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高韌性環(huán)氧防護(hù)涂層低溫抗裂性能試驗及應(yīng)用研究

文檔作者：李敬瑋趙波瞿楊張福成文檔來源： 1．中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實驗室 2．水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實驗室		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月24日
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水力發(fā)電 第4O卷第3期
2014年3月
高韌性環(huán)氧防字戶涂屢低溫抗裂
性能放驗及應(yīng)用研究
李敬瑋 ，一，趙 波 ，一，瞿 楊 ，一，張福成 ，
(1．中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實驗室，北京100038；
2．水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實驗室，北京100038)
摘 要：在環(huán)氧樹脂低溫增韌研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了YEC高韌性環(huán)氧防護(hù)涂層材料。對新型材料進(jìn)行300次凍融循
環(huán)試驗，檢測了材料的耐低溫抗裂性能，材料與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度大于3 MPa；通過2O次-40～60℃低溫循環(huán)試驗，
測試了材料的斷裂韌性．材料在低溫下不開裂或脫空。將新型材料應(yīng)用于吉林臺一級水電站大壩面板防護(hù)，試驗結(jié)
果表明該涂層材料適合于寒冷地區(qū)的混凝土表面封閉處理及薄層防護(hù)工程。
關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；高增韌；混凝土修補(bǔ)；涂料
Experimental Study on Cracking Resistant of Epoxy Resin Coating at Low Temperature
and Its Application in Hydraulic Engineering
LI Jingwei 一，ZHAO Bo 。，QU Yang ，ZHANG Fucheng ，
(1．State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，IWHR,Beijing 100038，China；
2．Key Laboratory of Hydraulic Engineering Construction and Safety of MWR,Beijing 100038，China)
Abstract：Based on the experimental study of the toughness of epoxy resin,the YEC epoxy resin coating is developed．The
performances of YEC epoxy resin coating at low temperature are studied by 300 freezing and thawing tests and the tests show the
adhesion strength between coating and concrete is more than 3 MPa．The coating also passes 20 therm al cycle tests between—40℃
to 60℃ without any crack or delamination．The application of YEC epoxy resin coating in Jilintai CFRD indicate that the coating
is fit to the repairing and reinforcement of concrete structures in cold areas．
Key W ords：epoxy resin；toughness；concrete repairing；coating
