推移质流工况下的泄水和输水建筑物修复材料的性能，特别是粗粒径推移质及类推移质造成的冲磨或破坏，导致混凝土表面剥落、钢筋外露及锈蚀的问题；
在实践过程中提高了流道维修的施工质量、缩短了检修工期，消除了安全隐患。该研究成果逐步推广到多个电站的水工建筑物维修维护中，对水工建筑物安全度汛提供保障，取得较大社会效益。

猜你喜欢环氧环氧树脂水流阻燃高导热环氧灌封胶的制备与性能研究大电机技术(2022年5期)2022-11-17哪股水流喷得更远中学生数理化·八年级物理人教版(2022年4期)2022-04-26能俘获光的水流中学生数理化·八年级物理人教版(2021年11期)2021-12-06环氧树脂基复合材料加筋板结构吸湿行为研究北京航空航天大学学报(2021年9期)2021-11-02我只知身在水中，不觉水流文苑(2020年6期)2020-06-22新烟碱类杀虫剂环氧虫啶及其开发世界农药(2019年4期)2019-12-30水性环氧乳化沥青应用进展筑路机械与施工机械化(2017年6期)2017-07-10三聚氰胺基阻燃剂在环氧树脂中的应用进展中国塑料(2016年3期)2016-06-15碳纳米管阵列/环氧树脂的导热导电性能浙江大学学报（工学版）(2016年9期)2016-06-05TDE-85/E-51/B-63/70酸酐环氧体系力学性能研究航天制造技术(2016年6期)2016-05-09