富春江水电站溢流面混凝土抗冲磨防护试验.pdf

水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第9期 富春江水 电站溢流面混凝土 抗冲磨 防护试验 孙志恒 ，朱德康 ，王健平 ，蔡昌渊 ，方文时 ( 1 中国水利水电科学研究院，北京 1 0 0 0 3 8 ；2 国网新源富春江水力发 电厂，浙江 杭 州 3 1 1 5 0 4 ) 摘要 ：针对富春江水电站溢流面的运行条件 ，采用 S K抗 冲磨刮涂聚脲 和 S K高韧性环 氧耐磨 防 护涂层对其抗冲磨性能进行 了室 内试验研 究 ，并在现 场选择 1 4 孔进行 了溢流 面混凝土表 面抗 冲磨防护试验 ，经历 了多次泄洪的考验 。实践 证 明，这 两种 柔性抗 冲磨 防渗涂料具 有抗 冲耐磨、 抗 紫外线能力强、能适应在潮湿环境 下施 工 以及施工 简单的特点 ，对溢流面混凝土 的抗 冲磨 防护 效果很 好 。 关键词 ：溢流面；抗冲磨；S K刮涂聚脲 ；高韧性环氧涂层 中图分类号 ：T V 4 4 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 0 9 0 0 4 P r o t e c t i v e e x p e r i me n t o n a b r a s i o n r e s i s t a n c e o f o v e r fl o w s u r f a c e c o n c r e t e o f F u c h u n j i a n g Hy d r o p o w e r S t a t i o n S UN Z h i h e n g ，Z HU De k a n g ，WANG J i a n p i n g ，C AI C h a n g y u a n ，F ANG We n s h i ( 1 C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ， C h i n a ； 2 F u c h u n j i a n g H y d r o p o w e r P l a n t o f S t a t e G r i d X i n Y u a n C o m p a n y L i m i t e d ， H a n g z h o u 3 1 1 5 0 4 ， Z h e j i a n g ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： A c c o r d i n g t o t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n o f t h e o v e r t o w S u rf a c e o f F u c h u n j i ang H y d r o p o w e r S t a t i o n ， a n i n d o o r e x p e r i me n t i s ma d e o n i t s a b r a s i o n r e s i s t a n c e p e rf o r ma n c e wi t h S K b r u s h i n g p o l y u r e a a n d t h e S K h J g h t o u g h n e s s e p o x y c o a t i n g，a n d t h e n a n i n s i t u p r o t e c t i v e e x p e rime n t o n t h e a b r a s i o n r e s i s t a n t p e rf o r ma n c e o f t h e s e l e c t e d o v e r f l o w c o n c r e t e s u r f a c e s o f t h e No 1 4 O