過水混凝土面生物侵蝕防護(hù)涂料性能研究

蔡杰龍 楊永民 潘志權(quán)

摘 要：以廣東省某大型輸水工程為例，基于工程與資料調(diào)研，選取4種代表性的防護(hù)材料，通過接觸角、表面能、吸水率、顯微硬度和耐酸性等材料性能室內(nèi)試驗，結(jié)合防護(hù)材料涂覆前后輸水建筑物過水混凝土面生物附著量和附著強度現(xiàn)場試驗，并建立技術(shù)性能量化評價方法，綜合分析評價了防護(hù)材料的生物侵蝕防護(hù)效果。結(jié)果表明：以環(huán)氧樹脂底漆、氟碳樹脂為面漆的BIOX涂料表面接觸角較大、表面能較低、吸水率較低，有機酸侵蝕質(zhì)量損失較小，防生物附著性能表現(xiàn)優(yōu)異，12個月齡期涂覆于現(xiàn)場的涂層表面完好無損，比其他涂料具有明顯的性能優(yōu)勢;利用防護(hù)材料技術(shù)性能量化評價可知，BIOX涂料的防生物侵蝕性能綜合得分最高，表現(xiàn)最佳，是輸水建筑物過水混凝土面生物侵蝕防護(hù)涂料的首選。

關(guān)鍵詞：過水混凝土面;防護(hù)材料;生物侵蝕;量化評價模型

中圖分類號：TV866;V261.93+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.029

Abstract： Taking a large-scale water transfer project in Guangdong Province as an example， based on engineering and data investigation， four kinds of representative protective materials were selected to study through indoor tests on material properties such as contact angle， surface energy， water absorption， microhardness and acid resistance. Combined with the field test of biological adhesion quantity and adhesion strength of concrete surface of water transfer structure before and after coating of protective materials， a quantitative evaluation model of technical performance was established. The biological erosion protection effect of protective materials was comprehensively analyzed and evaluated. The results show that the BIOX coating with epoxy resin primer and fluorocarbon resin as topcoat has larger surface contact angle， lower surface energy， lower water absorption， less mass loss of organic acid erosion and excellent anti-biological adhesion performance. The surface of the coating coated on the site at the age of 12 months is intact and has obvious advantages over other coatings. According to the evaluation of the technical performance quantitative model of protective materials， the comprehensive score of anti-biological erosion performance of BIOX coating is the highest and its performance is the best. Therefore， BIOX coating is the first choice of biological erosion protective coating for concrete surface of water delivery structures.

Key words： porous concrete surface; protective material; biological erosion; quantitative evaluation model

1 引 言

混凝土是輸水建筑物使用最廣泛的工程材料，在確保建筑結(jié)構(gòu)安全運行方面發(fā)揮極為重要的作用。近些年來，水生物的侵蝕使廣東省某大型輸水工程建筑物的過水混凝土面遭受不同程度的損傷與破壞，給工程結(jié)構(gòu)安全和正常運行帶來了潛在隱患，同時也使工程整體形象受到損害[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國已記錄的附著型水生物約600種[2]，主要包括水虱、水螅、海鞘、藤壺、沼蛤以及藻類等，主要附著于混凝土過水面并通過分泌有機酸等物質(zhì)侵蝕混凝土。據(jù)統(tǒng)計[3]，在德國10%～20%的建筑物的破壞主要源于生物侵蝕;在美國的排污管道網(wǎng)中，將近80萬km已經(jīng)遭受不同程度的微生物侵蝕，亟待修復(fù)或更換。據(jù)《中國工業(yè)與自然環(huán)境腐蝕問題調(diào)查與對策》，我國2010年由生物侵蝕導(dǎo)致的經(jīng)濟損失在4 979億元以上[4]。

輸水建筑物過水混凝土面生物侵蝕防護(hù)方法可分為物理防護(hù)、化學(xué)防護(hù)和生物防護(hù)3種[4]，其中：化學(xué)防護(hù)多使用化學(xué)試劑殺滅水體中的生物，具有一定毒性，在輸水建筑物上使用容易污染水質(zhì)，給水安全帶來潛在隱患;生物防護(hù)主要通過水生物或者仿生涂料對生物侵蝕進(jìn)行防治，容易導(dǎo)致水生態(tài)平衡的破壞。鑒于此，筆者從物理防護(hù)角度出發(fā)，選用4種代表性的環(huán)保型防護(hù)涂料，通過接觸角、表面能、吸水率、顯微硬度和耐酸性等材料性能室內(nèi)試驗，結(jié)合防護(hù)材料涂覆前后輸水建筑物過水混凝土面生物附著量和附著強度等現(xiàn)場試驗，建立技術(shù)性能量化評價模型，綜合分析評價防護(hù)材料的生物侵蝕防護(hù)效果，以期為工程防護(hù)材料的選擇提供參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

