潮濕固化納硅涂料在魯班水庫(kù)主壩廊道中的應(yīng)用研究

摘要：水庫(kù)廊道常年處于滲水、潮濕狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致混凝土大量鈣質(zhì)、鎂質(zhì)析出物流失，廊道內(nèi)壁的涂裝體系常發(fā)生分解、粉化、剝落，嚴(yán)重影響了廊道的運(yùn)營(yíng)安全及整體形象。采用基于溶膠凝膠技術(shù)的納硅材料對(duì)其進(jìn)行改性，研究了潮濕環(huán)境的固化機(jī)理，測(cè)試漆膜各項(xiàng)物理、力學(xué)、化學(xué)性能指標(biāo)，并在魯班水庫(kù)潮濕廊道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)涂裝試驗(yàn)，形成了科學(xué)、可行的施工工藝。結(jié)果表明：潮濕固化納硅涂料在該類環(huán)境中能有效固化，漆膜具有優(yōu)異的各項(xiàng)性能指標(biāo)，施工工藝簡(jiǎn)潔可行。研究成果可有效減少混凝土鈣質(zhì)、鎂質(zhì)析出物流失，有效保障了混凝土結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)與整體形象，可廣泛應(yīng)用于水庫(kù)廊道、水電站地下廠房等地下潮濕環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：納米材料； 潮濕固化； 納硅涂料； 水庫(kù)廊道； 涂裝； 魯班水庫(kù)

中圖法分類號(hào)：TV223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.09.016

文章編號(hào)：1006-0081（2024）09-0090-05

0 引 言

水庫(kù)壩體內(nèi)通常分布有各種功能的廊道，用于灌漿、排水、監(jiān)測(cè)、交通和運(yùn)行維護(hù)。廊道內(nèi)常有滲水、析出物流出，滲水析出物多與壩基水和混凝土等人工材料及基巖等固相介質(zhì)間的相互作用有關(guān)，其形成與演變對(duì)于判別壩基滲流性態(tài)等具有指示意義［1］。江宇威等分析了奎屯河流域地下水水化學(xué)特征及成因［2］。滲水流經(jīng)廊道混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)襯，會(huì)以擴(kuò)散滲透的形式攜帶出大量析出物［3］，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)趨于疏松，在膠凝材料及其包裹的骨料之間出現(xiàn)脫離等問題，嚴(yán)重的會(huì)影響構(gòu)筑物運(yùn)營(yíng)安全［4-5］。顏劍等［6］研究了超耐性納硅材料在水利樞紐水位標(biāo)尺中的應(yīng)用，李珍等［7］研究了CW系水免疫納米聚脲防護(hù)修補(bǔ)材料與配套技術(shù)，陳偉等［8］對(duì)青居電站基礎(chǔ)廊道滲漏水中SO2-4、Ca2+濃度顯著偏高的原因進(jìn)行了分析，郭毅等［9］對(duì)水利水電工程水工隧洞滲水問題進(jìn)行系統(tǒng)分析，李偉等［10］對(duì)中國(guó)水庫(kù)大壩水下工程技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)研究。曹文凱等［11］對(duì)納米材料在混凝土耐久性防護(hù)涂層中的應(yīng)用與展望進(jìn)行了研究，許耀群等［12］研究了納米材料對(duì)混凝土耐久性和功能性的影響，趙芮康［13］研究了環(huán)氧改性有機(jī)硅涂層的制備及其性能，馬悅帆［14］研究了有機(jī)硅改性水性環(huán)氧樹脂的制備及其防護(hù)涂層性能。相關(guān)研究表明，應(yīng)重視水庫(kù)廊道、地下廠房等水電地下空間的滲水問題，開發(fā)一種能有效解決廊道潮濕環(huán)境的涂裝產(chǎn)品及實(shí)施方案具有十分重要的意義。

1 魯班水庫(kù)廊道現(xiàn)狀分析

1.1 工程概況

魯班水庫(kù)位于三臺(tái)縣魯班鎮(zhèn)，是涪江流域凱江一級(jí)支流綠豆河的發(fā)源地，是都江堰灌溉系統(tǒng)人民渠七期工程末端的Ⅱ等大（2）型囤蓄水庫(kù)。魯班水庫(kù)集雨面積21 km2，正常蓄水位高程460 m，庫(kù)容2.94億m3，水庫(kù)主要建筑物有主壩1座，副壩6座，其中，主壩壩型為鋼筋混凝土斜墻干砌條石壩，壩頂高程462.0 m，最大壩高68 m，壩頂長(zhǎng)315 m。放水隧洞4處，總長(zhǎng)636 m，水閘8處。魯班水庫(kù)主壩工程特征及廊道布置如圖1所示［15］。主壩廊道位于主壩漿砌條石壩基內(nèi)，廊道呈U字形分布，廊道入口高程450 m，底部高程為404 m，距離上游水體滲透路徑長(zhǎng)約9 m。

