泄水建筑物中聚脲防护材料抗蚀性能的试验分析

史国庆 张同钰

摘 要：为保证建筑物正常运行，避免由于质量问题引发的灾难性事故，泄水建筑物用材必须保证抗冲磨与抗空蚀性能。对此，研究351纯聚脲与高硬度纯聚脲2种抗冲磨聚脲防护材料，采用高速水砂法与水下棱石法对含悬移质与推移质水流的冲磨条件进行模拟，分析聚脲防护材料的抗冲磨性能，与此同时，研究材料在强空蚀作用下的抗空蚀性能。结果显示，喷涂聚脲防护材料可以显著提高泄水建筑物工程用混凝土的抗冲磨与抗空蚀性能，且351喷涂纯聚脲防护材料的抗冲磨与抗空蚀性能优于高硬度喷涂纯聚脲防护材料。

关键词：泄水建筑物;351纯聚脲;高硬度纯聚脲;抗冲磨性能;抗空蚀性能

中图分类号：TB33;TU502 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）07-0120-04

Experimental Analysis of Anti-corrosion Performance of Polyurea Protective Materials in Release Structure

Shi Guoqing， Zhang Tongyu

（Xianyang Vocational Technical College， Xianyang 712000， China）

Abstract：In order to ensure constructions normal operation， and avoid disastrous accident due to quality problem， the materials that used by release structure must ensure wear-resisting and cavitation erosion resistances. So， two kinds of anti-abrasion polyurea protective materials of 351 pure polyurea and high strength pure polyurea were studied， and uses high speed water sand method and underwater ribstone method to simulate rushed grinding conditions that conclude suspended load and bed load. Analyze polyurea protective materials wear-resisting performance. At the same time， it also researches its cavitation resistance under the role of strong cavitation erosion. Results show that spraying polyurea protective material can significantly improve the anti-abrasion and cavitation erosion performance of concrete used in spillway building engineering，， and 351 spraying pure polyurea protective material has better anti-abrasion and anti-cavitation performance than high-hardness spraying pure polyurea protective material.

Key words：release structure;351 pure polyurea;high strength pure polyurea;wear-resisting performance;anti-cavitation performance

對于很多河流而言，它们的泥沙含量都较高[1]，而高速含沙水流对过流面的冲磨与空蚀破坏以水工泄水建筑物常见的危害形式而存在，它们会导致泄水建筑物表层材料剥落、配筋外露，影响正常运行，严重的还会引发灾难性事故[2]。图1所示为黄河上龙羊峡、万家寨泄水建筑物表面蚀损，表现出冲磨与空蚀复合破坏特征[3]。在工程规模日益扩大的背景下，我国高坝下泄水流已达到50m/s级的超高流速，泄水建筑物冲磨与空蚀问题越来越突出[4]。为了实现对这一工程技术难题的有效缓解，很多学者围绕水力学与材料学等展开丰富研究，提出采取如掺气减蚀[5-6]、高强混凝土抗蚀[7]等措施的建议，在一定程度上取得了减蚀抗蚀的效果。而研究工作日渐深入的推动下，聚脲这种有机高分子耐磨材料吸引了越来越多的学者与相关人员的关注。

聚脲是聚氨酯中一种具有高强度与高韧性的弹性体材料，基于其抗磨蚀、耐老化、抗腐蚀、抗冲击以及独特施工性能而在国防、工民建以及水利水电工程中有着广泛的应用[8]。20世纪90年代中期，我国黄微波教授进行聚脲技术的研究与开发，现此项技术已在黑龙江尼尔基水电站蜗壳、北京三家店拦河闸等工程中得到大力的推广，且取得良好的效果。与其他抗冲耐磨防护材料相比，聚脲防护材料有更高的抗冲耐磨性能，对复杂环境的适应性能以及对自然光照、冻融、温度交变等因素的耐受性能也更加优越[9]。

然而，虽然水利水电工程领域对聚脲防护材料的应用年份已不短，但学者针对材料的抗冲磨与防空蚀性能所做的研究还欠缺系统性，定性评价比较多。文章基于这一背景通过试验分析聚脲防护材料的抗冲磨与抗空蚀性能，为材料配方的优化以及工程的实际应用提供指导。

