防護(hù)淡水殼菜涂料性能分析及工程實(shí)踐

楊永民，潘志權(quán)，陳小丹，蔡杰龍，朱思軍，趙可昕

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東 廣州510225；2.廣東粵港供水有限公司，廣東 深圳518000；3.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州510610；4.華南理工大學(xué)，廣東 廣州510640）

0 引言

淡水殼菜學(xué)名沼蛤，屬于雙殼綱異柱目貽貝科[1-3]。近些年來，國(guó)內(nèi)外存在淡水殼菜在供水輸水工程產(chǎn)生附著的情況，影響工程的實(shí)用功能以及構(gòu)筑物的耐久性和使用壽命。淡水殼菜的大量產(chǎn)生，會(huì)對(duì)水質(zhì)造成影響，減小輸水或供水工程的橫斷面積，從而增大過流糙率，降低輸水供水的效益[4-6]。國(guó)內(nèi)外一些研究均從淡水殼菜特殊的生理特征出發(fā)，根據(jù)其不同的生理時(shí)期，采取相應(yīng)的治理措施，在不影響水生態(tài)的前提下，提高治理效率和經(jīng)濟(jì)效益。目前已逐漸積累了一些預(yù)處理以及物理、試劑處理等防治方法[7-9]。但綜合而言，都存在治理效果不明顯、費(fèi)用高且治理周期過短等問題。

針對(duì)已建工程，從輸水構(gòu)筑的規(guī)模、結(jié)構(gòu)、功能角度出發(fā)，物理法中以防護(hù)涂料保護(hù)法應(yīng)用最為廣泛和適宜[10-11]。本文擬采用環(huán)保型防護(hù)涂料，從阻礙生物附著和即便產(chǎn)生生物附著但對(duì)混凝土不產(chǎn)生侵蝕的防護(hù)原理出發(fā)，考慮低表面能涂料和高致密性涂料，對(duì)比4種不同涂料的性能，通過現(xiàn)場(chǎng)混凝土板的拋擲試驗(yàn)和工程現(xiàn)場(chǎng)原位防護(hù)試驗(yàn)，分析涂料本身的防附著性及涂料對(duì)混凝土的防護(hù)效果，可為工程防護(hù)材料的選擇提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 防護(hù)涂料選擇與性能

1.1 防護(hù)涂料的類型與防護(hù)機(jī)理

淡水殼菜是通過附著在輸水管道中產(chǎn)生危害，而涂層附著于輸水管道表面，可降低輸水管道的表面能，從而抑制淡水殼菜的附著。低表面能是防污型涂料的基本特性之一，降低涂層表面能，增大與水的表面接觸角可從2個(gè)方向入手，即改變組分和改變結(jié)構(gòu)。目前，改變組分主要靠加入有機(jī)硅烷、氟碳樹脂來降低表面能；從結(jié)構(gòu)方向即模仿荷葉、鯊魚皮等組織結(jié)構(gòu)的仿生研究。表面接觸角越大，表面能越低，理論防附著性越好。因此，防護(hù)涂料的選擇就根據(jù)淡水殼菜的附著機(jī)理對(duì)其附著或生長(zhǎng)過程進(jìn)行干擾或破壞，然后最大程度地減少污損生物的附著或使其不能生長(zhǎng)繁殖。

試驗(yàn)選用4種不同的防護(hù)涂料防護(hù)淡水殼菜，分別為加拿大賽伯斯化學(xué)公司生產(chǎn)的水泥基滲透結(jié)晶材料（XYPEX）、中核防水材料有限公司生產(chǎn)的有機(jī)硅烷-水泥基滲透結(jié)晶材料（ZH-2000B）、關(guān)西涂料株式會(huì)社生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂/硅膠涂料（GX-BIOX）和廣東輝固材料科技有限公司生產(chǎn)的堿激發(fā)涂料（G-Ⅱ）。鑒于工程為飲用水輸水工程，4種涂料均符合《生活飲用水衛(wèi)生規(guī)范》（衛(wèi)生部2001版）及GB/T 5750—2006《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護(hù)材料衛(wèi)生安全評(píng)價(jià)規(guī)范》，防護(hù)涂料的類型和大致的作用機(jī)理見表1。

表1 防護(hù)涂料的選用類型及防護(hù)機(jī)理

1.2 試驗(yàn)方法

（1）涂層表面能和接觸角測(cè)試：按DB44/T 1232—2013《測(cè)定固體涂層、基材和顏料表面張力的試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

