石墨烯重防腐涂層對濱海鋼筋混凝土的防護(hù)性能研究

邸興盛　薄強(qiáng)　潭仝奎　費(fèi)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(jì)和優(yōu)化，研制一種新型混凝土防護(hù)用石墨烯改性重防腐復(fù)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(fù)合涂層具有良好的耐化學(xué)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(yīng)用和防護(hù)性能跟蹤評(píng)價(jià)，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(hù)效果，預(yù)計(jì)其防護(hù)壽命可達(dá)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(fù)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(dǎo)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(tái)和港口碼頭，部分海工混凝土服役時(shí)間小于10年就發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)大面積銹蝕，導(dǎo)致其服役年限遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)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(jià)比最高的防護(hù)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(yīng)用，并保持良好防護(hù)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(jī)涂層的鐵銹轉(zhuǎn)化能力和遮蓋力，使其發(fā)揮裝飾和保護(hù)功能;固化劑是有機(jī)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(yīng)，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(diǎn)：

（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(qiáng)酸、強(qiáng)堿和化學(xué)溶劑中，也能達(dá)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(jì)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(dá)2000μm。

（3）復(fù)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(jìn)行配套涂裝，其中防腐底漆主要提供涂層與防護(hù)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(diǎn)，研制一種新型混凝土防護(hù)用石墨烯改性重防腐復(fù)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(yīng)，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(shí)具有一定抗氯離子滲透功能。實(shí)驗(yàn)室對高固體石墨烯阻隔中間漆的基本性能進(jìn)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(yàn)》進(jìn)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(jí);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(jìn)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(shí)具有耐玷污和美化裝飾效果。在實(shí)驗(yàn)室對研制復(fù)合涂層體系進(jìn)行防護(hù)性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明其耐鹽霧≥5000h，耐水性和耐酸堿≥3000h，綜合防護(hù)性能優(yōu)異。

2石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層對海工混凝土防護(hù)涂裝應(yīng)用

對某濱海的鋼筋混凝土立柱和頂面進(jìn)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(fēng)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(fēng)化嚴(yán)重并出現(xiàn)鋼筋銹蝕跡象。通過現(xiàn)場勘察、腐蝕性能評(píng)價(jià)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(jìn)行刷涂涂裝，涂裝效果見圖3，施工時(shí)間為2018年6月。施工注意事項(xiàng)如下：

（1）嚴(yán)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(jìn)行文明施工。

（2）對鋼筋混凝土基材進(jìn)行全面檢查，對已經(jīng)老化的混凝土表面進(jìn)行機(jī)械打磨，刮膩?zhàn)诱移胶筮M(jìn)行涂料涂裝。嚴(yán)格按照基材前處理—報(bào)檢—底漆施工—報(bào)檢中間漆施工—報(bào)檢—面漆施工—最終驗(yàn)收的工序，嚴(yán)格記錄每道施工情況，發(fā)現(xiàn)有厚度不足及時(shí)予以修補(bǔ)，發(fā)現(xiàn)附著力不達(dá)標(biāo)，及時(shí)鏟除重新進(jìn)行涂裝。

（3）有專業(yè)涂料技術(shù)服務(wù)人員負(fù)責(zé)質(zhì)量把控和監(jiān)督，認(rèn)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(hào)和用量、干膜厚度、漆膜外觀、涂裝日期、涂裝人員等），報(bào)備監(jiān)理審查確認(rèn)。

（4）底漆涂裝后，最好在24小時(shí)內(nèi)進(jìn)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(jìn)入混凝土內(nèi)部，在基材內(nèi)部固化成膜，可以起到增強(qiáng)增韌效果，同時(shí)為中間漆提高優(yōu)異附著力，底漆不計(jì)膜厚。

（5）中間漆涂裝必須在底漆完成后進(jìn)行，分2道進(jìn)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(shí)注意防止流掛現(xiàn)象，涂裝完畢后，測試膜厚達(dá)標(biāo)后，方可進(jìn)行面漆涂裝。

（6）面漆涂裝必須注意美觀，可對中間漆進(jìn)行砂紙打磨后進(jìn)行涂裝面漆，面漆涂裝完畢后，應(yīng)達(dá)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(shí)間內(nèi)完成，嚴(yán)格按照主劑和固化劑的比例進(jìn)行調(diào)配，不可因涂料固化變稠后再稀釋使用。

（8）雨天、大風(fēng)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(fù)合涂層在混凝土表面施工性能良好，漆膜附著力達(dá)到0級(jí)。

3石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層后續(xù)防護(hù)性能評(píng)價(jià)

石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層在鋼筋混凝土服役30個(gè)月后，對涂層防護(hù)和老化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(jí)。采用光度計(jì)對鋼筋混凝土立柱的6處漆膜進(jìn)行變色性能評(píng)價(jià)，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(gè)月后其ΔE<1.0，變色等級(jí)為0級(jí)。石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層在混凝土涂裝30個(gè)月后，復(fù)合涂層防護(hù)測試評(píng)價(jià)綜合等級(jí)見表3，其綜合防護(hù)等級(jí)為0級(jí)，根據(jù)漆膜老化等級(jí)、膜厚和附著力等綜合指標(biāo)分析，預(yù)測研制的石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層對鋼筋混凝土的防護(hù)壽命可達(dá)10年以上。

4結(jié)語

（1）本文研制一種新型混凝土防護(hù)用石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層體系，實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)復(fù)合涂層的耐鹽霧≥5000h，耐水性和耐酸堿≥3000h，綜合防護(hù)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(gè)月后，其綜合防護(hù)等級(jí)為O級(jí)，預(yù)測其防護(hù)壽命可達(dá)10年以上。

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