1.2 主壩廊道涂裝現(xiàn)狀

廊道內(nèi)襯為混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁實(shí)施了普通砂漿+封閉底漆+環(huán)氧面漆涂裝方案。由于基面長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)，內(nèi)部涂裝涂層固化不完全，經(jīng)長(zhǎng)期的浸泡，砂漿層、膩?zhàn)訉蛹巴繉踊就耆刍瑹o任何強(qiáng)度，用手指即可輕松摳除。廊道內(nèi)溫度常年為10 ℃左右，當(dāng)?shù)囟敬髿鉁囟葹?0 ℃時(shí)，廊道內(nèi)空氣比較干燥，濕度為75%～80%，當(dāng)夏季大氣溫度為30～40 ℃時(shí)，廊道內(nèi)濕度可高至95%。廊道內(nèi)壁析出物與涂裝現(xiàn)狀如圖2所示，廊道潮濕環(huán)境如圖3所示。析出物通常分布于滲出點(diǎn)附近，與流水狀態(tài)保持一致。白色析出物為水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2分解而發(fā)生碳化作用與碳酸性侵蝕作用所致，反應(yīng)過程如式（1）所示。

Ca（OH）2+HCO－3→CaCO3↓+H2O+OH－Ca（OH）2+CO2+nH2O→CaCO3↓+（n+1）H2OCaCO3+H2CO3→Ca（HCO3）2Ca（OH）2+Ca（HCO3）2→CaCO3↓+2H2OCa（HCO3）2→CaCO3↓+H2O+CO2↑（1）

2 潮濕固化納硅材料研發(fā)及固化機(jī)理

2.1 潮濕固化涂層技術(shù)要求

潮濕環(huán)境不同于大氣環(huán)境，水分密度遠(yuǎn)大于空氣，水中氧氣含量也遠(yuǎn)低于大氣，因此在大氣環(huán)境中很容易固化成膜的涂層，在潮濕環(huán)境中很難固化，如：溶劑揮發(fā)成膜機(jī)制、氧化成膜機(jī)制、乳液粘結(jié)成膜機(jī)制等涂層難以在水下固化成膜［16-17］。要滿足潮濕環(huán)境固化，涂層通常需滿足幾點(diǎn)要求：① 涂裝過程中，通過滾筒的機(jī)械擠壓作用，使大部分水分排除在涂層與基層之外；② 殘余水分能參與到涂層的固化反應(yīng)中而被消耗掉；③ 涂層在水中能快速固化，避免被水流沖走；④ 涂料不能被水溶解或乳化，涂料表面張力要小于水，以便涂料在有水情況下能完全濕潤(rùn)鋼鐵表面；⑤ 通常采用無溶劑體系，水下溶劑揮發(fā)會(huì)非常困難；⑥ 固化后涂膜均勻致密，具有優(yōu)良機(jī)械物理性能和耐腐蝕性能。

2.2 潮濕型納硅涂料固化機(jī)理

環(huán)氧樹脂與改性胺類固化劑在水中固化機(jī)理與空氣中一樣，都是以固化劑的胺基與環(huán)氧的開環(huán)反應(yīng)為主［18］，反應(yīng)過程如式（2）所示，上述反應(yīng)使環(huán)氧樹脂擴(kuò)鏈交聯(lián)、分子量增大、黏度增大，最終使涂料從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，完成固化過程。

（2）

通用環(huán)氧樹脂存在韌性差、耐熱性能不好等缺點(diǎn)。基于溶膠凝膠技術(shù)的納硅樹脂具有超強(qiáng)耐候性、耐水性、韌性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此可以作為改性成分對(duì)傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂進(jìn)行化學(xué)改性，溶膠凝膠技術(shù)制備納硅樹脂流程如圖4所示。通過納硅樹脂中的硅烷基與環(huán)氧中的羥基反應(yīng)、氨基硅烷作為路易絲堿與環(huán)氧的開環(huán)均聚反應(yīng)、有機(jī)胺與環(huán)氧的開環(huán)反應(yīng)形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。潮濕固化納硅樹脂固化機(jī)理如圖5所示。引入納米粒子后，由于細(xì)晶強(qiáng)化、Orowan強(qiáng)化、紫外屏蔽等作用，可有效改善樹脂的空間交聯(lián)結(jié)構(gòu)及宏觀性能，有效提升了涂層硬度、耐磨性、耐候性、耐化學(xué)品等性能。

