石墨烯重防腐涂層對濱海鋼筋混凝土的防護性能研究

邸興盛　薄強　潭仝奎　費飛　王愛紅

摘要：針對鋼筋混凝土在海洋大氣腐蝕環(huán)境中鋼筋銹蝕及混凝土碳化等難題，本文通過配方設(shè)計和優(yōu)化，研制一種新型混凝土防護用石墨烯改性重防腐復合涂層體系，具體包括環(huán)氧滲透性防銹底漆、高固體石墨烯阻隔中間漆和氟碳耐候面漆，復合涂層具有良好的耐化學品性和優(yōu)異的防腐性能。通過在海工混凝土的示范工程應用和防護性能跟蹤評價，結(jié)果表明研制涂層對海工混凝土在苛刻海洋大氣腐蝕環(huán)境具有優(yōu)異防護效果，預計其防護壽命可達10年以上。

關(guān)鍵詞：石墨烯重防腐涂層;鋼筋混凝土;海洋大氣腐蝕;失效

1石墨烯改性重防腐復合涂層研制

海洋大氣腐蝕環(huán)境中，混凝土碳化和氯離子侵蝕鋼筋是導致海工鋼筋混凝土劣化失效的主要原因。我國早期修建的海工平臺和港口碼頭，部分海工混凝土服役時間小于10年就發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)大面積銹蝕，導致其服役年限遠低于設(shè)計要求，部分海工混凝土鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕照片見圖1。涂裝海洋重防腐涂層是提高混凝土服役壽命最方便也是性價比最高的防護技術(shù)手段。重防腐涂料是指能在相對苛刻的腐蝕環(huán)境下長期應用，并保持良好防護性能的一類特種涂料。重防腐涂料一般由主要成膜物質(zhì)、次要成膜物質(zhì)、溶劑、各類助劑和固化劑共同組成。其中主要成膜物質(zhì)為天然樹脂和合成樹脂，是重防腐涂層組成的基礎(chǔ)，具有黏結(jié)涂層中其他組分形成涂膜的功能;次要成膜物質(zhì)主要包括防銹顏料、功能填料和各類增韌劑等，能有效提高有機涂層的鐵銹轉(zhuǎn)化能力和遮蓋力，使其發(fā)揮裝飾和保護功能;固化劑是有機涂層體系中的重要組成部分，主要通過與主要成膜物質(zhì)發(fā)生交聯(lián)反應，提高漆膜的致密性，并能提高漆膜與基材之間的附著力。

重防腐涂料產(chǎn)品特點：

（1）防腐壽命特別長，重防腐涂料的防腐壽命一般超過10年，即使在強酸、強堿和化學溶劑中，也能達到5年以上服役壽命。

（2）漆膜厚度比較厚。重防腐涂料干膜厚度一般設(shè)計在200μm以上，部分防腐技術(shù)規(guī)范中，重防腐漆膜總膜厚可高達2000μm。

（3）復合涂層體系。重防腐涂料一般采用防腐底漆、阻隔中間漆和耐候面漆進行配套涂裝，其中防腐底漆主要提供涂層與防護基材之間的附著力，并具有部分鐵銹轉(zhuǎn)化功能;阻隔中間漆主要功能是增加漆膜總膜厚，并具有優(yōu)異阻隔水汽功能和耐腐蝕介質(zhì)滲透功能;耐候面漆主要是防紫外老化和裝飾美觀功能。

本文根據(jù)鋼筋混凝土在濱海服役環(huán)境的特點，研制一種新型混凝土防護用石墨烯改性重防腐復合涂層體系，具體包括環(huán)氧滲透性防銹底漆、高固體石墨烯阻隔中間漆和氟碳耐候面漆。其中環(huán)氧底漆中添加活性稀釋劑可增加漆膜在混凝土中的滲透性能，提高漆膜與混凝土之間的附著力，添加部分環(huán)氧磷酸酯和單寧酸，可與銹蝕鋼筋發(fā)生螯合反應，提高底漆的鐵銹轉(zhuǎn)化效果;高固體石墨烯阻隔中間漆主要采用石墨烯為功能填料，通過高效物理分散技術(shù)，使二維層狀石墨烯在環(huán)氧樹脂中均勻分散，并通過配方優(yōu)化，提高中間漆的致密性和阻隔水汽功能，同時具有一定抗氯離子滲透功能。實驗室對高固體石墨烯阻隔中間漆的基本性能進行測試，涂裝基材為馬口鐵，發(fā)現(xiàn)漆膜在馬口鐵上均勻平整，采用《GB/T 9286-1998色漆和清漆漆膜的劃格試驗》進行百格附著力測試，在劃格處未發(fā)現(xiàn)漆膜脫落現(xiàn)象，十字交叉處無崩邊現(xiàn)象，表明高固體石墨烯阻隔中間漆在馬口鐵上的附著力為O級;采用《GB 1731-79漆膜柔韌性測定法》測試漆膜柔韌性為2mm，采用《GB/T 1732-1993漆膜耐沖擊測定法》進行抗沖擊測試，表明漆膜柔韌性為50cm，測試照片詳見圖2。耐候面漆主要采用氟碳樹脂為主要成膜物質(zhì)，添加紫外光吸收劑和包膜鈦白粉，能有效提高漆膜的抗老化性能，同時具有耐玷污和美化裝飾效果。在實驗室對研制復合涂層體系進行防護性能評價，結(jié)果表明其耐鹽霧≥5000h，耐水性和耐酸堿≥3000h，綜合防護性能優(yōu)異。

