水性環(huán)氧/氟碳雙層體系對(duì)海洋環(huán)境橋梁混凝土的防腐性能研究

王模

摘要：針對(duì)海洋環(huán)境橋梁混凝土表面腐蝕防護(hù)問(wèn)題，文章通過(guò)制備以丙烯酸改性水性環(huán)氧樹(shù)脂為底層，氟碳為面層的雙層防腐體系，以吸水率測(cè)試、附著力、氯離子滲透、暴曬試驗(yàn)研究其吸水性、附著強(qiáng)度、抗氯離子滲透能力、耐老化性。結(jié)果表明：涂裝后的混凝土試件吸水率≤1%;涂膜與基材之間的附著強(qiáng)度>5MPa;在電通量法氯離子滲透試驗(yàn)中，6 h總導(dǎo)電量為1636.1C，混凝土導(dǎo)電性由高等級(jí)降為低等級(jí);經(jīng)過(guò)6周的曝曬試驗(yàn)，涂膜未見(jiàn)明顯老化。研究結(jié)果說(shuō)明制備的雙層防腐涂料可有效減少氯離子對(duì)混凝土的長(zhǎng)期侵蝕并延長(zhǎng)海洋環(huán)境橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

關(guān)鍵詞：水性環(huán)氧樹(shù)脂;氟碳;防腐涂料;耐老化

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.028

文章編號(hào)：1673-4874（2019）08-0103-04

0引言

海洋環(huán)境橋梁混凝土的腐蝕性環(huán)境較為特殊，容易引起混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕老化，嚴(yán)重威脅橋梁壽命，妨礙行車安全。通過(guò)在混凝土表面涂裝防腐涂層，能夠有效提高混凝土的耐腐蝕性和耐久性。單層混凝土涂裝體系雖然施工操作便捷，成本較低，但成分單一，只對(duì)特定腐蝕介質(zhì)進(jìn)行防護(hù)，防腐效果普遍不佳;三道或多道的多層體系雖具有優(yōu)良的防腐效果，但通常應(yīng)用于小型構(gòu)件的防腐，對(duì)混凝土橋梁等大型建筑來(lái)說(shuō)，工序復(fù)雜、成本較高、施工周期長(zhǎng)。而雙層體系混凝土涂料，避免了多層體系的弊端，能保證良好的防腐效果。

田慧文等通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土表面涂層防腐措施與其他防護(hù)措施的比較，表明采用丙烯酸、有機(jī)硅等對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性制備水性環(huán)氧改性聚合物，可望獲得綜合性能優(yōu)良的水性混凝土涂料。鄭焱以水性氟碳樹(shù)脂涂料測(cè)試表明該氟碳面層涂層對(duì)混凝土的防護(hù)性能良好。

本實(shí)驗(yàn)從混凝土雙層防腐涂料體系角度出發(fā)，結(jié)合實(shí)際海洋工程環(huán)境，研究探索所制丙烯酸改性環(huán)氧底層、氟碳面層涂料在混凝土試件上的性能表現(xiàn)，對(duì)其防腐和耐久效果進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，同時(shí)提出相關(guān)施工工藝，為工程應(yīng)用提供參考。

1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1雙層防腐體系涂料的制備

1.1.1丙烯酸酯改性環(huán)氧底漆的制備

將正丁醇和乙二醇丁醚（以4：3為比例）混合后加入到環(huán)氧樹(shù)脂中，充分溶解，然后將其轉(zhuǎn)入三口燒瓶中，在110℃油浴，將適量的苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸羥丙酯等接枝單體和引發(fā)劑過(guò)氧化苯甲酰的混合溶液，在1.5h后緩慢均勻滴入燒瓶中;升溫至120℃，反應(yīng)2.5h;降溫至85℃，將適量N、N-二甲基乙醇胺緩慢加入，中和成鹽;用氨水調(diào)節(jié)其pH值至7～7.5;降溫A50℃，加入適量的去離子水，制得丙烯酸酯水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液。

將制得的丙烯酸酯水性環(huán)氧樹(shù)脂乳液和改性多元胺固化劑（比例5：1）、適量二月桂酸二丁基錫、流平劑BYK310、消泡劑DFC21加入圓底燒瓶中，高速攪拌30min，使各組分均勻混合。攪拌完成后靜置5min，之后涂覆于120m×50mm涂料專用試板上，自然流平，涂膜厚度控制在2～3mm，固化成膜。