v e r f o w o u t l e t s o f t h e h y d r o p o w e r s t a t i o n i s c a r r i e d o u t ，w h i c h e x p e r i e n c e s s e v e r a l t i me s o f t e s t s f r o m flo o d d i s c h a r g e s T h e p r a c t i c e s h o ws t h a t b o t h t h e fl e x i b l e a n t i s e e p a g e c o a t i n g s h a v e t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f s t r o n g a n t i s c o u ri n g a n t i u h r a v i o l e t c a p a c i t i e s ，a d a p t a b l e f o r t h e c o n s t ruc t i o n u n d e r a h u mi d e n v i r o n me n t ，e a s y f o r c o n s t ruc t i o n ，e t c ，t h u s h a v e b e t t e r p r o t e c t i v e e f f e c t s o n t h e a br a s i o n r e s i s t a n c e for t h e o v e r f l o w s urfa c e c o nc r e t e c o n c e me d Ke y wo r d s ：o v e r f l o w s u r f a c e；a b r a s i o n r e s i s t a n c e；b ru s h i n g p o l y u r e a ；h i g h t o u g h n e s s e p o x y c o a t i n g 1 工程概况 2 抗冲磨材料的选择 富春江水电站位于浙江省桐庐县富春江镇 ，该电 站建成于 2 0世纪 6 0年代初。电站大坝由主厂房 、鱼 道、溢流坝和船闸组成 ，其 中溢流面共有 1 7孔。由 于新安江和兰江之水在此汇集 ，因此溢流面需经常泄 洪。经现场检查发现 ，溢流面经过多年的泄洪冲刷和 日照老化 ，混凝土出现大面积磨损 、裂缝及局部伸缩 缝破损等缺陷。为了保证溢流面的安全泄洪 ，延长泄 水建筑物的使用年限 ，需要对富春江水 电站溢流面混 凝土表面进行抗冲磨防护。 9 0 2 1 S K抗冲磨刮涂聚脲材料性能 针对 富春 江 水 电站 溢 流面 的运 行 特点 ，首选 了 S K抗冲磨刮涂聚脲。S K抗冲磨刮涂聚脲为单 组分材 料 ，具 有 拉 伸 强 度 大 、硬 度 高 、柔 性 好 、 耐老化 、耐低 温 等特 点 ，适 用 于 混 凝 土 溢 流 面 、 泄洪洞等具有抗 冲磨要 求 的泄水 建 筑物 表 面的 防 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 2 2 0 作者简 介：孙志恒( 1 9 6 2 一 ) ，男 ，山东淄博人 ，教授级高级 工程师 。 W a t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o po we r En g in e e r i n g Vo l 4 4 No 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 护及裂缝 表 面 封 闭 。其 主要 物 理 力 学性 能 如 表 1 所 列 。 