2石墨烯改性重防腐復合涂層對海工混凝土防護涂裝應用

對某濱海的鋼筋混凝土立柱和頂面進行現(xiàn)場涂裝，該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒ШＱ蟠髿飧g環(huán)境，四季分明、季風交替顯著、雨量充沛、溫暖濕潤，鋼筋混凝土服役5年后已經(jīng)風化嚴重并出現(xiàn)鋼筋銹蝕跡象。通過現(xiàn)場勘察、腐蝕性能評價并結(jié)合業(yè)主要求，采用以下防腐施工工藝（詳見表1）對海工混凝土進行刷涂涂裝，涂裝效果見圖3，施工時間為2018年6月。施工注意事項如下：

（1）嚴格按《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件》《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》的要求進行文明施工。

（2）對鋼筋混凝土基材進行全面檢查，對已經(jīng)老化的混凝土表面進行機械打磨，刮膩子找平后進行涂料涂裝。嚴格按照基材前處理—報檢—底漆施工—報檢中間漆施工—報檢—面漆施工—最終驗收的工序，嚴格記錄每道施工情況，發(fā)現(xiàn)有厚度不足及時予以修補，發(fā)現(xiàn)附著力不達標，及時鏟除重新進行涂裝。

（3）有專業(yè)涂料技術(shù)服務(wù)人員負責質(zhì)量把控和監(jiān)督，認真作好現(xiàn)場施工記錄（包括涂裝環(huán)境、涂裝部位、油漆型號和用量、干膜厚度、漆膜外觀、涂裝日期、涂裝人員等），報備監(jiān)理審查確認。

（4）底漆涂裝后，最好在24小時內(nèi)進行中間漆涂裝，本次涂裝采用滲透性環(huán)氧底漆，其功能是滲透進入混凝土內(nèi)部，在基材內(nèi)部固化成膜，可以起到增強增韌效果，同時為中間漆提高優(yōu)異附著力，底漆不計膜厚。

（5）中間漆涂裝必須在底漆完成后進行，分2道進行涂裝，施工前將固化劑倒入主劑中，攪拌均勻，在活化期內(nèi)完成涂裝。中間漆規(guī)定漆膜較厚，涂裝時注意防止流掛現(xiàn)象，涂裝完畢后，測試膜厚達標后，方可進行面漆涂裝。

（6）面漆涂裝必須注意美觀，可對中間漆進行砂紙打磨后進行涂裝面漆，面漆涂裝完畢后，應達到目視無刷紋，無流掛現(xiàn)象。

（7）每次調(diào)配的涂料必須在規(guī)定時間內(nèi)完成，嚴格按照主劑和固化劑的比例進行調(diào)配，不可因涂料固化變稠后再稀釋使用。

（8）雨天、大風氣候禁止施工，空氣濕度RH>85%禁IE施工。施工完畢后現(xiàn)場檢測涂層性能結(jié)果表明，復合涂層在混凝土表面施工性能良好，漆膜附著力達到0級。

3石墨烯改性重防腐復合涂層后續(xù)防護性能評價

石墨烯改性重防腐復合涂層在鋼筋混凝土服役30個月后，對涂層防護和老化性能進行評價，發(fā)現(xiàn)漆膜完整，無起泡、無剝落，也沒有發(fā)生腐蝕跡象，百格附著力為0級。采用光度計對鋼筋混凝土立柱的6處漆膜進行變色性能評價，漆膜老化后與老化前變色性能結(jié)果見表2，測試結(jié)果表明漆膜現(xiàn)場服役30個月后其ΔE<1.0，變色等級為0級。石墨烯改性重防腐復合涂層在混凝土涂裝30個月后，復合涂層防護測試評價綜合等級見表3，其綜合防護等級為0級，根據(jù)漆膜老化等級、膜厚和附著力等綜合指標分析，預測研制的石墨烯改性重防腐復合涂層對鋼筋混凝土的防護壽命可達10年以上。

4結(jié)語

（1）本文研制一種新型混凝土防護用石墨烯改性重防腐復合涂層體系，實驗室評價復合涂層的耐鹽霧≥5000h，耐水性和耐酸堿≥3000h，綜合防護性能優(yōu)異。

（2）研制涂層涂裝到鋼筋混凝土立柱和頂面上，服役30個月后，其綜合防護等級為O級，預測其防護壽命可達10年以上。

*通訊作者：王愛紅（1969— ），女，高級工程師，主要從事石墨烯功能防腐涂料的研發(fā)。