1.1.2氟碳面層的制備

氟碳面層制備分為兩組分。A組份：稱取一定量的氟碳樹(shù)脂和溶劑，以300r/min高速分散攪拌10min，攪拌過(guò)程中加入一定比例的填料、消泡劑、流平劑。B組份：稱取一定量的固化劑、催干劑和溶劑，分散攪拌均勻。

樹(shù)脂基材采用1#Q211常溫固化氟碳樹(shù)脂，占總體系用量50%;溶劑體系選擇乙酸乙酯和環(huán)己酮的混合溶劑;固化劑選用HDI縮二脲;摻加體系質(zhì)量0.05%的三乙醇胺作催干劑，流平劑選用有機(jī)硅型流平劑BYK-333占體系0.5%，不添加消泡劑;選擇鈦白粉、硅灰石、云母粉和炭黑為顏填料，適量加入，用量為體系質(zhì)量的25%。

1.2混凝土試件的制備及涂裝

1.2.1混凝土試件的制備

根據(jù)《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTG/T B07-01-2006），采用堯柏特種水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表1。粗集料為連續(xù)級(jí)配花崗巖碎石，最大粒徑25mm，技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表2。細(xì)集料為河砂，最大粒徑5mm，技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表3。水為自來(lái)水。

試驗(yàn)用混凝土試塊水灰比（w/C）為0.6，砂率為35%～40%。混凝土配合比：水泥360kg/m，砂675kg/m，碎石1150kg/m，水215kg/m。按照設(shè)計(jì)配合比，稱取水泥和粗、細(xì)集料攪拌1min，加水?dāng)嚢柚敝脸浞只旌暇鶆?。將拌合好的混凝土倒入直?00mm、高60mrn的圓形試模充分振搗。放置24h后拆模，表面蓋濕麻袋在20℃±5℃條件下養(yǎng)護(hù)28d。將養(yǎng)護(hù)完成的試件標(biāo)號(hào)待用。

1.2.2混凝土表面預(yù)處理及涂料涂裝工藝

1.2.2.1混凝土試件表面預(yù)處理

先徹底清除混凝土表面的灰塵、油污、水生植物及舊涂料等雜質(zhì);再用便攜式打磨機(jī)進(jìn)行打磨處理。對(duì)于表面的微小裂縫和其他缺陷，用膩?zhàn)臃圻M(jìn)行修復(fù)補(bǔ)平，若存在嚴(yán)重裂縫、孔洞或麻面等，須用水泥砂漿抹面。所有混凝土表面在底涂施工前都應(yīng)進(jìn)行噴砂拋丸或打磨處理，保證涂裝表面的干凈清潔。

1.2.2.2混凝土防腐涂料的涂裝

根據(jù)《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件規(guī)范》（JT/T 695—2007）E73，涂裝環(huán)境溫度≥5℃，空氣相對(duì)濕度≤90%，保持混凝土表面干燥整潔。禁止在大風(fēng)、雨雪及揚(yáng)塵天氣進(jìn)行戶外施工。

環(huán)氧底層涂料施工采用滾刷法，將改性環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑及助劑混合攪拌均勻，待完全熟化后，滾刷2～3遍，涂裝完成后對(duì)滾刷不到位的部位進(jìn)行補(bǔ)涂。氟碳面漆施工采用刷涂法，在底層涂料徹底干燥后進(jìn)行面層涂料的涂裝，將A、B雙組份混合均勻后，涂刷2～3遍。施工完畢注意遮蓋，避免水、灰塵、雜物等破壞表面效果，直至涂層完全干燥。

1.3性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

1.3.1吸水性

按照《混凝土涂料吸水率測(cè)定方法》（HG/T 3344-2007）評(píng)價(jià)涂裝后混凝土的吸水性。制備混凝土試件，烘干后自然冷卻。試件上下兩面均進(jìn)行防腐涂料涂裝，并用環(huán)氧密封膠將所有側(cè)面完全密封。涂料完全干燥后，靜置養(yǎng)護(hù)5d后待測(cè)。養(yǎng)護(hù)后50℃下烘干12h，在溫度（20±5）℃、相對(duì)濕度（60±5）%環(huán)境中冷卻至室溫，用電子天平稱量干重并記作m。。將試件放入水槽，水面完全淹沒(méi)試件，保持水溫在（20±2）℃，浸泡24h。用濕抹布擦干殘留水分，迅速稱重并記作m1。