表 1 S K抗冲磨刮涂聚脲主要物理力学性能 序 号 检测项 目 性能指标 检测结果 l 干燥 时间 h 6 2 粘度 mP a S 3 0 0 0 2 3 8 4 0 3 拉伸强度 MP a 1 8 2 0 5 4 拉断伸长率 2 o o 2 2 4 5 硬度 N m mI 2 8 O 5 8 0 6 撕裂强度 k N m 7 0 8 3 7 7 粘结强度 MP a 2 5 3 2( 混凝土断) 2 2 S K高韧性环氧耐磨防护涂层材料性能 为 了适应 潮 湿面 快速施 工 的要 求 ，选 择 了 S K 高韧性环氧耐磨 防护涂层 材料 ，该材料是采用 环氧 聚氨酯 杂合 体 系对 冷 固化 环 氧树 脂 进行 内增 塑 ， 通过分 子 结构 设计 ，采用 不 同链 段 固化 剂进 行 固 化 ，通过其协 同效果 ，具有一定 的韧性及 断裂 伸长 率 。S K高韧性环氧耐磨 防护涂层材料 具有高韧性 、 抗 冲磨好 、粘结强度高等特点 ，可用于大 坝溢流面 混凝土表面抗 冲磨 防护 ，其主要物理力学 性能如表 2所列 。 表 2 S K高韧性环氧耐磨防护材料力学指标及检测结果 序号 项 且 指标 检测结果 1 拉伸强度 MP a 1 5 O 1 7 1 5 2 断裂伸长率 5 0 6 7 0 3 冲击韧性 k J mI 2 2 5 2 9 O 4 与混凝土拉拔粘结强度 MP a 3 0 3 7 6 ( 混凝土 断) 5 潮湿砂浆粘结强度 MP a 2 5 3 3 5 ( 砂浆断 ) 2 3 两种材料的室 内抗冲磨试验 高速含砂水流抗冲磨试验是通过测定混凝土或其 他材料在表面受水下高速流动介质磨损的相对抗力来 研究和评定混凝土或其他抗 冲磨材料抵抗高速含砂水 流冲磨作用的性能。水工混凝土的冲磨试验普遍采用 水工混凝土试验规程 ( S L 3 2 5 -2 0 0 6 ) 中推荐的圆 环法和水下钢球法 。 圆环法抗 冲磨试验是通过模拟高速含砂水流对圆 环试件的内环面进行冲磨 ，其表面冲磨破损状态与多 数实际工程混凝土 的磨损状态相似 ，可以很好地比较 和评价混凝土的抗冲磨能力 。本次试验采用圆环高速 含砂水流 冲刷试验仪 ，设定名义流速 为 4 0 m s ，冲 磨介质采用粒径 为 0 42 0 mm的金刚砂 ，水流含 砂率为 2 0 ( 质量 比) ，每组试件重复 冲磨 3次 ，每 次 2 0 m i n ，总冲磨时间 6 0 mi n 。 在 同等试 验条件 下 ，与 C 6 0混凝 土进 行 比较 ， 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 9期 孙志恒， 等富春江水电站溢流面混凝土抗 中 磨防护试验 进行抗冲磨试验 ，表 3为冲磨试 验结果。由表 3可 知 ，S K高韧性环氧耐磨防护涂层材料抗冲磨强度是 混凝土材料的 l 0倍以上 ，S K抗 冲磨刮涂聚脲抗冲磨 强度是混凝土材料的 1 0 0倍以上。 表 3 材料抗 冲磨试验 结果 平均累计 平均累计 冲磨 抗 冲磨强度 材料名称 冲磨量 g 体积 c m h ( k g m一 ) 一 C 6 0混凝土 5 4 9 0 2 2 4 1 ( 密度 2 4 5 g e m 3 ) O 1 7 S K高韧 性环 氧 耐 3 5 5 2 6 3 ( 密度 1 3 5 g c m 。 ) 2 6 5 磨防护涂层材料 S K抗冲磨刮涂聚脲 3 5 2 9 2 ( 密度 1 2 g c m ) 2 6 7 2 4 两种材料的氙灯人工气候耐老化试验 氙灯人工气候老化试验是以氙灯为光源的模拟和 强化光 、热、空气 、温度 、湿度和降雨等主要 因素的 一 种人工气候老化试验方法 ，用来加速材料的老化 ， 测试材料的光稳定性和抗老化性 。氙弧灯达到试样表 面的光谱非常接近太 阳的光谱。实验 中氙灯波长范围 3 0 0 8 9 0 n m，辐射强度( 1 0 0 0 2 0 0 ) W m ，黑板温 度为( 5 5 4 - 3 ) ；相对湿度 6 0 7 0 ，降雨周期为 1 8 mi n ，间隔干燥 1 0 2 m i n 。 ( 1 ) S K抗冲磨 刮涂聚脲老化实验结果 。表 4为 S K抗 冲磨 刮涂 聚脲 在氙 灯人 工 加速 老化 实验 0 1 0 0 0 h后的试验结果。