超耐性納硅材料在水利樞紐水位標尺涂裝中的應用試驗研究

顏劍 殷黎明 熊斌 林育強 張學明

摘要：為解決水利樞紐水位標尺在紫外照射、酸雨腐蝕、高速水流沖刷、干濕循環等不利環境中易出現的涂層粉化、失光、開裂、剝落、板材脫落等問題，綜合運用理論分析、室內試驗、現場試驗等多種手段進行研究。在實驗室分別以不銹鋼板、鋁板、高密度水泥板為基材，制備了水位標尺試樣進行耐水、耐鹽水、凍融循環、耐酸性及附著力試驗，并在王甫洲水利樞紐泄水閘、船閘等混凝土結構上進行了現場涂裝試驗。室內試驗結果表明，納硅涂層對上述各類基材均具有良好的適用性，性能優異。在戶外運行3 a后，對涂層的光澤度、顏色、硬度、厚度、粉化、外觀進行了對比分析，納硅涂層漆膜無任何破壞，色澤鮮艷、光澤飽滿。研究表明，納硅涂層具有超強的耐候性，能較好地解決水位標尺的各種問題。研究成果在該領域極具推廣價值。

關鍵詞：水利樞紐;水位標尺;納硅材料; 試驗研究;超耐性

中圖法分類號：TV41 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.016

文章編號：1006 - 0081（2021）12 - 0092 - 05

0 引 言

水位標尺是各種水工建構筑物中不可或缺的重要組成部分，在日常運營管理、壩體監測、防洪防汛工作中發揮著十分重要的作用。要求標識標語醒目、清晰、牢固，以及便于運營管理期的清潔養護。

目前各水利樞紐中的水位標尺多采用外置掛板和現場涂裝兩種方式，外置掛板時通常采用鉚釘將其錨固于混凝土構筑物上，鉚釘在潮濕環境中易遭受銹蝕破壞;現場涂裝常采用環氧、丙烯酸、聚氨酯、氟碳樹脂等傳統涂料現場制作，由于傳統涂料耐老化、耐酸、耐凍融等性能較弱，在戶外運營一段時間后常因出現粉化、失光、褪色、開裂、脫落等問題而失效。

為解決這一問題，研究新型納米涂料在該領域的應用具有十分重要的意義。隨著納米材料技術的發展，越來越多的納米新材料應用于水電基礎設施標識標語涂裝。材料中某個相的某一幾何尺寸（顆粒度、直徑、膜厚、晶粒度）為納米級時，材料特性往往會發生突變，由于表面效應、小尺寸效應和量子效應的影響，納米材料在物理性能、力學性能等方面都出現許多不同于宏觀物質的特性，表現為高強高韌、高比熱、高熱膨脹率、高電導率、高導磁性、高吸波性等[1]。

室內試驗及現場水位標尺涂裝試驗表明：納米新材料的研究成果將克服水電基礎設施水位標尺制作中的問題，超耐候性、涂層和混凝土的耐久性也大大提升，減輕了水電管養單位的養護壓力，提高了科學管養水平，從而產生了良好的社會經濟效應。

1 水電基礎設施水位標尺現狀調研

通過走訪調研漢江集團、烏江電力、大唐電力、五凌電力等多家國內大型水電單位的大中型水電站可知，目前多采用外置掛板和現場涂裝兩種方式制作水位標尺。外置掛板時，通常采用普通鋼板、不銹鋼板、搪瓷鋼板、鋁單板等多種板材預制而成，只需在現場用鉚釘錨固即可，兩種水位標尺如圖1所示。現場涂裝時通常采用環氧、丙烯酸、聚氨酯、氟碳樹脂等傳統涂料現場制作。二者的優缺點對比如表1所示。

2 納硅涂層機理及性能特性

2.1 納米涂層研究概況

納米材料涂層分為兩種：①在涂層體系中添加納米粉體，獲得納米復合體系涂層;②純納米涂層制備技術，即在原材料中并無納米粉體等材料，納米粒子是在化學反應過程中形成的，并參與到涂層結構的組建中。納米涂層是近年來國際上納米材料科學研究的熱點之一，主要集中在功能涂層上，包括傳統材料表面的涂層、纖維涂層和顆粒涂層。納米涂層性能體現在以下幾個方面：①添加納米相，可提高涂層的硬度和耐磨性能，并保持較高的韌性;②提高材料的耐高溫、抗氧化性;③提高基體的防腐蝕、抗碳化性能，達到表面修飾、裝飾的目的;④達到減小摩擦因數的效果，形成自潤滑材料;⑤納米材料涂層具有廣泛變化的光學性能、優異的電磁性能[2]。