（2）吸水率測(cè)試：采用70 mm×70 mm×70 mm的砂漿試件，成型1 d后脫模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d，然后取出擦拭浮水，按涂料使用要求涂刷試樣，后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)14 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束將試樣取出置于50℃恒溫干燥箱烘到試件恒重，稱重，然后浸入水中吸水48 h，取出擦拭浮水、稱量，計(jì)算吸水率。

（3）顯微硬度測(cè)試：采用HV-5型維氏硬度計(jì)，載荷0.5 N、保持時(shí)間10 s，每種涂層表面隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試，取平均值作為該種涂料的硬度值。

（4）耐有機(jī)酸侵蝕質(zhì)量損失率測(cè)試：鑒于淡水殼菜代謝產(chǎn)生的侵蝕介質(zhì)為乙酸和丙酸，且需氧生物體內(nèi)普遍存在三羧酸循環(huán)。為此，配制模擬侵蝕有機(jī)酸溶液，按照乙酸濃度為12.80g/L、檸檬酸濃度為1.99g/L、丙酸濃度為5.70g/L配制后，用1mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至4.0。模擬侵蝕液作為酸腐蝕液，然后將分別涂有4種涂料的試樣和空白試樣浸泡在模擬侵蝕有機(jī)酸溶液中，浸泡30 d后，觀察涂層有無剝落、開裂、起泡等劣化情況。然后將試件置于50℃干燥箱烘至恒重，計(jì)算質(zhì)量損失率，以質(zhì)量損失率來表征涂層的耐酸性。

（5）拋擲試驗(yàn)：主要通過工程現(xiàn)場(chǎng)放置混凝土板，將涂覆不同涂料的混凝土板依次固定于不銹鋼試樣籠中，并在試樣表面和金屬籠上均作標(biāo)記，一定齡期后起吊金屬籠觀察統(tǒng)計(jì)不同涂料表面的淡水殼菜、藻類等污損生物的附著量。工程現(xiàn)場(chǎng)涂料的防生物附著性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，主要通過工程現(xiàn)場(chǎng)混凝土構(gòu)筑物原位涂覆實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過1個(gè)停水期（1年）后觀察統(tǒng)計(jì)不同涂料表面的淡水殼菜、藻類等污損生物的附著量。

1.3 涂料性能比對(duì)

接觸角和表面能可以表征涂料的憎水性質(zhì)，接觸角越大，淡水殼菜的足絲附著越困難。吸水率主要與涂層的憎水性質(zhì)相關(guān)，還與涂層的致密性相關(guān)，這主要是針對(duì)無機(jī)涂料，但無機(jī)涂料一般采用增加1層防水處理。防護(hù)涂層在輸水工程中應(yīng)用時(shí)需要抵抗含砂水的沖刷磨削力，因此需要具備一定的硬度和耐磨性。涂層的劣化等級(jí)與耐酸性、吸水率、顯微硬度均有關(guān)。耐酸性表征涂層在生物代謝酸下的分解、破壞；吸水率越大，涂層易因吸水膨脹而剝落；顯微硬度越小，涂層易因磨蝕而剝落，均會(huì)使涂層劣化程度增大，耐久性差。由此，顯微硬度、接觸角、涂層吸水率、耐酸性等都是不同涂料防護(hù)效果綜合評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。不同涂層的性能如表2所示。

表2 不同涂層的性能比較

由表2可知：

（1）4種涂料的理論防附著性能（表面接觸角）由高到低依次為：GX－BIOX＞ZH－2000B＞G－Ⅱ＞空白試樣＞XYPEX；涂層的吸水率大小排序依次為：GX－BIOX＜ZH－2000B＜G－Ⅱ＜XYPEX＜空白試樣。因環(huán)氧樹脂涂層的防護(hù)作用在于在混凝土表面形成一層致密的有機(jī)涂膜，面層硅膠的防護(hù)性在于低表面能，從而降低污損生物的附著強(qiáng)度。因此，以環(huán)氧樹脂為底涂，硅膠為面涂的防護(hù)體系GX－BIOX的附著性最佳、吸水率最小。