由表 4可知 ，加速试验老化 1 0 0 0 h后 ，S K抗 冲磨 刮涂 聚脲老化后强度 仅降低 了 1 4 ，断裂 伸 长 率 略有 增 加 ，从 2 6 8 增 加 到 2 7 3 。从 S K抗冲磨刮涂聚脲氙灯人工加速老化拉 伸强度和断裂伸长率变化规律来看 ，拉伸强度逐渐 缓慢下降 ，断裂伸长变化较小。从 材料表面变化情 况来看 ，老化主要 发生在材料表层 ，试验证 明这种 材料耐老化性能优异 。 表 4 S K抗冲磨刮涂聚脲氙灯人- r - J m速老化试验结果 老化时 间 拉伸强度 性 能变化率 断裂伸长率 性能变化率 h MP a 0 2 3 9 0 2 6 8 O 5 0 0 2 3 2 3 2 7 8 4 7 5 0 2 2 2 7 2 8 5 6 1 0 o O 2 O 5 1 4 2 7 3 2 ( 2 ) S K高韧性环氧耐磨防护涂层老化试验结 果 。为方便耐老化试验试件 的制 备 ，氙灯 老化 试验 用试件较 S K高韧性 环氧 防护涂料配方减 少 了部 分 惰性填料 ，其他化学组分未变 。该老化试验试件 的 氙灯老化结果可 以说 明 S K高韧性环氧 耐磨防护 涂 料的耐老化程度。试验标准采用 树脂浇注体性能 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 孙志恒， 等富春江水电站溢流面混凝土抗) 中 磨防护试验 试验方法 ( G B T 2 5 6 7 -2 0 0 8 ) ，拉伸试样为长哑 铃型 ，标距 ( 5 00 5 ) mm，厚 度 ( 40 5) m m，宽 度 ( 1 0 0 5 ) mm。表 5为 S K高韧性环 氧耐磨 防护 涂层材料 ( 减少 了部分惰性填料 ) 在氙灯人 工加速老 化实验 01 0 0 0 h后 的试验 结果。从 S K高韧性 环 氧耐磨防护涂层材料氙灯人工加速老化拉伸强度 变 化规律来看 ，拉伸强度缓慢上升 ；从断裂伸长率 变 化规律来看 ，断裂伸 长率基本保持 不变。分析 以上 试验结果 ，环氧材料拉伸 强度增加 ，可能是在光 照 及高温的作 用下 ，环 氧材料 部分发 生后 固化 现象 ， 使材料强度略有增加 。 表 5 S K高韧性 环氧耐磨 防护涂层 氙灯 人工加速 老化试 验结果 老化 时间 拉伸强度 性 能变化率 断裂伸长率 性能变化 率 h MP a 0 1 7 0 0 1 8 O 0 0 5 0 0 1 9 8 1 6 1 7 9 0 1 7 5 0 1 9 6 1 5 1 8 O 0 0 1 0 0 0 2 0 9 2 3 1 8 0 O 0 磨后 留下的粉尘 ，再用钢丝刷头打磨坑 凹处 ，再次 把混凝 土面 清洗干 净 ；( 4 ) 检 查混 凝土 表面 裂缝 ， 对混凝土表面裂缝进行化学灌 浆 ；( 5) 对于混凝 土 磨损较深的部位 ，用环氧砂浆进行修补。 3 2 2 S K抗 冲磨刮 涂 聚脲 涂层 施 工 ( 1 ) 在水 面以上 的混凝土表面涂刷专用界面剂 ； ( 2 ) 待界面剂表面干燥后，开始涂刮抗 s K冲磨型刮 涂聚脲涂层 ，在墙边 的拐角处和混凝土表面的裂缝处 刮涂聚脲表面粘贴胎基布 ；( 3 ) 待第一层 S K抗 冲磨 刮涂聚脲涂层表面干燥后 ，涂刮第二遍、第三遍涂料 至 2 m m厚 以上 。 3 2 3 S K高韧性环氧涂层施工 ( 1 ) 当机组停机时，用水 冲净水退去时沉积在溢 流面的泥沙 ；( 2 ) 用煤气烘烤施工区域 的混凝土面使 其尽量干燥 ；( 3 ) 按 比例配制高韧性环氧材料 ，搅拌 均匀 ；( 4 ) 涂刮环氧涂层要求一次 达到 2 m m 以上， 并且不漏刮 ，不 流淌，要求 蜂窝麻面全部填平 、填 实。由于溢流面下游混凝土磨损较为严重，涂层平均 厚度达到 3 mm以上。 3 现场试验 4 现场试验效果检查 3 1 现场试验方案 2 0 1 1年 1 1月在富春江水力发电厂大坝溢流面进 行了现场试验 ，试验面积为 1 6 0 0 m ，试验部位混凝 土存在大面积磨损现象 ，最大磨损 深度 约 2 c m，并 且有裂缝存在。 