水工建筑物典型病害修复与防护新材料及应用_方媛.pdf

203交 流 探 讨农业开发与装备 2023年第3期水工建筑物典型病害修复与防护新材料及应用方 媛，冯小妮（北京市密云区潮白河道管理所，北京市 101500）摘要：水工建筑物长期处于恶劣的环境下，受到腐蚀和冲击的现象较为严重，因此极易受到损害。使用常规材料修复效果不佳，为提升防护效果，需要使用新材料。结合水工建筑物的典型病害，在分析其破坏机理的基础上，提出了应用新型防护材料的对策和建议。关键词：水工建筑物；典型病害；修复；防护新材料0 引言我国拥有全球最大的水利基础设施，水利枢纽建设规模世界第一，为现代化建设做出了巨大的贡献。但是水工建筑物工作环境恶劣，受到压力、冲击、腐蚀以及各种负荷的影响，在长期服役过程中容易产生各种病害。比如在泄洪中会冲蚀齿坎，洪水会冲毁消力池和钢筋混凝土结构，主溢洪道泄槽破坏还可能引发严重的安全事故。水工建筑物主要包括混凝土和金属结构，在干湿循环、水流冲刷及应力变化的环境下，容易发生裂缝、渗漏和剥蚀破坏等病害。具体来说，混凝土病害包括裂缝、渗漏、冻融剥蚀、冲蚀和空蚀、钢筋锈蚀、水质侵蚀、碳化等，金属结构病害包括腐蚀、空蚀和磨损等。为保证水工建筑物安全稳定运行，必须要加强防护措施，使用新型材料进行修复。但是目前市面上的材料良莠不齐，耐久性较差，因此必须要选择先进技术和材料，及时采取有效措施进行处理。1 水工建筑物典型病害修复材料概述1.1 混凝土材料无机抗冲磨材料，一般在混凝土中加入硅粉、粉煤灰、纤维、钢铁砂、矿渣等，提升其机械性能，其优势在于造价低，相容性好，但抗冲击性较差。有机抗冲磨材料，使用胶结材料与砂石料结合，包括环氧砂浆、环氧树脂、聚氨酯砂浆、聚脲材料等，其优势在于粘结力强，耐腐蚀，抗冲磨性能好，但相容性差，而且成本较高。复合抗冲磨材料，比如氯偏乳胶砂浆、丙乳砂浆、胶砂浆等，粘结性能和变形能力强，相容性和耐久性都比较高。1.2 水工金属材料包括金属涂层材料，使用耐腐蚀的金属或合金喷涂在金属表面，比如铝、锌、锌镁合金及锌铝合金等。碳化钨金属陶瓷涂层性能较好，但是价格昂贵，不易推广。非金属涂层材料，比如油漆、聚氨酯、环氧树脂等。环氧树脂附着力高，稳定性强，耐受性好，聚氨酯粘结性、耐磨性、柔韧性都较好，橡胶涂料也具有耐老化和延展性强等优势，但是在高温下易发生变化。2 水工建筑中典型病害破坏机理分析2.1 冲蚀作用机理及影响因素一般是由含砂石水流的不断冲击作用下形成，一般清水基本不会产生破坏作用，固体颗粒是主要危害来源。比如泥沙含量越大，对于水工建筑物的冲击越严重，会逐渐剥落表层混凝土，腐蚀金属表面。如果混凝土结构腐蚀不及时处理，那么裂缝扩大，就有可能侵蚀内部，引发多种病害，甚至造成结构性损伤。金属结构易损部位一般包括水轮机叶片或压力钢管等构件。在水流冲刷或干湿交替环境中，腐蚀较快。泥沙等附着物也会削弱防护涂层的耐腐蚀性能，严重时会导致构件损坏。总体来说水流速度、流态、历时和含有固态介质含量决定了破坏力，而抗冲磨材料的性能决定了其保护力。2.2 腐蚀作用机理及影响因素主要对金属表面进行作用，包括化学电化学及微生物腐蚀等，以水中的正负离子为主，即使金属不在水下，也会在雨、雾及水汽等影响下，发生腐蚀。除了材料自身特性外，水体流速越快、pH值越小，氧气含量越高、溶解成分越大，也会加剧其腐蚀速度。同样，流体中的固体颗粒也会加剧腐蚀，这是因为冲磨腐蚀效应同时发生作用。此外，含沙量、沙粒大小、冲刷角也会产生影响，但是腐蚀机理更为复杂。3 水工建筑物病害修复材料性能要求3.1 粘结性能混凝土和金属都会因为粘结面开裂或附着力较差发生病害，因此新老材料的结合至关重要。较高的干粘结强度、潮湿及水下粘结强度是优质材料的重要评价标准。粘合强度还受到界面粗糙度、界面湿度和界面剂的影响，因此在施工前，一般都会使用凿毛法、钢刷法、喷砂法、水射法等进行粗糙处理。在干燥条件下，粘合性更好，特别是金属，要求表面干燥且无附着物。界面剂通过调整基材表面的孔结构，修复基材之间的性能差别梯度，实现增大修复材料与基材表204交 流 探 讨农业开发与装备 2023年第3期面的结合作用。