（2）4種涂層中，ZH－2000B、XYPEX、G－Ⅱ及空白試樣的顯微硬度依次為17.80、30.34、18.71、37.49 kg/mm2，其中以XYPEX涂層的顯微硬度最高，接近空白混凝土的顯微硬度值，ZH－2000B和G－II涂層的顯微硬度均較低，而GX－BIOX涂層體系由于面涂硅膠具有一定的彈性，不適合于顯微硬度測(cè)試；GX－BIOX和ZH－2000B涂層的耐酸性較好，G－II和XYPEX涂層的耐酸性較差。

總之，GX－BIOX涂層的硬度小，但接觸角大、吸水率小、耐酸性好；ZH－2000B涂層和G－Ⅱ涂層的接觸角、顯微硬度均相近，但后者因涂層致密度不夠?qū)е挛瘦^大、耐酸性較差，涂層劣化程度較嚴(yán)重；XYPEX涂層雖然顯微硬度較高，但因接觸角大導(dǎo)致吸水率大，同時(shí)耐酸性差，涂層劣化程度較嚴(yán)重。因此，以GX－BIOX涂料的綜合性能最佳。

2 防護(hù)涂料的防護(hù)效果及分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)混凝土板拋擲試驗(yàn)

參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》拌制混凝土，混凝土配合比按東深供水工程太園泵站輸水建筑C20混凝土進(jìn)行配制。采用華潤(rùn)P·O42.5R水泥，粉煤灰為黃埔電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，砂為河砂（Ⅱ區(qū)中砂），碎石為5～31.5 mm石灰?guī)r碎石，減水劑為聚羧酸減水劑（固含量15%，減水率25%），混凝土的配合比如表3所示，混凝土的7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為20.9、30.5 MPa?；炷涟逶嚇映叽鐬?00 mm×500 mm×50 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)[溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度＞90%]2 d后脫模，繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后取出，混凝土試板和混凝土板拋擲試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)涂覆不同涂層混凝土板的初始狀態(tài)見圖2，拋擲1年后混凝土板的狀態(tài)見圖3，防護(hù)效果見表4。

表3 混凝土的配合比 kg/m3

表4 不同涂層現(xiàn)場(chǎng)混凝土板拋擲試驗(yàn)結(jié)果

圖1 混凝土試板和混凝土板拋擲試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖2 涂覆不同涂層混凝土板的初始狀態(tài)

圖3 不同涂層混凝土板拋擲1年后的狀態(tài)

從圖3和表4拋擲1年后現(xiàn)場(chǎng)混凝土板表面污損物附著情況可以看出：

（1）未涂覆涂料的空白混凝土掛板表面已吸附有大量的淡水殼菜，部分區(qū)域淡水殼菜已成團(tuán)并完全嵌入式附著于混凝土掛板表面，混凝土表面已呈現(xiàn)明顯的發(fā)黑發(fā)黃現(xiàn)象，受動(dòng)水及附著生物腐蝕后的涂料表面平整度較差。

（2）涂覆ZH-2000B涂料的掛板表面已吸附有大量的生物，淡水殼菜個(gè)頭較大，個(gè)體成長(zhǎng)較為成熟，部分區(qū)域淡水殼菜已成團(tuán)并直接嵌入式附著于混凝土掛板表面。同時(shí)，掛板表面涂料已呈現(xiàn)發(fā)黑發(fā)黃現(xiàn)象，且經(jīng)動(dòng)水及附著生物腐蝕后的涂料表面局部已出現(xiàn)破損及開裂現(xiàn)象。涂覆XYPEX涂料的掛板表面同樣已吸附有大量的生物，淡水殼菜個(gè)頭同樣較大，個(gè)體成長(zhǎng)已較為成熟，部分區(qū)域淡水殼菜已成團(tuán)并直接嵌入式附著于混凝土掛板表面。同時(shí)，掛板表面涂料已呈現(xiàn)發(fā)黑發(fā)黃現(xiàn)象，但鏟除表面附著生物后未發(fā)現(xiàn)有涂料明顯的破損或開裂。涂覆了堿激發(fā)涂料的掛板表面已吸附有大量的生物，淡水殼菜且其個(gè)頭較大，個(gè)體成長(zhǎng)較為成熟，部分區(qū)域淡水殼菜已成團(tuán)并直接嵌入式附著于混凝土掛板表面，掛板表面涂料已呈現(xiàn)明顯的發(fā)黑發(fā)黃現(xiàn)象，且經(jīng)動(dòng)水及附著生物腐蝕后的涂料表面已出現(xiàn)明顯的破損及開裂現(xiàn)象。而涂覆GX-BIOX涂料的掛板表面雖然吸附有少數(shù)的生物，但數(shù)量甚少，其主要種類為水藻，而淡水殼菜幾乎未有發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，掛板表面涂料仍能較大程度保持原涂料的特征（包括顏色、均勻性、完整性、平整度等），涂料表面未發(fā)現(xiàn)有明顯的破損或開裂，從掛板外觀附著情況可知，該涂料在東深供水工程水環(huán)境中建筑物混凝土表面防治水生物腐蝕方面表現(xiàn)較為優(yōu)異，是一種潛在的可用于防治淡水生物腐蝕的涂料。