1 试验准备

1.1 聚脲防护材料

试验选取351喷涂纯聚脲与高硬度喷涂纯聚脲2种抗冲磨聚脲防护材料配方进行对比分析，表1所示为两种材料的性能参数。

1.2 试验方法与仪器

抗冲磨试验采用高速水砂法与水下棱石法，对含悬移质与推移质水流的冲磨条件进行模拟，通过试验把握聚脲防护材料表面在水下高速流动介质的磨蚀影响之下表现出来的相对抗力，进而分析该材料表面的抗冲磨性能。选用金刚砂作为高速水砂法的磨料，仪器使用高速水砂抗冲磨试验仪，设置含砂水流冲磨速度为40m/s，水流含砂率为7%，结合冲磨效果确定试验时间;随机选择大小在1～2cm之间，各向尺寸均衡且有分明尖角的玄武岩石料作为水下棱石的磨料，仪器使用HKS-II型抗冲磨试验机，试验机加入磨料为1kg，冲磨试验机连续运行24h后停机更换一次磨料，1个试件的冲磨时间累计为96h。

抗空蚀试验仪器使用缩放型强空蚀发生器，设置喉口流速为48m/s，强空化状态下连续运行8h，对聚脲防护材料表面在高速水流空蚀影响下表现出来的相对抗力进行把握，进而分析材料的抗空蚀性能。

1.3 试件制作

根据试验的具体内容与仪器的相关要求进行试件的制作，将实际工程中用到的C60抗冲磨混凝土材料CM用作基底混凝土试件，养护28d，在其表面喷涂聚脲防护材料作为防护层，采用的工艺一致于施工现场所用工艺，防护材料厚度为4mm，完成喷涂操作之后，再对试件进行7d龄期的养护，之后便可投入试验。总得来说，文章所进行的抗冲磨与抗空蚀试验过程差别不大，均严格根据规范所提要求实施，各组试验分别制作3块试件（试件聚脲防护材料与基材实现较好的粘结），取它们的平均值。

2 试验结果

2.1 抗冲磨试验

（1）高速水砂悬移质冲磨试验。设置试验条件相同，采用高速水砂法对351喷涂纯聚脲与高硬度喷涂纯聚脲2种抗冲磨聚脲防护材料及一组没有任何防护材料的基底混凝土进行抗冲磨试验，对比分析它们在悬移质冲磨作用下表现出来的抗冲磨性能。

在采用高速水砂法進行悬移质冲磨2h后，聚脲防护材料同基底混凝土试件的粘结依旧牢固，并没有鼓泡或者剥离的现象发生，但是聚脲防护材料的表面出现了一定程度的磨损，之前光滑的表面变得粗糙，有波纹状的蚀痕呈现出来，总得来说，聚脲防护材料的冲磨破坏程度并不大，厚度的变化也不明显。而对于没有防护材料的基底混凝土而言，其所受到的冲磨破坏则明显严重得多，表层全部剥落，骨料被暴露在外。表2所示为冲磨时间为2h的3种材料的抗冲磨参数。

从质量损失角度来看，聚脲防护材料的抗冲磨强度明显高于基底混凝土，基底混凝土的质量损失超过聚脲防护材料质量损失的10倍;从磨损体积或磨损厚度角度来看，基底混凝土的磨损体积（磨损厚度）超过聚脲防护材料磨损体积（磨损厚度）的5倍，可知在泄水建筑物中应用聚脲防护材料，抗冲磨性能大幅度提升，且351喷涂纯聚脲的抗冲磨性能优于高硬度喷涂纯聚脲。

（2）水下棱石推移质冲磨。设置试验条件相同，采用水下棱石法对351喷涂纯聚脲与高硬度喷涂纯聚脲2种抗冲磨聚脲防护材料及一组没有任何防护材料的基底混凝土进行抗冲磨试验，各试件累计冲磨96h，对比分析它们在推移质水流冲磨作用下表现出来的抗冲磨性能。