2.3 潮濕型納硅涂料制備

潮濕型納硅涂料的制備原材料為潮濕固化納硅樹脂、粒徑40 μm硅微粉、金紅石型鈦白粉、石墨烯粉末、云母粉等，具體配方如表1所示。先稱取樹脂總質(zhì)量的50%倒入分散容器中，然后分別加入相應(yīng)配比的粉末，采用1 500 r/min的高速分散機(jī)分散30 min，最后加入剩余的50%樹脂，再分散30 min即可。固化劑采用的是三甲基六亞甲基二胺。制備得到的成品涂料與固化劑的配比質(zhì)量比為4∶1，雙組分充分混合后即可進(jìn)行涂刷作業(yè)。

3 潮濕固化納硅材料性能測(cè)試

針對(duì)潮濕固化納硅涂層開展相關(guān)性能測(cè)試研究，分別進(jìn)行水下固化測(cè)試、硬度、附著力、耐沖擊、耐磨性、耐彎曲等相關(guān)性能測(cè)試。

3.1 潮濕固化納硅涂層微觀結(jié)構(gòu)分析

對(duì)硅微粉及石墨烯粉末進(jìn)行SEM電鏡掃描分析，見圖6，由掃描結(jié)果可以看出，粉體結(jié)構(gòu)主要為顆粒狀和片狀兩種。硅微粉呈粒徑為10 μm的顆粒狀，鈦白粉為較均勻的粒徑200～300 nm的顆粒，云母為較厚的片狀結(jié)構(gòu)，石墨烯呈現(xiàn)納米級(jí)的薄片狀。顆粒狀粉末為涂層提供了力學(xué)支撐基礎(chǔ)，粗細(xì)顆粒的搭配使制備的涂層具有良好力學(xué)性能。兩種片狀粉末主要為涂層隔絕鹽分、酸堿粒子等有害因子。潮濕型納硅涂層SEM掃描圖如圖7所示，可以看出涂層微觀結(jié)構(gòu)顯示出致密、均勻的特征。

3.2 潮濕固化納硅涂層性能對(duì)比測(cè)試方案

依據(jù)相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行環(huán)氧涂層與潮濕型納硅涂層試驗(yàn)，分別制作樣板，部分試驗(yàn)過程如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.3 性能測(cè)試結(jié)果分析

由圖9耐磨性試驗(yàn)結(jié)果可以看出，納硅涂層的耐磨性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于環(huán)氧涂層，這是因?yàn)榧{米SiO2粒子的量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，可深入到高分子化合物的d-pπ鍵附近，與高分子化合物的電子云發(fā)生重疊，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大了分子間的引力、有效交聯(lián)密度。由表2可以看出，納硅涂層的綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于環(huán)氧涂層。這是因?yàn)榧{硅涂層的硅氧鍵鍵能為460 kJ/mol，遠(yuǎn)高于碳碳鍵的346 kJ/mol，并且納米SiO2粒子存在一定不飽和殘鍵和不同鍵合狀態(tài)的羥基，可與樹脂發(fā)生鍵合作用，從而增強(qiáng)漆膜的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。納硅樹脂中的烷基基團(tuán)會(huì)與基材的羥基縮聚交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此具有極強(qiáng)的附著力。

4 魯班水庫(kù)潮濕廊道涂裝試驗(yàn)

涂裝試驗(yàn)選擇在魯班水庫(kù)的潮濕廊道中進(jìn)行，廊道由于長(zhǎng)期滲水及空氣中的冷凝水作用，之前的涂裝大面積出現(xiàn)固化不充分、粉化、剝落等現(xiàn)象，漏水點(diǎn)也有大量析出物分布。廊道內(nèi)溫度較低，試驗(yàn)時(shí)間為9月份，地面溫度為35 ℃，廊道內(nèi)溫度為10～12 ℃，濕度為95%，廊道內(nèi)壁結(jié)有冷凝水，長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)。針對(duì)環(huán)境特征，選用潮濕固化納硅涂料進(jìn)行了涂裝試驗(yàn)。涂裝試驗(yàn)過程：① 進(jìn)行基層處理，徹底鏟除掉混凝土基層表面的原有涂層、膩?zhàn)訉拥雀黝惍愇?，至完整的混凝土基層；?用清水清洗干凈表面的粉塵、泥質(zhì)等污漬；③ 滾涂一遍潮濕固化納硅封閉底漆；④ 用納硅樹脂配制的納硅砂漿對(duì)局部坑洞進(jìn)行修補(bǔ)；⑤ 整體涂刷兩遍納硅面漆。涂裝前后效果對(duì)比如圖10所示。