1.3.2附著力

參照《色漆和清漆拉拔法附著力試驗(yàn)》（GB/T5210-2006）的規(guī)定，采用拉拔試驗(yàn)儀法進(jìn)行涂膜附著力試驗(yàn)。

1.3.3氯離子滲透性

根據(jù)《混凝土抗氯離子滲透能力標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》（ASTMC1202-2010），采用電量法（又稱庫(kù)倫法）快速測(cè)定混凝土抗氯離子滲透性。儀器采用電量法混凝土抗氯離子滲透性試驗(yàn)儀。將涂裝防腐涂料后的混凝土試件通過(guò)電量記為Q1，未涂裝的記為Qo，計(jì)算總電量的變化幅度，評(píng)價(jià)涂料耐氯離子滲透性能。

1.3.4耐氣候老化性

根據(jù)《涂層自然氣候暴露試驗(yàn)方法》（GB/T9276-1996）規(guī)定，對(duì)涂裝后的混凝土試件進(jìn)行曝曬試驗(yàn)，根據(jù)《色漆與清漆涂層老化評(píng)級(jí)方法》（CB/T1766-1995）從變色等級(jí)、粉化等級(jí)、開(kāi)裂等級(jí)三個(gè)方面對(duì)涂膜耐氣候老化能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2結(jié)果與分析

2.1抗吸水性

通過(guò)測(cè)試涂裝雙層防腐涂料前后混凝土試件的吸水率，對(duì)該雙層涂料體系抗混凝土吸水性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明：在混凝土試件涂裝防腐涂料后，試件的吸水率出現(xiàn)了顯著降低。其中第3組試件吸水率降低幅度最大，達(dá)到2。96%，第1、第2組試件的吸水率降低幅度在2.5%左右。這表明該雙層涂料體系固化成膜后結(jié)構(gòu)致密，耐水性及封閉性良好，對(duì)抑制混凝土吸水效果明顯。

3組試件涂裝后的吸水率分別為0.83、0.66和0.73，涂料體系對(duì)混凝土吸水率的平均降低幅度為2.66%，大大滿足《海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐涂料評(píng)價(jià)方法》（DB37/T 2318-2013）的規(guī)定：吸水率≤1.5%，對(duì)吸水率的降低率應(yīng)在2%以上。兩項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，證明本研究所制備的防腐涂料的抑制混凝土吸水性能良好。

2.2黏結(jié)性

本試驗(yàn)測(cè)試了5組試件防腐涂料與混凝土基材之間的附著力，每組3個(gè)點(diǎn)共15個(gè)點(diǎn)的涂膜附著強(qiáng)度，黏結(jié)性試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

通過(guò)表5可以看出，5組試件附著力強(qiáng)度均較高。其中4號(hào)試件附著力最大，均值可達(dá)5.7MPa，3號(hào)試件相對(duì)最小，但也有5.23MPa。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)用成膜性保護(hù)涂料》（JG/T 335-2011）的規(guī)定，涂膜與混凝土基材間附著力不應(yīng)<1.5MPa。本涂料體系在保證足夠涂膜厚度的情況下，粘結(jié)性完全滿足規(guī)范值要求。

表5中第2、4、5號(hào)試件均出現(xiàn)無(wú)效數(shù)據(jù)，即破壞發(fā)生在錠子與涂膜之間，原因可能是膠黏劑強(qiáng)度不足或黏結(jié)不實(shí)，該數(shù)據(jù)不予采用。同時(shí)，所有試件的涂膜均沒(méi)有出現(xiàn)底層涂料和面層涂料之間的破壞，這說(shuō)明改性環(huán)氧樹(shù)脂底涂和氟碳樹(shù)脂面涂體系層間結(jié)合力可以達(dá)到使用要求，基本不存在層間破壞的可能。

2.3抗氯離子滲透性

采用電量法分別測(cè)定了3個(gè)未涂裝的空白組和3個(gè)涂裝后的試驗(yàn)組試件的抗氯離子滲透性，得到電流一時(shí)間曲線。通過(guò)計(jì)算求得通電6 h內(nèi)的總導(dǎo)電量?？瞻捉M和試驗(yàn)組試件的電流一時(shí)間曲線如圖1所示。