納米涂層制備方法是納米涂層得以應用的基礎。不僅應用化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）等常規表面涂層技術，通過工藝參數來調控涂層的厚度和晶粒尺寸;還有一些新的制備方法，如溶膠-凝膠（sol-gel）、自組裝、熱噴涂等[3]。

2.2 納硅涂層制備機理

試驗采用的納硅涂層是重慶大學與重慶卡勒斯通科技有限公司聯合研發的新型納米二氧化硅涂層。該涂層基于溶膠凝膠技術，以正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷為前驅體，通過控制氨水濃度、蒸餾水添加量、乙醇用量及反應溫度來影響所制備凝膠的納米粒子粒徑;然后以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷為偶聯劑對制備的納米二氧化硅粒子進行表面改性;再將改性的納米二氧化硅粒子嫁接至有機硅樹脂中，制備得到納硅涂層。該方法制備的納硅涂層具有如下特征。

（1）由于納米SiO2粒子存在一定不飽和殘鍵和不同鍵合狀態的羥基，可與樹脂中的某些基團發生鍵合作用，從而增強漆膜的熱穩定性和化學穩定性。

（2）納米SiO2粒子的特殊光學特性可以達到屏蔽紫外線作用，故改性有機硅樹脂難以產生由紫外線引起的游離基反應，也不易產生氧化反應，因此增強了漆膜的耐候性及抗紫外能力，有效延長涂層的使用壽命。

（3）利用納米SiO2粒子的量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，可深入到高分子化合物（有機硅樹脂）的d-pπ鍵附近，與高分子化合物的電子云發生重疊，形成空間網狀結構，增大了有機硅樹脂分子間的引力、有效交聯密度，從而可大幅度提高漆膜的機械性能（硬度、彎曲、沖擊、耐擦傷性等）。

（4）納米SiO2粒子粒徑小、比表面積大、表面原子數多、表面能高，因此具有很強的表面活性和吸附能力，易與樹脂中的陰離子發生鍵合作用，從而提高漆膜與基層的結合強度，增強附著力。

3 納硅涂層涂裝試驗研究

水利樞紐關鍵部位的水位標尺通常涂裝于混凝土結構中，混凝土結構在酸雨、凍融、干濕循環、高速沖蝕等環境下會嚴重影響結構的耐久性，進而出現混凝土碳化、保護層開裂、脫落、鋼筋銹蝕等結構性問題[4-8]，從而導致涂刷的水位標尺失效，影響水利樞紐的防洪防汛工作及水電單位的日常管理。

針對水電基礎設施水位標尺涂裝中出現的問題，制作了鋼板、鋁單板、混凝土板3種基材的納硅水位標尺樣板，并進行了耐水性、耐鹽水性、耐凍融、附著力的試驗測試。試驗過程及結果如下。

3.1 試驗樣板制作

試驗樣板基材選擇：不銹鋼板（200 mm×300 mm×2 mm，300 mm×400 mm×2 mm）、鋁板（200 mm×300 mm×2 mm）、高強度水泥板（300 mm×400 mm×8 mm）。樣板制作工藝如表2～3所示。

3.2 試驗過程

水電基礎設施水位標尺通常處于潮濕環境中，因此其耐水性、耐飽和鹽水性指標非常重要;且常年處于戶外運行環境，氣候變化對涂層影響較大;隨著工業化進程的推進，中國酸雨分布面積廣泛，酸雨對涂層有著較大的腐蝕性[7-13];另外，涂層的附著力也是重要指標之一，強附著力能避免其出現開裂、脫落等風險。

試驗參照GB/T 1733-93《漆膜耐水性測定法》、GB/T 1763-79《漆膜耐化學試劑測定法》、GB/T 1763-79《漆膜耐化學試劑測定法》、JG/T 25-1999《涂層耐凍融循環測定法》、GB/T 1735-1989《漆膜耐熱性測定法》、GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》進行。

其中凍融試驗步驟為：①在20%濃度工業鹽水溶液中浸泡16 h;②在-25±2 ℃凍箱中冷凍4 h;③在50±2 ℃烤箱中烘烤4 h。此為一個循環。圖2為耐水性試驗，圖3為耐飽和鹽水試驗，圖4為凍融循環試驗，圖5為耐酸性試驗，圖6為劃格法附著力試驗。