在采用玄武岩冲磨法进行推移质水流冲磨24h后，351纯聚脲与高硬度纯聚脲防护材料的表面除中心小块区域没有发生变化之外，大多数区域的磨损均比较明显，且随着冲磨时间的增加，冲磨破坏程度越来越大，防护材料的厚度越来越小。相较而言，351纯聚脲的冲磨破坏程度小于高硬度纯聚脲，且前者表现出相对较好的磨损均匀性。没有防护材料的基底混凝土冲磨破坏程度最大。表3所示为3种材料的抗冲磨参数。

根据表3，351纯聚脲与高硬度纯聚脲防护材料在24h、48h、72h、96h磨损质量比较均匀，冲磨破坏过程也相对稳定，但没有防护的基底混凝土试件质量损失则比较大，351纯聚脲与高硬度纯聚脲防护材料的抗冲磨性能明显优于基底混凝土。从质量损失角度来看，基底混凝土的质量损失约为聚脲防护材料质量损失的40～100倍;而从磨损厚度角度来看，前者又约为后者的20～50倍。另外，351纯聚脲防护材料的抗冲磨强度约为高硬度纯聚脲的2倍，即前者表现出更好的抗冲磨性能。

以质量损失为参考依据对磨损厚度进行计算，图2所示为351纯聚脲与高硬度纯聚脲防护材料的磨损厚度同时间的关系。可知聚脲防护材料磨损厚度与时间大致呈现出线性相关的关系，证明材料有比较好的均匀性。351纯聚脲防护材料的磨损破坏速度慢于高硬度纯聚脲，前者抗冲磨性能优于后者。

2.2 抗空蚀试验

设置试验条件相同，对351喷涂纯聚脲与高硬度喷涂纯聚脲2种抗冲磨聚脲防护材料及一组没有任何防护材料的基底混凝土进行抗空蚀试验。受到连续8h的空化气泡溃灭产生的强大冲击力影响，聚脲防护材料同基底混凝土的粘结依旧牢固，没有发生剥离情况，且351纯聚脲与高硬度纯聚脲材料的表面形貌在试验前后几乎没有发生任何变化，仅有的一点是材料表面稍微的变涩，空蚀破坏并未造成351纯聚脲与高硬度纯聚脲材料质量上的损失。然而，未喷涂防护材料的基底混凝土表面砂浆与大骨料均出现剥蚀的现象。对比可知，聚脲防护材料有很强的抗空蚀性能。表4所示为3种材料的抗空蚀参数。

3 结语

文章对351喷涂纯聚脲与高硬度喷涂纯聚脲2种抗冲磨聚脲防护材料进行抗冲磨试验与抗空蚀试验，发现在基底混凝土表面喷涂聚脲防护材料，可以显著提高泄水建筑物工程用混凝土的抗冲磨与抗空蚀性能，且351喷涂纯聚脲防护材料的抗冲磨与抗空蚀性能优于高硬度喷涂纯聚脲防护材料，材料在泄水建筑物中有很高的应用价值。而基于这一结果，还有几点需要强调：①有的学者在研究中曾采用水下钢球法对含推移质水流造成的磨损破坏进行模拟，但是聚脲防护材料在水下钢球的冲磨之下基本上会保持完好无损的状态，究其原因，在于水下钢球法所体现的是钢球这一推移质对试件表面所产生的越滚、冲击与摩擦作用，就聚脲防护材料而言，它们受到钢球的作用会发生弹性变形，将很多冲击能量吸收，不容易出现磨蚀破坏的现象，故水下钢球法对聚脲材料的抗冲磨性能试验并不适用。②聚脲防护材料在某些工程中曾被传出负面消息，但这并不意味着聚脲喷涂技术存在问题，今后的工程应用需对聚脲防护材料的适用性及其容易引发的问题进行考虑。③我国市场，一些人错误地认为聚氨酯防护材料性能比聚脲防护材料性能差，原因可能在于市场上普通的单组分聚氨酯与双组分聚氨酯占领了主要的聚氨酯涂层防水市场，应用的越多，不足也就越明显。其实，欧美一些发达国家，性能突出的聚氨酯防护材料比聚脲防护材料的适应性更好，但这也无法证明聚氨酯优于聚脲。就聚氨酯与聚脲而言，决对性地认为一种材料优于另一种材料并不确切，人们应该关注的，是材料的适应性、功能性及使用年限。

参考文献

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