水性環氧/氟碳雙層體系對海洋環境橋梁混凝土的防腐性能研究

王模

摘要：針對海洋環境橋梁混凝土表面腐蝕防護問題，文章通過制備以丙烯酸改性水性環氧樹脂為底層，氟碳為面層的雙層防腐體系，以吸水率測試、附著力、氯離子滲透、暴曬試驗研究其吸水性、附著強度、抗氯離子滲透能力、耐老化性。結果表明：涂裝后的混凝土試件吸水率≤1%;涂膜與基材之間的附著強度>5MPa;在電通量法氯離子滲透試驗中，6 h總導電量為1636.1C，混凝土導電性由高等級降為低等級;經過6周的曝曬試驗，涂膜未見明顯老化。研究結果說明制備的雙層防腐涂料可有效減少氯離子對混凝土的長期侵蝕并延長海洋環境橋梁混凝土結構的使用壽命。

關鍵詞：水性環氧樹脂;氟碳;防腐涂料;耐老化

中圖分類號：U441 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.028

文章編號：1673-4874（2019）08-0103-04

0引言

海洋環境橋梁混凝土的腐蝕性環境較為特殊，容易引起混凝土結構的侵蝕老化，嚴重威脅橋梁壽命，妨礙行車安全。通過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，只對特定腐蝕介質進行防護，防腐效果普遍不佳;三道或多道的多層體系雖具有優良的防腐效果，但通常應用于小型構件的防腐，對混凝土橋梁等大型建筑來說，工序復雜、成本較高、施工周期長。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。

田慧文等通過對鋼筋混凝土表面涂層防腐措施與其他防護措施的比較，表明采用丙烯酸、有機硅等對環氧樹脂進行改性制備水性環氧改性聚合物，可望獲得綜合性能優良的水性混凝土涂料。鄭焱以水性氟碳樹脂涂料測試表明該氟碳面層涂層對混凝土的防護性能良好。

本實驗從混凝土雙層防腐涂料體系角度出發，結合實際海洋工程環境，研究探索所制丙烯酸改性環氧底層、氟碳面層涂料在混凝土試件上的性能表現，對其防腐和耐久效果進行綜合性評價，同時提出相關施工工藝，為工程應用提供參考。

1實驗內容

1.1雙層防腐體系涂料的制備

1.1.1丙烯酸酯改性環氧底漆的制備

將正丁醇和乙二醇丁醚（以4：3為比例）混合后加入到環氧樹脂中，充分溶解，然后將其轉入三口燒瓶中，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劑過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;用氨水調節其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氧樹脂乳液。

將制得的丙烯酸酯水性環氧樹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脂和溶劑，以300r/min高速分散攪拌10min，攪拌過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。

樹脂基材采用1#Q211常溫固化氟碳樹脂，占總體系用量50%;溶劑體系選擇乙酸乙酯和環己酮的混合溶劑;固化劑選用HDI縮二脲;摻加體系質量0.05%的三乙醇胺作催干劑，流平劑選用有機硅型流平劑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《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》（JTG/T B07-01-2006），采用堯柏特種水泥集團有限公司生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，技術規格見表1。粗集料為連續級配花崗巖碎石，最大粒徑25mm，技術規格見表2。細集料為河砂，最大粒徑5mm，技術規格見表3。水為自來水。

試驗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。按照設計配合比，稱取水泥和粗、細集料攪拌1min，加水攪拌直至充分混合均勻。將拌合好的混凝土倒入直徑100mm、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℃條件下養護28d。將養護完成的試件標號待用。

1.2.2混凝土表面預處理及涂料涂裝工藝

1.2.2.1混凝土試件表面預處理

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;再用便攜式打磨機進行打磨處理。對于表面的微小裂縫和其他缺陷，用膩子粉進行修復補平，若存在嚴重裂縫、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進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《混凝土橋梁結構表面涂層防腐技術條件規范》（JT/T 695—2007）E73，涂裝環境溫度≥5℃，空氣相對濕度≤90%，保持混凝土表面干燥整潔。禁止在大風、雨雪及揚塵天氣進行戶外施工。

環氧底層涂料施工采用滾刷法，將改性環氧樹脂、固化劑及助劑混合攪拌均勻，待完全熟化后，滾刷2～3遍，涂裝完成后對滾刷不到位的部位進行補涂。氟碳面漆施工采用刷涂法，在底層涂料徹底干燥后進行面層涂料的涂裝，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性能測試與結構表征

1.3.1吸水性

按照《混凝土涂料吸水率測定方法》（HG/T 3344-2007）評價涂裝后混凝土的吸水性。制備混凝土試件，烘干后自然冷卻。試件上下兩面均進行防腐涂料涂裝，并用環氧密封膠將所有側面完全密封。涂料完全干燥后，靜置養護5d后待測。養護后50℃下烘干12h，在溫度（20±5）℃、相對濕度（60±5）%環境中冷卻至室溫，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》（GB/T5210-2006）的規定，采用拉拔試驗儀法進行涂膜附著力試驗。