（1）混凝土原材料?；炷猎牧希ㄋ?、粉煤灰、細(xì)骨料、粗骨料和減水劑）均參照原工程輸水建筑物所用的混凝土，其中：水泥采用廣東珠江水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5R水泥，粉煤灰為廣州恒達(dá)資源綜合利用有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰，細(xì)骨料采用東江河砂（細(xì)度模數(shù)為2.8），粗骨料采用5～20 mm連續(xù)級配的花崗巖碎石，減水劑采用瑞龍牌LS-400高效緩凝減水劑（WR-R），所有原材料均經(jīng)檢測合格后使用。

（2）基準(zhǔn)混凝土配合比?；炷僚浜媳葏?shù)參照原工程使用配合比（見表1），混凝土設(shè)計強度為C20。

（3）防護(hù)材料。所選用的4種代表性防護(hù)材料見表2。

2.2 試驗樣品制備

（1）試樣制備。砂漿根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 352—2006進(jìn)行拌和成型，水灰比為0.5，試樣尺寸為70 mm×70 mm×70 mm。試樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出，并對每個試樣的5個表面涂覆環(huán)氧樹脂，另外一個表面涂覆試驗防護(hù)涂料。設(shè)置3組試驗，每組試驗5個試樣。

（2）現(xiàn)場試驗混凝土試樣。試驗混凝土參照國標(biāo)GB/T 50080—2002拌和成型，試樣尺寸為500 mm×500 mm×50 mm。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出，按照標(biāo)準(zhǔn)涂覆工藝用4種涂料分別對試樣進(jìn)行涂覆，預(yù)留一個空白樣作為對照。

2.3 試驗方法

（1）現(xiàn)場掛板試驗。將涂覆不同防護(hù)涂料的混凝土試樣吊裝在輸水涵洞口處，模擬真實水流環(huán)境下生物對混凝土面層的附著與侵蝕情況?，F(xiàn)場掛板試驗分3個月、6個月和12個月3個齡期。

（2）涂層表面能、表面接觸角。使用法國某公司生產(chǎn)的表面接觸角測量儀，按照廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的地方標(biāo)準(zhǔn)DB44/T 1232—2013相關(guān)規(guī)定，測定涂層表面能、表面接觸角。

（3）涂層吸水率。將涂覆防護(hù)涂料的砂漿試件和空白樣置于50 ℃恒溫干燥箱中烘至試件質(zhì)量不變，稱其質(zhì)量m1;將5組試件分別用石蠟密封其他5個面后置于水中，確保淹沒試件，浸泡48 h后取出，用濕布吸干表面，小心揭掉石蠟，再次稱其質(zhì)量m2。涂層吸水率w的計算公式為

w=m2-m1m1×100%（1）

（4）涂層顯微硬度。使用HV-5維氏硬度計進(jìn)行硬度測試，隨機測量每種涂料涂層表面10個硬度數(shù)據(jù)，取其平均值作為涂層的硬度值。

（5）涂層耐酸性。使用一般水生物分泌的有機酸（乙酸、丙酸、檸檬酸），按照一定比例配制人工模擬侵蝕液，將砂漿試樣放入其中進(jìn)行浸泡試驗，浸泡齡期為30 d。觀察浸泡后涂層表面的剝落、開裂或起泡等劣化情況，按照劣化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（見表3）評定涂層的劣化等級。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 涂層表面能/表面接觸角

根據(jù)涂層表面接觸角與表面能試驗結(jié)果（見表4）可知，涂層表面接觸角由大到小排序為BIOX、ZH、JJF、SBS和空白樣，表面能由大到小排序為空白樣、SBS、JJF、ZH和BIOX。由此可知，BIOX涂層的防附著性能最強，其次為ZH涂層，再次為JJF涂層，SBS涂層的最差。

3.2 涂層吸水率

根據(jù)不同涂層吸水率試驗結(jié)果（見表5）可知，涂層的吸水率排序為BIOX

3.3 涂層顯微硬度

根據(jù)顯微硬度試驗結(jié)果（見表6）可知，4種涂層中SBS涂層的顯微硬度最高，接近于空白樣，ZH與JJF涂層的顯微硬度相對較低。其中：BIOX為彈性涂料，硬度數(shù)據(jù)無法測出;SBS涂層硬度較高，在輸水建筑中抵抗含沙水流沖刷時相對較為穩(wěn)定，即抗沖刷性能好;ZH與JJF涂層相對硬度較低，抗沖刷性能相對較差。

3.4 涂層耐酸性

不同涂層試樣在有機酸侵蝕30 d后的質(zhì)量變化和劣化等級狀況見表7。由表7可知，4種涂層試樣與空白樣在模擬有機酸侵蝕下均出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量損失，其中：空白樣的質(zhì)量損失率最大，為2.1%;4種涂層試樣質(zhì)量損失率均相對較小，BIOX最小（0.1%），涂層劣化等級為Ⅰ級（基本完好）;SBS和JJF涂層試樣的質(zhì)量損失均較大，涂層剝落程度也較為嚴(yán)重，劣化等級分別為Ⅲ級和Ⅳ級。由此可見，BIOX涂料的耐酸性最強，ZH的次之，SBS和JJF涂料的耐酸性最差。

