田丰

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

1 组合修复材料及性能分析

1.1 修复材料分析

1.1.1 环氧界面剂

此主要是甲组和乙组两种成分组成，依据4∶1 的比例制作，甲组材料为偶联剂、消泡剂、环氧树脂、润湿剂、功能填料、活性增韧稀释剂，乙组材料改性新型水下固化剂。在水工混凝土结构的修复中，使用环氧界面剂作用非常明显，环氧界面剂性能如下：密度1.35 g/cm3、表干时间（25 ℃）4 h、初固时间（25 ℃）12 h、完全固化时间（25 ℃）7 d、剪切黏结强度大于等于4.20 MPa。

1.1.2 水下抗冲磨砂浆

此砂浆主要是环氧树脂、水下固化剂、抗冲磨填料组成，制作比例为2∶1∶10。环氧树脂有良好韧性及抗冲击能力，抗冲磨填料可以提高抗冲磨性，水下抗冲磨砂浆能够应用在干燥和潮湿以及水下使用，水下抗冲磨砂浆性能如下：密度2.03 g/cm3、抗拉强度大于等于10 MPa、抗压弹性模量1 998～2 180 MPa、抗冲击性能2.40 kJ/m2、耐酸、耐水、耐碱。

1.1.3 柔性纳米陶瓷涂料

此涂料主要有两组按比例制成，即甲组、乙组以10∶3 配制，密度1.50 g/cm3、抗压强度大于等于50 MPa、拉伸强度大于等于35 MPa、耐磨性能大于等于10 mg、干燥黏结强度大于等于5 MPa、水下黏结强度大于等于5 MPa。

1.2 性能分析

1.2.1 力学性能

力学性能测试黏结强度、水下抗压强度。黏结强度制作8字型试件，将水泥砂浆与水下抗冲磨砂浆分别填充在试件的半边空位中，并使用环氧界面剂对试件的腰部断面加以黏结，共制作9个试件，分别放在干燥、潮湿、水下养护。抗压强度制作正方体试件，长宽高均为40 mm，制件3个试件。结果如表1。

表1 力学性能表

试验得出，水下抗冲磨砂浆和水泥砂浆间的干燥黏结强度大于等于4 MPa，破坏出现于水泥砂浆的本体，伴随结合面的湿度提高则黏结强度下降，破坏部位从水泥砂浆转向结合面。

在干燥环境下，水泥砂浆和环氧界面剂有效的结合而出现较高的黏结强度，并且高于水泥砂浆抗拉的强度，所以断裂发生在水泥砂浆自身；在潮湿环境下，试块细小的孔隙内存在水，进而导致环氧界面剂无法深入水泥砂浆中，所以接触面积小，但在水中的环氧界面剂和水下抗冲磨砂浆还是能够进行结合，黏结强度仍较高，而破坏出现在水泥砂浆与结合部位。在水下环境中，试件骨料的颗粒不均且有微型的坑洞出现，受坑洞和孔隙水的影响而导致界面剂和水泥砂浆间出现不完全的连续水膜，进而降低了其接触的面积，所以黏结强度下降，虽然强度下降，但仍符合相关的标准。

1.2.2 抗冲磨性能

运用水下钢球法检测抗冲磨性能，制作基底块，使用抗冲磨砂浆制作并养护7 d后，再使用柔性纳米陶瓷涂料涂刷，制作三组试件，一组制作3个，所有试件均进行连续的72 h冲磨试验，具体结果此处略。涂刷柔性纳米陶瓷涂料的试件抗冲磨强度较高，并且试件的表面非常平整，没有冲坑出现，只有少许的划痕。

1.2.3 热相容性

为确定组合修复材料对温度的适应能力则开展开裂试验检验其和混凝土的热相容性。首先制作混凝土圆环试件，尺寸大小为Φ405 mm、宽80 mm、厚100 mm，并在试件的外层施工10 mm厚组合修复材料，然后进行7 d的养护，当把试件养护到龄期之后开展高低温试验，在试验箱中以24 h为一循环，-20 ℃进行16 h，80 ℃进行8 h，共进行10个循环，并在每一个循环结束之后对试件进行检查，确认是否有裂纹和开裂的情况。