2.2 工程現(xiàn)場(chǎng)原位防護(hù)試驗(yàn)

于停水期在抽水站倒虹吸取水口建筑物混凝土表面分別涂覆4種不同涂料，并在通水1年后觀察分析水生物表面淡水殼菜附著情況，污損后的現(xiàn)場(chǎng)工程樣板如圖4所示，防護(hù)效果評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。

圖4 污損后的現(xiàn)場(chǎng)工程樣板

表5 不同涂層工程現(xiàn)場(chǎng)原位防護(hù)試驗(yàn)

從圖4和表5可以看出，除涂覆GX-BIOX的試板外，空白混凝土板和涂覆其它3種不同涂料的試板表面均已吸附有大量的淡水殼菜，個(gè)頭較大，個(gè)體成長(zhǎng)較為成熟，部分區(qū)域淡水殼菜已成團(tuán)并直接嵌入式附著于混凝土表面，無法有效對(duì)水生物的附著及腐蝕進(jìn)行防護(hù)。對(duì)涂覆有GX-BIOX涂料表面污損物附著情況可以看出，涂層表面基本未附著有淡水殼菜等水生物，涂層表面仍能較大程度保持原涂料的特征（包括顏色、均勻性、完整性、平整度等），涂料表面未發(fā)現(xiàn)有明顯的破損或開裂，防治混凝土表面水生物的腐蝕方面表現(xiàn)較為優(yōu)異，是一種潛在的可用于防治淡水生物腐蝕的防腐涂料。

3 結(jié)論

（1）從阻礙生物附著和即便生物附著但對(duì)混凝土不產(chǎn)生侵蝕兩種防護(hù)原理出發(fā)，考慮低表面能涂料和高致密性涂料對(duì)已建工程混凝土進(jìn)行防護(hù)。4種涂料中，以GX-BIOX涂層的硬度最小，但接觸角大、涂層吸水率小、耐酸性好，1年時(shí)間內(nèi)保持完好無劣化；ZH-2000B與G-Ⅱ涂層的接觸角、顯微硬度均相近，但后者因涂層致密度不夠?qū)е挛矢蟆⒛退嵝愿?，涂層劣化程度較嚴(yán)重；XYPEX涂料雖然顯微硬度高，但因接觸角大導(dǎo)致吸水率更大，同時(shí)耐酸性更差，涂層劣化程度較嚴(yán)重。

（2）現(xiàn)場(chǎng)混凝土拋擲試驗(yàn)表明：涂覆GX-BIOX涂料的掛板表面基本不吸附淡水殼菜，掛板表面涂料仍能較大程度保持原涂料的特征，涂料表面未發(fā)現(xiàn)有明顯的變化，防治淡水殼菜效果較為優(yōu)異；涂覆其它3種涂料的掛板表面已吸附大量的生物，淡水殼菜個(gè)頭較大，個(gè)體成長(zhǎng)較為成熟，部分區(qū)域淡水殼菜已成團(tuán)并直接嵌入式附著于混凝土掛板表面，防護(hù)效果較差。

（3）現(xiàn)場(chǎng)原位防護(hù)試驗(yàn)結(jié)果表明：涂覆有GX-BIOX涂料混凝土表面基本未附著有淡水殼菜等水生物，涂層表面仍能較大程度保持原涂料的特征（包括顏色、均勻性、完整性、平整度等），涂料表面未發(fā)現(xiàn)有明顯的破損或開裂，防治混凝土表面水生物的腐蝕方面表現(xiàn)較為優(yōu)異，是一種潛在的可用于防治淡水生物腐蝕的防腐涂料。其它不同涂料涂覆的樣板表面均已吸附有大量的淡水殼菜，部分區(qū)域淡水殼菜已成團(tuán)并直接嵌入式附著于混凝土表面，無法有效對(duì)水生物的附著及腐蝕進(jìn)行防護(hù)。