中圖分類號：TV46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0559—9342(2014'~l03-0090—03
我國北方地區(qū)氣候寒冷． 冬季與水接觸的建筑
物常因凍脹作用而遭到破壞。例如，東北、西北地
區(qū)土壩上游護(hù)坡常因冰拔或冰推而破壞；混凝土壩
的迎水面水位變化區(qū)常因凍融而破壞，表現(xiàn)為混凝
土表面酥松剝落、強(qiáng)度降低；渠系建筑物的柱基甚
至?xí)粌雒洶纹?。如果不對混凝土破壞面進(jìn)行及時
修補(bǔ)，則將影響建筑物的運(yùn)行安全。
在混凝土表面涂刷防護(hù)涂料是混凝土防碳化、
防滲、抗凍的有效方法。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的力學(xué)
性能、粘接性能和長期耐水性能，在水利工程中作
為混凝土的防護(hù)修補(bǔ)材料應(yīng)用日趨廣泛[1-3]． 但環(huán)
氧防護(hù)材料與混凝土的線脹系數(shù)存在較大差異，在
使用過程中由于環(huán)境溫度的變化會在涂層材料內(nèi)部
圓WarerPo er Vof． DNo．3
積累較大的內(nèi)應(yīng)力，從而可能引起環(huán)氧防護(hù)涂層開
裂而損失防護(hù)效果． 所以對環(huán)氧涂層材料耐低溫
性能的考察是評價材料適用性和選擇材料的重要
方面。
1 環(huán)氧樹脂的低溫韌性研究
環(huán)氧樹脂改性增韌有多種途徑，最主要有彈性
體增韌、熱塑性樹脂增韌、剛性無機(jī)納米或微細(xì)粒
收稿日期：2013—08—29
項目基金：中國水利水電科學(xué)研究院科研專項結(jié)集1352項目
作者簡介： 李敬瑋(1975一)，女， 河北石家莊人，高級工程
師．主要從事水T新型材料研究．
寸 J ，寸：同 7．1’IT ．It 軍 ]， ，，J、，z I ～皿 b： IT 日匕 ，x 州1l丌7
子增韌、嵌段共聚物改性、核殼結(jié)構(gòu)改性環(huán)氧、液
晶聚合物改性環(huán)氧等 ，其中應(yīng)用最為廣泛的是橡膠
彈性體增韌、熱塑性樹脂增韌以及剛性無機(jī)納米或
微細(xì)粒子增韌。從增韌環(huán)氧的機(jī)理[51來看．熱塑性樹
脂形成裂紋橋是能量耗散的主要過程．這要求熱塑
性粒子有優(yōu)異的延性拉伸和撕裂性能，另外環(huán)氧機(jī)
體承受剪切形變和微裂紋的能力也非常重要． 所以
熱塑性樹脂對于高交聯(lián)度的環(huán)氧樹脂有顯著增韌效
果： 而橡膠增韌機(jī)理認(rèn)為，增韌主要是由于橡膠相
互引起的空洞化和形成基體中塑性區(qū)．特別是對交
聯(lián)密度相對較低的體系增韌效果更加明顯。
2 高韌性環(huán)氧涂層材料研究
從水工應(yīng)用環(huán)境分析， 要求水工環(huán)氧防護(hù)材料
的交聯(lián)密度相對較低． 因為高模量將增加溫度應(yīng)力．
不利于材料抗裂。本文采用了一種特殊的增韌劑對
環(huán)氧材料進(jìn)行增韌，研究其低溫增韌效果，研制出
具有低溫抗裂性能的水工環(huán)氧防護(hù)材料。
2．1 環(huán)氧樹脂的增韌及低溫韌性測試
對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增韌， 以KI。作為韌性的表征
參數(shù)， 研究水工環(huán)氧修補(bǔ)防護(hù)材料的斷裂韌性與溫
度的關(guān)系，確定低溫下環(huán)氧修補(bǔ)材料的基本配比。
(1)試樣的制備。試驗采用雙酚A型環(huán)氧樹脂
E44； 固化劑為可常溫固化的改性胺； 增韌劑為具
有反應(yīng)活性的增韌劑ZR11： 為了使體系具有良好的
可操作性，體系中添加了適量的活性稀釋劑調(diào)整粘
度。1號試樣不添加增韌劑，6號試樣添加20份增
韌劑，8號試樣添加50份增韌劑。
(2) 試件的制作。將材料澆注到10 mmx25
mmx280 mm 的矩形模具中， 室溫固化24 h后脫模。
30 d后澆鑄件通過機(jī)床加工制成10 mmx20 mmx88
mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，在試件中間用鋼鋸割開深9．5 mm
的槽，然后用鋒利刀片在槽內(nèi)一次性滑動而形成尖
銳的裂紋尖端。
(3) 斷裂韌性KI G測試。按照ASTM D 5045同