1.3.3氯離子滲透性

根據《混凝土抗氯離子滲透能力標準試驗方法》（ASTMC1202-2010），采用電量法（又稱庫倫法）快速測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儀。將涂裝防腐涂料后的混凝土試件通過電量記為Q1，未涂裝的記為Qo，計算總電量的變化幅度，評價涂料耐氯離子滲透性能。

1.3.4耐氣候老化性

根據《涂層自然氣候暴露試驗方法》（GB/T9276-1996）規定，對涂裝后的混凝土試件進行曝曬試驗，根據《色漆與清漆涂層老化評級方法》（CB/T1766-1995）從變色等級、粉化等級、開裂等級三個方面對涂膜耐氣候老化能力進行評價。

2結果與分析

2.1抗吸水性

通過測試涂裝雙層防腐涂料前后混凝土試件的吸水率，對該雙層涂料體系抗混凝土吸水性能進行評價。試驗結果如表4所示。結果表明：在混凝土試件涂裝防腐涂料后，試件的吸水率出現了顯著降低。其中第3組試件吸水率降低幅度最大，達到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構致密，耐水性及封閉性良好，對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《海洋鋼筋混凝土結構防腐涂料評價方法》（DB37/T 2318-2013）的規定：吸水率≤1.5%，對吸水率的降低率應在2%以上。兩項指標均達到規范要求，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黏結性

本試驗測試了5組試件防腐涂料與混凝土基材之間的附著力，每組3個點共15個點的涂膜附著強度，黏結性試驗結果如表5所示。

通過表5可以看出，5組試件附著力強度均較高。其中4號試件附著力最大，均值可達5.7MPa，3號試件相對最小，但也有5.23MPa。根據《混凝土結構防護用成膜性保護涂料》（JG/T 335-2011）的規定，涂膜與混凝土基材間附著力不應<1.5MPa。本涂料體系在保證足夠涂膜厚度的情況下，粘結性完全滿足規范值要求。

表5中第2、4、5號試件均出現無效數據，即破壞發生在錠子與涂膜之間，原因可能是膠黏劑強度不足或黏結不實，該數據不予采用。同時，所有試件的涂膜均沒有出現底層涂料和面層涂料之間的破壞，這說明改性環氧樹脂底涂和氟碳樹脂面涂體系層間結合力可以達到使用要求，基本不存在層間破壞的可能。

2.3抗氯離子滲透性

采用電量法分別測定了3個未涂裝的空白組和3個涂裝后的試驗組試件的抗氯離子滲透性，得到電流一時間曲線。通過計算求得通電6 h內的總導電量。空白組和試驗組試件的電流一時間曲線如圖1所示。

圖1中的1、2、3號試件為空白組，4、5、6號試件為試驗組。從電流一時間曲線可以看出，涂裝防腐涂料后的混凝土試件的電流強度比未涂裝試件出現明顯降低。對曲線進行近似面積積分，可以求出每組試件的6 h通過總電量（單位：庫倫），如表6所示。

由表6可知，未涂裝空白組的平均導電量為4163.3C，涂裝后試驗組的平均導電量為1636 C，下降幅度為61%。根據美國試驗與材料協會標準（ASTMC1202）規定，混凝土氯離子滲透性等級劃分如表7所示。

從表7中可以看出，經過涂裝混凝土防腐涂料，混凝土的滲透性等級由高降為低。對混凝土導電量的降低率可以達到60%以上。這是因為致密的涂膜結構封閉了混凝土表面的微孔隙，使得大部分氯離子無法滲透進入混凝土試塊，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

本試驗涂裝3個混凝土試件用于曝曬試驗。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級方法，從變色等級、粉化等級、開裂等級三個方面評價涂膜的耐自然老化性能。試驗結果如表8所示。

從表8中可以看出，經過6周的曝曬試驗，3組試件涂膜均未出現明顯老化現象。在變色、粉化和開裂評價中，所有涂膜表現良好，只有第2組試件出現細微裂縫，但此類細縫短期內不會造成涂膜的結構性損壞。在老化試驗后期，涂膜出現輕微程度的粉化。綜合分析來看，由于時間因素的限制，難以實現長周期的戶外曝曬試驗，因此涂膜實際耐自然老化性能有待繼續驗證。但就初期耐老化性能及前文進行的耐紫外試驗來看，本試驗涂層體系可以滿足規范要求和工程需要。

3結語

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

（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%，表明涂膜體系結構致密，封閉性及耐水性達到規范要求。

（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度可達5MPa以上，滿足相關規范對涂膜附著力的規定。

（3）混凝土試件在涂裝防腐涂料后，6 h總導電量從4163.3C下降至1636.1C，混凝土導電性等級由高等級降為低等級，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周曝曬試驗中未出現明顯老化現象。只有個別試件出現了輕微開裂和粉化，但未對涂膜結構造成影響，涂膜初期耐自然老化性滿足要求。