试件在第5个循环结束后显现呈径向未贯穿的裂缝1条，裂缝在经过第8个循环后贯穿到水下抗冲磨砂浆层，宽2 mm，所有循环结束裂缝宽度增加到5 mm，且显现第二条未贯穿的裂缝。试件在试验时没有产生环向的裂缝和分层的情况，进而表明膨胀系数差异而产生的分层应力低于黏结的强度，所以不会出现分层破坏的情况，此组合修复材料降温时抗裂性高，并在升温时不会出现分层破坏，能有效适应混凝土发生的变形。

2 力学分析

建立相应的模型来分析检验修复材料的力学性能，图1为修复模型。

图1 修复结构模型示意图

修复材料在温度、固化收缩作用下产生的拉应力σ，以及黏结面切应力τ的公式如下所示：

式中：E—代表弹性模量；μ—代表泊松比；εs—代表固化收缩产生的应变；Cxμ—代表界面剪切刚度系数；ΔT—代表修复后与修复时材料温差；u—代表修复层相对混凝土位移；α—代表线膨胀系数；Hα—代表修复材料的厚度。

依据相关资料标准参考，E=2.00 GPa，μ=0.2；εs=930×10-6。假设L=10 m，H=2 cm，x∈（-L/2，L/2）；x=0、L/4、L/2 时，Cx=29、43、57 N/cm3；T=-20、0、20、40 ℃时对应α=24.4×10-6K-1、26.8×10-6K-1、28.0×10-6K-1、29.8×10-6K-1。在进行修复时，设定水下抗冲磨环氧砂浆的温度20℃时得出表2的结果。

表2 温度及固化收缩引起的应力变化表单位/MPa

根据表2的结果可以看出，此次分析的组合材料在温度和固化收缩作用下产生的应力出现越近模型的边缘位置应力就越大；温度下降时会导致修复层的材料收缩，而此时应力与固化收缩产生的应力两者叠加；最大拉应力值在温度-20 ℃时2.16 MPa，低于抗拉强度），最大剪应力值也低于剪切黏结强度，进而表明本修复组合材料在低温状态下不会出现开裂、剥离的情况，具有较强的整体性。

3 实际工程应用分析

3.1 工程概况

国内某水电站运用了灯泡贯流式水轮发电机组，而此水电站在使用过程中多次发挥泄洪的作用，所以在高速水流作用下，以及固体在水流作用下对其不断冲磨，最终导致水电站的引水流道的尾部显现较为严重的混凝土磨损情况，在混凝土表面呈现粗骨料外露的现象，并存在冲坑，大小在20～25 mm。

3.2 施工工艺

通过现场实际勘查后对受损情况加以明确后，在冲刷破坏严重的位置选择一块区域进行实际的试验验证，运用上述分析的组合修复材料，同时，制作150 mm×150 mm×150 mm 混凝土试块开展附着力拉拔检测，检测组合修复材料和混凝土水下黏结的强度。修复施工工艺：①修复基面清理。②环氧界面剂施工。③水下抗冲磨砂浆施工。④柔性纳米陶瓷涂料施工。

3.3 效果分析

将试件在水下养护15 d之检测附着力，并在一年后检查修复区域的磨损状况，使用高强回弹仪对其加以检测。检测结果显示，水下黏结强度平均值3.12 MPa，回弹值74，抗压强度90.90 MPa，结果表明修复材料能够水中和混凝土黏结，并且在经过一年的冲磨作用下，修复区域的表面非常平整，没有裂缝和冲坑以及剥离的情况，最终证明组合修复材料效果较好。

4 结论

通过上述对水工混凝土的结构开展研究，对组合修复材料进行试验探究其性能，并在实际工程中应用来查看实际的修复效果，提高了水下抗冲磨砂浆抗压强度，而在柔性纳米陶瓷涂料作用下较大程度的增加了抗冲磨强度，并与混凝土间能够形成较强的黏结度，同时该材料还能适应温度的变化而不会出现开裂、剥离的情况，修复效果及质量均非常优秀。