方法進(jìn)行試驗， 采用SENB試件，測試前試件在實
驗溫度下靜置4 h以上．然后迅速在配有低溫試驗
箱的萬能材料試驗機(jī)上安裝試件． 安裝完畢后在實
驗溫度下調(diào)整10 min后進(jìn)行實驗。壓頭速率為10
mm／min， 試驗溫度為20、0、-20、-40 ?！?。
(4)試驗結(jié)果。1號、6號、8號配比的斷裂韌
性結(jié)果如圖1所示?？芍翰煌浔润w系KI。值隨
溫度的變化趨勢和幅度差異很大。1號未添加增韌
劑， 斷裂韌性隨溫度降低明顯減?。?號和8號斷
裂韌性隨溫度降低明顯增加。
由圖1可知． 體系中加入較大的增韌劑將降低
霎
溫度／℃
圖1 不同溫度下試件斷裂韌性測試結(jié)果
常溫下的 I。值， 但同時大大提高了低溫下的斷裂
韌性。另外，6號和8號配比的 T。隨溫度的變化
趨勢不同，6號在0~C即達(dá)到了較高的K 以后變
化趨于平緩，而8號在試驗的測試溫度范圍內(nèi)幾乎
是線性增長， 似乎可以預(yù)測在更低的溫度下．8號
的KI 的可能會超過6號， 也預(yù)示著適當(dāng)提高增韌
劑用量將有利于更低溫度下材料的斷裂韌性。故加
入增韌劑是改善環(huán)氧防護(hù)材料性能的一種較理想的
方法。
2．2 YEC高韌性環(huán)氧防護(hù)涂料的低溫試驗研究
在環(huán)氧增韌后低溫韌性的研究基礎(chǔ)上， 水科院
結(jié)構(gòu)材料所研制出了YEC高韌性環(huán)氧防護(hù)涂料。
該涂料采用了新型環(huán)氧增韌體系， 并結(jié)合水工修補(bǔ)
的工況特點(diǎn)， 通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計， 提高材料的裂紋
阻斷能力， 減少材料內(nèi)應(yīng)力，具有粘結(jié)效果好、高
強(qiáng)高韌、抗開裂能力強(qiáng)、長期耐水性能優(yōu)異等特
點(diǎn)。針對我國北方高寒地區(qū)的應(yīng)用環(huán)境． 本文對
YEC高韌性環(huán)氧防護(hù)涂料的低溫耐久性進(jìn)行了試驗
研究。
2．2．1 抗凍融循環(huán)測試
(1)試驗條件。① 試塊。用C30F300混凝土
制作2個尺寸為100 mm×100 mmx400 mm 的試
塊， 一塊作為凍融試件， 一塊作為空白對比試件。
試塊表面涂刷YEC高韌性環(huán)氧防護(hù)涂料， 常溫養(yǎng)
護(hù)一周。② 凍融條件。水中浸泡、凍融循環(huán)300次：
凍融溫度(一17±2)～(8-+2)℃ ； 循環(huán)一次3 h， 降溫
1．5 h。
(2)試驗結(jié)果。利用混凝土快速凍融試驗機(jī)對
試塊進(jìn)行凍融循環(huán)試驗。然后對試件進(jìn)行拉拔粘結(jié)
強(qiáng)度測試， 結(jié)果見表1。由此可知， 凍融300次后
YEC高韌性環(huán)氧防護(hù)材料與混凝土粘結(jié)效果良好．
材料具有較好的抗凍及防護(hù)作用。
2．2．2 低溫抗裂性能測試
鐵(鋼筋)的溫度線膨脹系數(shù)為1．2x10-5／K，混
Warer Power Vo1．40 No．3 田
表1 抗凍融循環(huán)試驗結(jié)果 MPa
凝土的溫度線膨脹系數(shù)為(1．0～1．5)xl0I5／K． 由于
鐵板(鋼筋) 與混凝土線膨脹系數(shù)比較相近， 故
YEC高韌性環(huán)氧防護(hù)涂料的低溫抗裂性可以采用鐵
板上涂刷環(huán)氧涂膜，待完全固化后， 置于高低溫循
環(huán)環(huán)境中，觀察環(huán)氧涂膜變化 的方法。
(1)試驗條件。① 試件。尺寸為300 mmx300
mm；1號、2號環(huán)氧涂膜分別厚2、3 mm。② 溫度
循環(huán)條件。溫度循環(huán)一次過程為一40 oC恒溫1 h， 按
0．5 oC／min升溫至60 oC (歷時200 rain)。60 oC恒溫
1 h，按0．5℃／min降溫至一40 oC (歷時200 min)。
(2)試驗結(jié)果。經(jīng)20次溫度循環(huán)， 涂覆在
鐵板表面的環(huán)氧涂膜未出現(xiàn)開裂、脫空等現(xiàn)象，
表明YEC 高韌性環(huán)氧防護(hù)涂料具有良好的低溫
韌性。
2．3 寒冷地區(qū)現(xiàn)場試驗研究
為考察材料在寒冷地區(qū)混凝土表面防護(hù)效果，