从现场情况来看 ，试验期间施工温度较低 ，白天 发电时溢流面鼻坎处于水下 ，施工时间只能选择夜间 停止发电后水位低于溢流面鼻坎。由于富春江水电站 受上游来水和下雨的影响较大，不能保证刮涂聚脲有 充分的固化时间和养护时间。S K高韧性环氧材料对 潮湿面的敏感度要低于刮涂聚脲 ，在水位变化区使用 S K高韧性环氧材料有利于在潮湿环境下保证涂层的 粘结强度。在 1 1月下旬这种低 温潮湿环境下施工 ， 试验方案选择在水位线以上 的溢流面用 S K抗冲磨刮 涂聚脲 ，在挑坎至水位线 以下的溢流面用 S K高韧性 环氧涂层。 3 2 现 场 施工工 艺 3 2 1 溢流 面混凝 土表 面的处理 ( 1 ) 首先对溢 流面在水 面以上部位 的混凝 土表 面进 行 打磨 ，磨 除混 凝 土 表 面 长 期 附 着 的污 渍 ； ( 2 ) 当机组停发 电水位 回落后 ，清 扫水及 浮土 ，对 水位变化 区混凝 土表 面进行打磨 ；( 3) 用水 冲洗 打 现场施工完成后进行 了检查 ，水上部位 S K抗 冲 磨刮涂聚脲涂层和水 下部位 高韧型环氧涂 层表面平 整 ，未出现空鼓 、裂缝及气泡现象 ，质量 良好。2 0 1 2 年汛期溢流面经历了多次泄洪考验 ，汛后对试验部位 又进行了检查 ，发现处理后 的溢流 面仅在 3 孔有两 块小于 0 1 1T I 的破坏 ( 可能在泄洪期 间有尖硬物扎 坏) ，溢 流面整个涂 层表 面无老化 、开裂及 磨损现 象 ，混凝土表面涂刷的 S K抗冲磨 刮涂 聚脲 和 S K高 韧性环氧涂层无大面积破损现象 。汛后在现场对这两 种涂层进行了粘结强度拉拔检测 ，现场拉拔检测结果 如表 6所列 。 表 6 富春江溢流面涂层粘结强度平均值 粘结强度 涂层情况 界面情况 说明 MP a 环氧涂层 0 6 8 混凝 土断 基础混凝 土强度偏 低 ，粘 聚脲与环氧交接处 1 2 8 混凝土断 结强度大于基础 混凝 土抗 聚脲 +环氧 O 8 8 混凝 土断 拉强度 s K抗 冲磨 刮 涂 聚 3 1 7 部 分 混 凝 实际粘结强度 大于基 础混 脲涂层 土断开 凝土抗拉强度 由表 6可知，S K抗冲磨刮涂 聚脲与混凝土之间 的粘结强度很高，涂层与混凝土之间的粘结强度大于 ( 下转第 9 9页) 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第9期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 氧砂浆 剥 落 ，局 部露 出基层 混 凝 土面 ，但 混凝 土 完好 。 2 0 0 9年抽水 检查时 ，发现修补 的环 氧砂 浆表面 出现 12 m m 的轻微的磨蚀 ，但表面出现均匀的冲 击坑 ，平均深度约 1 3 m m，无严重磨蚀 区域 ，局部 出现不超过 1 m 的剥落 ，但混凝土完好 。 2 0 1 2年抽水检查发现 ，修补 区域 的环 氧砂浆表 面完好 ，基本无磨蚀也 无冲击坑 ，环 氧砂浆面与混 凝土面粘结完好 ，无修补砂浆 与基层混凝土剥落现 象 。 6结论 ( 1 ) 多年的工程实践表 明：通过选用 了新工艺合 成的低粘度的柔韧性改性环氧树脂 、低粘度放热缓慢 的固化体系 、级配骨料制备的 J ME改性环氧树脂砂 浆抗冲磨修补材料 ，具有更好 的抗冲磨强度和抗冲击 强度等综合性能，能抵抗二滩水电站高水头 、高流速 的泄洪时的冲击和磨蚀破坏。 万雄卫， 等二滩水电站水垫塘抗冲磨修补研究 ( 2 ) 通过降低固化体系的热变形温度 和施工工艺 的改进有效 的解决了 J ME改性环氧砂浆抗冲磨修补 材料在高温环境 ( 6 5) 修 补时 ，材料 出现的开裂 ， 鼓包 、边缘翘起等问题。 ( 3 ) 从 2 0 1 2年抽干水垫塘检查 的结果来看 ：J ME 改性环氧砂浆抗冲磨修补材料很好地解决了高温环境 下的二滩水垫塘底板、护坦混凝土破损后 的薄层修补 问题 ，为其他水电站高水头 、高流速泄洪造成的混凝 土破损修补提供了一个有益的参考 。 