過水混凝土面生物侵蝕防護涂料性能研究

蔡杰龍 楊永民 潘志權

摘 要：以廣東省某大型輸水工程為例，基于工程與資料調研，選取4種代表性的防護材料，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試驗，結合防護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場試驗，并建立技術性能量化評價方法，綜合分析評價了防護材料的生物侵蝕防護效果。結果表明：以環氧樹脂底漆、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，有機酸侵蝕質量損失較小，防生物附著性能表現優異，12個月齡期涂覆于現場的涂層表面完好無損，比其他涂料具有明顯的性能優勢;利用防護材料技術性能量化評價可知，BIOX涂料的防生物侵蝕性能綜合得分最高，表現最佳，是輸水建筑物過水混凝土面生物侵蝕防護涂料的首選。

關鍵詞：過水混凝土面;防護材料;生物侵蝕;量化評價模型

中圖分類號：TV866;V261.93+3 文獻標志碼：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，在確保建筑結構安全運行方面發揮極為重要的作用。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，給工程結構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]。據統計，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侵蝕混凝土。據統計[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中，將近80萬km已經遭受不同程度的微生物侵蝕，亟待修復或更換。據《中國工業與自然環境腐蝕問題調查與對策》，我國2010年由生物侵蝕導致的經濟損失在4 979億元以上[4]。

輸水建筑物過水混凝土面生物侵蝕防護方法可分為物理防護、化學防護和生物防護3種[4]，其中：化學防護多使用化學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，給水安全帶來潛在隱患;生物防護主要通過水生物或者仿生涂料對生物侵蝕進行防治，容易導致水生態平衡的破壞。鑒于此，筆者從物理防護角度出發，選用4種代表性的環保型防護涂料，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試驗，結合防護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場試驗，建立技術性能量化評價模型，綜合分析評價防護材料的生物侵蝕防護效果，以期為工程防護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。混凝土原材料（水泥、粉煤灰、細骨料、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的P.O42.5R水泥，粉煤灰為廣州恒達資源綜合利用有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰，細骨料采用東江河砂（細度模數為2.8），粗骨料采用5～20 mm連續級配的花崗巖碎石，減水劑采用瑞龍牌LS-400高效緩凝減水劑（WR-R），所有原材料均經檢測合格后使用。

（2）基準混凝土配合比。混凝土配合比參數參照原工程使用配合比（見表1），混凝土設計強度為C20。

（3）防護材料。所選用的4種代表性防護材料見表2。

2.2 試驗樣品制備

（1）試樣制備。砂漿根據行業標準SL 352—2006進行拌和成型，水灰比為0.5，試樣尺寸為70 mm×70 mm×70 mm。試樣經標準養護28 d后取出，并對每個試樣的5個表面涂覆環氧樹脂，另外一個表面涂覆試驗防護涂料。設置3組試驗，每組試驗5個試樣。

（2）現場試驗混凝土試樣。試驗混凝土參照國標GB/T 50080—2002拌和成型，試樣尺寸為500 mm×500 mm×50 mm。標準養護28 d后取出，按照標準涂覆工藝用4種涂料分別對試樣進行涂覆，預留一個空白樣作為對照。

2.3 試驗方法

（1）現場掛板試驗。將涂覆不同防護涂料的混凝土試樣吊裝在輸水涵洞口處，模擬真實水流環境下生物對混凝土面層的附著與侵蝕情況。現場掛板試驗分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的表面接觸角測量儀，按照廣東省質量技術監督局發布的地方標準DB44/T 1232—2013相關規定，測定涂層表面能、表面接觸角。

（3）涂層吸水率。將涂覆防護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量不變，稱其質量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維氏硬度計進行硬度測試，隨機測量每種涂料涂層表面10個硬度數據，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準（見表3）評定涂層的劣化等級。

3 試驗結果與討論

3.1 涂層表面能/表面接觸角

根據涂層表面接觸角與表面能試驗結果（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

根據不同涂層吸水率試驗結果（見表5）可知，涂層的吸水率排序為BIOX

3.3 涂層顯微硬度

根據顯微硬度試驗結果（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，硬度數據無法測出;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不同程度的質量損失，其中：空白樣的質量損失率最大，為2.1%;4種涂層試樣質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涂層試樣的質量損失均較大，涂層剝落程度也較為嚴重，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 現場掛板試驗

根據不同試驗齡期涂層污損附著試驗結果（見表8）可知：3個月試驗齡期時，各種涂層均未產生明顯污損，空白樣則出現少量砂漿剝蝕;6個月試驗齡期時，ZH和BIOX涂層均未出現明顯污損，SBS和JJF涂層則出現局部剝落的現象;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重。可見，BIOX涂料表現優異，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

由原位涂覆試驗結果可知，經過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涂層表面未出現明顯附著，涂覆邊界清晰可見，涂覆區域外則附著嚴重。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 不同涂料技術性能量化評價

將4種涂料的技術性能分為“優秀”“良好”“合格”“較差”4個等級，各等級對應的分數見表9。

根據該工程對過水混凝土面防護性能的要求，對各種技術指標賦予一定的權重，權重等級分為5%、10%、15%、20% 4級，室內試驗和現場試驗相關技術指標權重分別為45%和55%。根據上述試驗結果，不同涂料技術性能評分結果見表10。表中所有指標按照試驗結果優劣進行排序，并根據評價等級進行量化計算。BOIX為彈性涂料，顯微硬度指標無法表征，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“優秀”等級賦分;現場試驗中原位涂覆附著量無法定量統計，只進行定性對比，BIOX涂層按“優秀”等級賦分，其他涂層表面附著嚴重、附著量過多無法統計，按“較差”等級賦分。由表10可知：BIOX涂料綜合評分最高，技術性能綜合表現優秀;其次為ZH涂料，綜合表現合格;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 論

（1）以環氧樹脂為底漆、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量損失率較小，防生物附著性能表現優異，是輸水建筑物過水混凝土面生物侵蝕防護涂料的首選。

（2）BIOX涂料在工程現場12個月齡期內表現優異，涂層表面完好無損，未出現任何程度的劣化，相較于其他涂料具有明顯的性能優勢。

（3）通過涂料技術性能量化評價可知，BIOX涂料技術性能綜合得分最高，表現最佳。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：

[1] 楊永民，潘志權，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措施研究[J].廣東水利水電，2018（2）：50-56.

[2] 劉勐伶，嚴濤.南海污損生物生態研究進展[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研究[D].廣州：華南理工大學，2017：1-18.

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【責任編輯 張華興】