在吉林臺一級水電站大壩混凝土面板進(jìn)行現(xiàn)場試驗。
吉林臺一級水電站是喀什河流域規(guī)劃中的第十個梯
級電站， 電站壩區(qū)多年平均氣溫5．7℃ ，極端最高
氣溫37．9℃ ， 極端最低氣溫一39．9℃ ，冬季寒冷漫
長。庫區(qū)冰層最大厚度可達(dá)40 cm 以上，冰與面板
混凝土面粘接在一起． 當(dāng)庫水位變動時，厚厚的冰
層對混凝土面板產(chǎn)生拉拔、撞擊現(xiàn)象，破壞面板強(qiáng)
度， 給面板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定帶來極大隱患。
在大壩的迎水面涂刷YEC高韌性環(huán)氧防護(hù)涂層
材料，經(jīng)過越冬觀測、現(xiàn)場檢驗，分析防護(hù)涂層是
否能提高混凝土面板的抗凍及抗冰破壞能力。2011
年5月在大壩面板1 404．5～1 4l1．5 m 高程范圍內(nèi)，
對7號面板涂刷了YEC韌性環(huán)氧防護(hù)涂料。經(jīng)歷一
個冬天．于2012年2月24 日到現(xiàn)場用rrJ一1O型碳
纖維粘結(jié)強(qiáng)度檢測儀對涂層進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度檢測，結(jié)
果表明． 當(dāng)100％ 混凝土面拉開時的平均粘結(jié)強(qiáng)度
為3．44 MPa， 說明該涂層材料的低溫抗凍抗裂性能
良好。
3 結(jié)語
綜上所述．YEC高韌性環(huán)氧防護(hù)涂料具有優(yōu)異
的抗凍防裂性能，適用于嚴(yán)寒地區(qū)；并且該涂料具
有優(yōu)異的抗?jié)B、降糙、抗沖磨、抗氣蝕及防凍融等
防護(hù)效果，是一種理想的水工混凝土表面防護(hù)材料，
適合用于混凝土表面的封閉處理及薄層防護(hù)。
參考文獻(xiàn)：
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國電力出版社．2009．
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Research，2006，2(6)：317—326．
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下卷[M]．殷敬華，韓艷春，等譯．北京：科學(xué)出版社，2004．
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[7] Song E H，Lee H I，et a1．Why Do We Have Cracks in Epoxy
Coatings for Water Ballast Tanks?[C]#Corrosion NAC Exop 2006．
61st Annual Conference＆ Exposition．
(責(zé)任編輯王琪)
五強(qiáng)溪水電站擴(kuò)機(jī)工程預(yù)可研報告咨詢通過審查
2014年1月13日，五強(qiáng)溪水電站擴(kuò)機(jī)工程預(yù)可行性研究報告咨詢會議在長沙召開。中電投五凌電力有限公司、中南勘測
設(shè)計研究院的領(lǐng)導(dǎo)、專家及特邀專家等有關(guān)人員參加了會議。會議聽取了中南院關(guān)于五強(qiáng)溪水電站擴(kuò)機(jī)工程預(yù)可行性研究報告
主要內(nèi)容的匯報，并進(jìn)行了認(rèn)真討論。會議認(rèn)為，預(yù)可行性研究報告基本達(dá)到了預(yù)可行性研究階段的設(shè)計內(nèi)容和深度要求，建
議對報告進(jìn)行必要的補(bǔ)充完善，提出正式報告。
根據(jù)五強(qiáng)溪水電站擴(kuò)機(jī)工程的布置條件、下游航運(yùn)條件等，本階段擬定了擴(kuò)機(jī)容量40萬kW、50萬kW、60萬kW 共3個
方案進(jìn)行比較，從各方案水能指標(biāo)、在電力系統(tǒng)中的作用和效益、工程量及工程投資、經(jīng)濟(jì)性、財務(wù)指標(biāo)等方面進(jìn)行綜合比較
分析后，本階段初選五強(qiáng)溪水電站擴(kuò)機(jī)容量為50萬kW。 (中南勘測設(shè)計研究院有限公司)
l圜Warer Po er Vof． 0 No．3

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