参考文献： 1 闵四海，万雄卫，卢邦荣 二滩水电站环氧砂浆抗冲磨修补 J 粘接 ，2 0 0 6，2 7 ( 4) 2 买淑芳 ，方文时 ，李敬 玮 “ 海岛结构” 环氧“ 合金” 抗 冲磨 防护 材料的开发应 用 J 施工技术 ，3 4 ( 4) 3 万雄卫 ，李北 星，闵四海 ，等 J ME改性环氧砂浆抗 冲磨 修补 材料的研究与应 用 J 施工技术 ，3 6 ( 5 ) ( 责任编辑欧阳越) ( 上接 第 9 2页) 2 5 M P a ，大部分测点是在基础混凝土内部破坏 ，说 明粘结强度大于基础混凝土本体强度 ，可以满足运行 的需要 。由于溢流面下游混凝土表面的强度较低 ，高 韧性环氧涂层与混凝土之间的粘结强度均大于混凝土 本体抗拉强度 ，断裂 面均发生在混凝土 内部 。S K抗 冲磨刮涂聚脲与环氧涂层之间的粘结强度均大于基础 混凝土本体抗拉强度 。 5 结语 通过室 内外试验及现场泄洪 的考验表 明，S K抗 冲磨刮涂聚脲和高韧型环氧这两种涂层材料的物理力 学性能均较好 ，材料抗冲磨能力强 ，耐久性好 ，与混 凝土之间的粘结强度高 ，施工工艺简单 ，不会对原混 凝土造成破坏 ，对混凝土表面抗 冲磨 防护效果显著。 相 比较而言 ，S K抗 冲磨 刮涂聚脲较 S K高韧性环 氧 涂膜柔性好 ，抗冲磨能力更强 ，适应伸缩缝及裂缝表 面封闭；S K高韧性环 氧涂 膜较 S K抗冲磨刮涂 聚脲 固化快 ，更适应潮湿面环境下施工。 参考文献 ： 1 孙 志恒 ，夏世法等 单组分聚脲在水利水电工程 中的应用 J 水利水 电技术 ，2 0 0 9，4 0 ( 1 )：7 1 - 7 2 2 孙 志恒 ，李萌 ，倪燕 s K柔性 防护涂 料在伸 缩缝及 裂缝快速 修 复中的应用 J 大坝与安全 ，2 0 1 1 ( 1 ) ：4 8 5 1 ( 责任编辑郭利娜 ) 。 1 | 一 ， ， 。 ， ( 上接 第 9 5页) 对实施效果评价的全面性和准确性 ，并且该模型的运 用能够发现管理体 系中存在的不足 ，为 K Y T & E管理 体系的持续改进提供了理论数据。 参考文献 ： 1 李松柏 ，郑利明 KY T活动在 电力检修工作中的应 用 J 水 电 厂 自动化 ，2 0 0 8 ，2 9 ( 4 ) ：6 7 - 6 9 2 曹阳 企业经营管理绩效评 价方法综述及探索 J 市场周刊 理论研究 ，2 0 0 8 ( 3 )：1 8 1 9 水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第9期 3 A r m a n d o C a l a b r e s e ， R o b e r t a C o s t a ，T a ma r a Me n i c h i n i U s i n g F u z z y AHP t o ma n a g e I n t e l l e c t u al Ca p i t a l a s s e t s：An a p p l i c a t i o n t o t h e I CT s e r v i c e i n d u s t r y J E x p e r t S y s t e ms w i t h A p p l ic a t io n s ，2 0 1 3 ( 4 O ) ： 3 7 4 7 3 7 5 5 4 谢承华 AH P及其应用 J 兰州商学 院学 报 ，2 0 0 1 ，1 7 ( 2 ) ： 7 9 8 2 5 宋光兴 ，杨德礼 A HP判断矩阵与模糊判 断矩 阵相互转化方法 J 大连理工大学学报 ，2 0 0 3 ，4 3 ( 4 ) ：5 3 5 - 5 3 9 6 龙泉 A HP一模 糊综合 评价法 在绩效评 估 中的应用研 究 J 冶金经济与管理 ，2 0 0 7 ( 2 ) ：4 5 4 8 ( 责任编辑欧阳越) 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m