3.2 抗冲磨性能抗冲磨性能对于金属材料和混凝土材料都非常重要，如果抗冲磨性能较差，那么会加剧冲蚀和腐蚀的过程，降低寿命，甚至危及整个结构。比如，水轮机叶片在长期冲磨下，可能会出现局部磨损甚至断裂，最终危及整个系统。实践表明，环氧砂浆、聚脲弹性体的性能抗冲磨较佳，同时，还可以通过增韧的方式提升其抗冲磨性能。抗冲磨性能对修复层也同样重要，比如，对于混凝土结构，一般采用表面覆盖法进行修复，通过喷涂抗冲磨性能的材料防治腐蚀。3.3 变形协调性由于修复材料和基底在理化性状等方面存在许多不同，比如弹性模量、收缩率、材质结构、热膨胀系数等方面。在温度作用下理化性质不统一的结合面最容易产生应力，最终导致开裂。因此，需要提高其变形协调性，比如混凝土材料的线膨胀系数和基材相近，而金属土层应具有一定柔韧性，于是修复材料的收缩率都应该较低，这样才能实现耐久性保护。3.4 其它性能良好的耐腐蚀性，不易被溶解或者破坏，透气性小，屏蔽作用大，在一定厚度下能腐蚀物有屏蔽作用。在水下恶劣的环境中，很多修复工作都在水下开展，比如病害检测很多利用的就是精细检测声呐技术。在施工时，也要求材料具有较强的塑性，水下抗分散性，良好的填充和防水性等。4 水工结构病害修复技术和新材料应用方法4.1 材料选型要选择粘结性能好、耐性强、适应水工环境、施工方便和强度高的优质材料，能够应对冲蚀和腐蚀等病害。比如，环氧类材料，环氧界面剂要选择浸润性好的材料，使之可以自动渗入混凝土表层，改善其力学特性。加入水下抗冲磨砂浆，在其中掺入少量增塑剂，提升韧性和抗冲击能力。还可加入憎水基团，确保其水下环境使用。对混凝土修复材料来说，要提升其性能，还可加入柔性纳米陶瓷涂料，其抗裂性好，在温度变化时仍然能够保持结构稳定。针对水工金属腐蚀问题，可以采用纳米钛复合重防腐涂料，其表面附着力大，抗冲磨强度好，配合陶瓷防腐抗冲磨涂料能够显著改善其性能，增加柔韧性和耐盐雾性能。在新材料的应用中，要不断创新思路，既要发挥金属修复材料的稳定可靠优势，又要利用非金属材料附着力高、施工简单，防腐性强的特点，选择无毒、无污染、节能高效的材料。4.2 水工混凝土结构冲蚀修复技术对部分水电站调查发现，一些区域部分混凝土出现冲蚀破坏、磨损、冲坑、粗骨料外漏以及结构损伤。针对这一现象，要立即对损伤部位进行修复：1）使用电镐、高压水枪等工具将原混凝土层打磨并清理干净。2）然后涂刷环氧界面剂，重复三次确保刷匀，三次分别在各自的垂直方向。3）涂后1 h左右，铺设水下抗冲磨砂浆，用抹刀等工具抹平。4）8 h左右后，涂刷柔性纳米陶瓷涂料，厚度在 mm左右，同样刷三次，每次都跟上次的方向垂直，每次间隔1 h，注意控制厚度，如果太厚，容易造成开裂。4.3 水工金属结构腐蚀修复技术对某工程弧形闸门进行检测，发现迎水面面板大面积腐蚀，布满附着物，锈坑普遍较深，水平次梁和底梁等区域严重腐蚀。使用检测仪进行测试，确定腐蚀状况，然后使用复合防护材料进行涂层防护。1）首先对基面进行清理，可使用高压水枪和铲刀等工具。2）彻底清理干净后采用高效脱塑漆剂进行脱漆，可采用喷雾方式进行，然后用铲刀处理，反复进行3遍左右，确保清理干净。3）使用电动钢丝刷打磨除锈，直到出现金属光泽。4）使用纳米钛复合重防腐涂料进行彻底涂抹，操作两遍，总厚度约为200400 m。5）之后进行面涂，两次间隔12 h，总厚度约为400600 m。6）养护15天，避免冲击和碰撞。5 结语利用新材料和新技术方法，进行处理防护材料的抗冲磨性能、粘结性能、抗压强度和使用寿命，都有很大提高，在今后的防护中应该予以推广。参考文献1 牛山林.水工混凝土建筑物常见病害及其处理措施研究J.科学技术创新，2020（22）：115-116.2 覃良泉.分析水工建筑物耐久性的主要影响因素及其预防措施J.建材与装饰，2019（27）：289-290.3 石明生，夏洋洋，李逢源，等.深水大坝混凝土裂缝高聚物注浆修复试验研究J.人民黄河，2022，44（9）：135-139.