圖1中的1、2、3號(hào)試件為空白組，4、5、6號(hào)試件為試驗(yàn)組。從電流一時(shí)間曲線可以看出，涂裝防腐涂料后的混凝土試件的電流強(qiáng)度比未涂裝試件出現(xiàn)明顯降低。對(duì)曲線進(jìn)行近似面積積分，可以求出每組試件的6 h通過(guò)總電量（單位：庫(kù)倫），如表6所示。

由表6可知，未涂裝空白組的平均導(dǎo)電量為4163.3C，涂裝后試驗(yàn)組的平均導(dǎo)電量為1636 C，下降幅度為61%。根據(jù)美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTMC1202）規(guī)定，混凝土氯離子滲透性等級(jí)劃分如表7所示。

從表7中可以看出，經(jīng)過(guò)涂裝混凝土防腐涂料，混凝土的滲透性等級(jí)由高降為低。對(duì)混凝土導(dǎo)電量的降低率可以達(dá)到60%以上。這是因?yàn)橹旅艿耐磕そY(jié)構(gòu)封閉了混凝土表面的微孔隙，使得大部分氯離子無(wú)法滲透進(jìn)入混凝土試塊，從而降低了回路電量。這表明本研究的混凝土防腐涂料體系有效提高了混凝土耐氯離子滲透能力，對(duì)于提高混凝土的耐腐蝕性和耐久性有重要意義。

2.4耐自然老化性

本試驗(yàn)涂裝3個(gè)混凝土試件用于曝曬試驗(yàn)。每隔一周觀察并記錄涂膜表面情況。按照前文所述涂膜自然老化評(píng)級(jí)方法，從變色等級(jí)、粉化等級(jí)、開(kāi)裂等級(jí)三個(gè)方面評(píng)價(jià)涂膜的耐自然老化性能。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

從表8中可以看出，經(jīng)過(guò)6周的曝曬試驗(yàn)，3組試件涂膜均未出現(xiàn)明顯老化現(xiàn)象。在變色、粉化和開(kāi)裂評(píng)價(jià)中，所有涂膜表現(xiàn)良好，只有第2組試件出現(xiàn)細(xì)微裂縫，但此類細(xì)縫短期內(nèi)不會(huì)造成涂膜的結(jié)構(gòu)性損壞。在老化試驗(yàn)后期，涂膜出現(xiàn)輕微程度的粉化。綜合分析來(lái)看，由于時(shí)間因素的限制，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期的戶外曝曬試驗(yàn)，因此涂膜實(shí)際耐自然老化性能有待繼續(xù)驗(yàn)證。但就初期耐老化性能及前文進(jìn)行的耐紫外試驗(yàn)來(lái)看，本試驗(yàn)涂層體系可以滿足規(guī)范要求和工程需要。

3結(jié)語(yǔ)

本文研究了防腐涂料體系在混凝土上的性能表現(xiàn)，探討了混凝土試件的制備、預(yù)處理及涂裝工藝，并從抗吸水性、黏結(jié)性、抗氯離子滲透性以及耐自然老化（曝曬）四個(gè)方面對(duì)涂膜性能進(jìn)行測(cè)試，主要結(jié)論如下：

（1）混凝土試件涂裝雙層防腐涂料后，試件的吸水率明顯下降，降幅約為60%～75%，涂裝后的試件吸水率≤1%，表明涂膜體系結(jié)構(gòu)致密，封閉性及耐水性達(dá)到規(guī)范要求。

（2）所制備雙層涂層體系間附著力良好，涂膜與混凝土基材之間的附著強(qiáng)度可達(dá)5MPa以上，滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)涂膜附著力的規(guī)定。

（3）混凝土試件在涂裝防腐涂料后，6 h總導(dǎo)電量從4163.3C下降至1636.1C，混凝土導(dǎo)電性等級(jí)由高等級(jí)降為低等級(jí)，涂裝后的混凝土具有較好的抗氯離子滲透性，可在一定程度上提高海洋環(huán)境橋梁混凝土的耐腐蝕性和耐久性。

（4）本防腐涂料體系在6周曝曬試驗(yàn)中未出現(xiàn)明顯老化現(xiàn)象。只有個(gè)別試件出現(xiàn)了輕微開(kāi)裂和粉化，但未對(duì)涂膜結(jié)構(gòu)造成影響，涂膜初期耐自然老化性滿足要求。