3.5 現(xiàn)場掛板試驗

根據(jù)不同試驗齡期涂層污損附著試驗結(jié)果（見表8）可知：3個月試驗齡期時，各種涂層均未產(chǎn)生明顯污損，空白樣則出現(xiàn)少量砂漿剝蝕;6個月試驗齡期時，ZH和BIOX涂層均未出現(xiàn)明顯污損，SBS和JJF涂層則出現(xiàn)局部剝落的現(xiàn)象;12個月試驗齡期時，ZH和BIOX涂層表面仍較為完好，無明顯污損，SBS和JJF涂層的剝落程度則較為嚴(yán)重。可見，BIOX涂料表現(xiàn)優(yōu)異，各個齡期涂層表面均未有附著。其他3種涂層表面淡水殼菜的附著強度較為接近，其中：SBS涂層附著密度最大，與空白樣相近;ZH和JJF涂層附著密度接近，均較大。

3.6 原位涂覆試驗

由原位涂覆試驗結(jié)果可知，經(jīng)過12個月試驗齡期后，涂覆SBS涂料的混凝土表面污損附著物數(shù)量最多、面積最大;其次為ZH和JJF涂層，表面附著程度相對較輕，但附著量同樣較大;BIOX涂層表面未出現(xiàn)明顯附著，涂覆邊界清晰可見，涂覆區(qū)域外則附著嚴(yán)重。因此，BIOX涂層防生物附著性能最佳，其次為ZH和JJF涂層，SBS涂層最差。

3.7 不同涂料技術(shù)性能量化評價

將4種涂料的技術(shù)性能分為“優(yōu)秀”“良好”“合格”“較差”4個等級，各等級對應(yīng)的分?jǐn)?shù)見表9。

根據(jù)該工程對過水混凝土面防護(hù)性能的要求，對各種技術(shù)指標(biāo)賦予一定的權(quán)重，權(quán)重等級分為5%、10%、15%、20% 4級，室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗相關(guān)技術(shù)指標(biāo)權(quán)重分別為45%和55%。根據(jù)上述試驗結(jié)果，不同涂料技術(shù)性能評分結(jié)果見表10。表中所有指標(biāo)按照試驗結(jié)果優(yōu)劣進(jìn)行排序，并根據(jù)評價等級進(jìn)行量化計算。BOIX為彈性涂料，顯微硬度指標(biāo)無法表征，按“合格”等級賦分;BOIX掛板表面無污損物附著，污損物附著強度按“優(yōu)秀”等級賦分;現(xiàn)場試驗中原位涂覆附著量無法定量統(tǒng)計，只進(jìn)行定性對比，BIOX涂層按“優(yōu)秀”等級賦分，其他涂層表面附著嚴(yán)重、附著量過多無法統(tǒng)計，按“較差”等級賦分。由表10可知：BIOX涂料綜合評分最高，技術(shù)性能綜合表現(xiàn)優(yōu)秀;其次為ZH涂料，綜合表現(xiàn)合格;JJF和SBS涂料綜合評分均低于60分，表明性能綜合評價較差。

4 結(jié) 論

（1）以環(huán)氧樹脂為底漆、氟碳樹脂為面漆的BIOX涂料表面接觸角較大，表面能較低，吸水率與有機酸侵蝕質(zhì)量損失率較小，防生物附著性能表現(xiàn)優(yōu)異，是輸水建筑物過水混凝土面生物侵蝕防護(hù)涂料的首選。

（2）BIOX涂料在工程現(xiàn)場12個月齡期內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)異，涂層表面完好無損，未出現(xiàn)任何程度的劣化，相較于其他涂料具有明顯的性能優(yōu)勢。

（3）通過涂料技術(shù)性能量化評價可知，BIOX涂料技術(shù)性能綜合得分最高，表現(xiàn)最佳。該量化評價方法可為工程涂料的綜合評價與篩選提供一種新的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊永民，潘志權(quán)，蔡杰龍，等.淡水殼菜對大型輸水工程混凝土表面侵蝕及防護(hù)措施研究[J].廣東水利水電，2018（2）：50-56.

[2] 劉勐伶，嚴(yán)濤.南海污損生物生態(tài)研究進(jìn)展[J].海洋通報，2006，25（1）：84-91.

[3] THAER M. Wahshat Sulfur Mortarand Polymer Modified Sulfur Mortar Lining for Concrete Sewer Pipe[D]. Ames： Iowa State University，2001：3-12.

[4] 李榕. 輸水工程中以淡水殼菜為主的污損體系對混凝土的侵蝕及其防護(hù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2017：1-18.

.

【責(zé)任編輯 張華興】