現(xiàn)場(chǎng)涂裝試驗(yàn)表明，潮濕型納硅涂料在潮濕、低溫環(huán)境下，可以正常固化，表干時(shí)間為0.5 h，實(shí)干時(shí)間為1.5 h，能很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。完全固化后的強(qiáng)度、附著力、耐水性均能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)要求。

5 結(jié) 論

水庫(kù)廊道、地下廠房等潮濕地下空間的防滲涂裝是困擾水電工程運(yùn)行和維護(hù)的痛點(diǎn)問題。本文通過滲透機(jī)理分析，實(shí)現(xiàn)了潮濕型納硅涂層的制備，經(jīng)過涂層微觀表征、室內(nèi)性能試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)涂裝測(cè)試，得到如下結(jié)論。

（1） 潮濕地下空間的不斷滲水會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)鈣質(zhì)析出，影響混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能及硐室的表觀形象。

（2） 傳統(tǒng)涂層無法在潮濕環(huán)境中有效固化。

（3） 基于環(huán)氧樹脂開環(huán)反應(yīng)能實(shí)現(xiàn)潮濕環(huán)境中的正常固化，但后期性能不足，限制了其廣泛應(yīng)用。

（4） 基于溶膠凝膠技術(shù)的納硅涂層具有優(yōu)異的后期性能，通過與環(huán)氧樹脂的互配可以制備得到潮濕型納硅樹脂。

（5） 通過添加硅微粉、鈦白粉、石墨烯等粉體，制備得到成品潮濕型納硅涂料。微觀分析及室內(nèi)試驗(yàn)表明，該新型涂層遠(yuǎn)優(yōu)于環(huán)氧涂層的性能特征。

（6） 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)表明，潮濕型納硅涂層能有效解決潮濕地下空間的混凝土病害防治問題。

潮濕固化納硅涂料具有優(yōu)異的物理、力學(xué)、化學(xué)性能，并且能在潮濕環(huán)境下完全固化，固化后的漆膜具有極強(qiáng)的附著力，能有效固化混凝土表層并隔絕流水的滲出，能有效解決混凝土鈣質(zhì)流失及表面涂層完全固化的問題，提升地下空間環(huán)境美觀度，在類似的地下空間環(huán)境中具有較大應(yīng)用價(jià)值。

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（編輯：李 慧）

Research on application of moisture-cured nano-silicone coatings in Luban Reservoir main dam corridor

JIAN Ping1，YIN Liming2，3，CHEN Shang1，HUANG Shengwei4

（1.Sichuan Dujiangyan Water Conservancy Development Center，Chengdu 618000，China； 2.School of Resources and Safety Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China； 3.Zhongjiwei（Chongqing）New Materials Technology Research Institute Co.，Ltd.，Chongqing 402760，China； 4.Chongqing Bishan District Water Conservancy Development Center，Chongqing 402760，China）

Abstract：

The reservoir corridor is constantly in a state of seepage and moisture，which can lead to the precipitation and loss of a large amount of calcium and magnesium in the concrete.The coating system of the inner wall of the corridor often undergoes decomposition，pulverization，and peeling，seriously affecting the operational safety and overall image of the corridor.This problem can be effectively solved by modifying the properties of nano-silicon materials based on sol gel technology.We studied the curing mechanism in humid environments，tested various physical，mechanical，and chemical performance indicators of the paint film，and conducted on-site coating tests in the humid corridor of the Luban Reservoir，forming a scientific and feasible construction process.Practical applications showed that moisture cured nano-silicon coatings can effectively cure in such environments，and the paint film had an excellent performance indicators.The construction process was simple and feasible.This research achievement can effectively reduce the precipitation and loss of calcium and magnesium in concrete，effectively ensuring the safe operation and overall image of concrete structures.It can be widely used in concrete structures in underground humid environments such as reservoir corridors and underground power plants.

Key words：

nano-materials； moisture curing； nano-silicone coating； reservoir corridor； painting； Luban Reservoir