3.3 試驗小結

試驗結果顯示，在各種基材上用納硅涂層制備的水位標尺在耐水性、耐鹽水性、耐酸性、耐凍融性方面均表現出優越性能，各項性能指標（如表4所示）遠優于國標要求，且與各種基材有良好的附著力，非常適合水電基礎設施標識標語的應用。

4 納硅水位標尺現場涂裝試驗

為了更進一步驗證納硅涂層在實際環境中的應用效果，基于室內試驗的結論，于2018年2月在漢江集團王甫洲水利樞紐工程中進行了現場涂裝試驗，納硅水位標尺現場制作工藝如圖7所示。

4.1 現場涂裝工藝

（1）混凝土基層處理：徹底清除碳化、粉化、松動混凝土表層。

（2）涂刷環氧灌封膠：采用潮濕型環氧灌封膠封閉疏松混凝土，起到固化、封閉作用。

（3）納硅中間漆涂裝（白色）：涂刷白色納硅中間漆一遍，要求均勻、無遺漏。

（4）藍紅E字涂裝：先用紙膠帶勾勒出E字輪廓，然后分別涂制藍、紅E字。

4.2 現場試驗效果

根據標準工藝制作的納硅水位標尺在漢江集團王甫洲水利樞紐中運營3 a，經歷了紫外、干濕、凍融、酸雨等綜合環境的檢驗，至今依然保持完好無損，表現出優異性能。通過對比分析新涂裝與運營3 a后的納硅水位標尺，如圖8所示，漆膜光澤僅損失3.5%，顏色出現輕微色差0.05，硬度、漆膜厚度、粉化及外觀無任何變化，結果如表5所示。而同期施工的對標鋼板水位標尺，在2019年泄洪時被沖毀。

5 結論與建議

水位標尺在日常運行管理、壩體監測、防洪防汛工作中發揮十分重要的作用。目前普遍采用的涂層或掛板不能滿足長久有效運營的要求。本文通過現場調研、室內試驗和現場試驗，得到如下結論。

（1）納硅涂層采用新型溶膠凝膠技術制備，室內試驗結果表明，納硅涂層具有優越的附著力、耐水性、耐鹽水性、耐酸性、耐凍融性。

（2）納硅涂層水位標尺在鋼板、鋁板、水泥板基材上均具有良好的適用性，各項性能指標優異。

（3）現場涂裝試驗結果表明，納硅涂層施工便捷、性能卓越。經過3 a的運營檢驗，涂層依舊如新，未出現失光、粉化、開裂、剝落等問題，具有良好的抗碳化性能。期間經歷了多次不同泄量洪水的沖刷，耐沖磨性能優異，保障了水電基礎設施的安全運營，減輕了管養單位的工作負擔。

因此，建議水電管養單位應重視新技術、新材料研發最新成果的推廣應用，尤其是納米技術的發展動態。納米材料具有表面效應、小尺寸效應和量子效應的影響，在物理性能、化學性能等方面都體現出許多不同于宏觀物質的特性，成為當今科技發展前沿的重要研究領域。可以預見，納米涂層在水利水電基礎設施領域的應用將有助于提升其運營養護的整體水平。

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（編輯：唐湘茜）

Application of super weatherability nano-silicon material in water level gauge coating of hydropower infrastructure

YAN Jian1， YIN Liming2， XIONG Bin1， LIN Yuqiang3， ZHANG Xueming4

（1. Hubei Hanjiang Wangfuzhou Hydropower Co.， Ltd.，? Xiangyang? 441700， China;? ?2.Chongqing University， Chongqing 400044， China;3. Changjiang River Scientific Research Institute， Changjiang Water Resources Commission，Wuhan? 430010， China ;? 4. Chongqing Colorstone Tech Co.，Ltd.， Chongqing 401329， China）

Abstract： In order to solve the problems of coating pulverization， light loss， cracking， peeling and plate falling off of water level gauge in water control project under adverse environments such as UV irradiation， acid rain corrosion， high-speed water flow scouring and dry-wet cycle， a comprehensive analysis was carried out by means of theoretical analysis， indoor test and field test. Using stainless steel plate， aluminum plate and high-density cement plate as substrates， the water level gauge samples were prepared in the laboratory for water resistance， salt water resistance， freeze-thaw cycle， acid resistance and adhesion tests. Field coating tests were carried out on concrete structures such as sluice gate and ship lock of Wangfuzhou water control project. The laboratory test results show that the nano-silicon coating has good applicability and excellent performance to the above substrates. After 3 years of outdoor operation， the gloss， color， hardness， thickness， pulverization and appearance of the coating were compared and analyzed. The nano-silicon coating film has no damage and in bright color and full luster. The research showed that nano-silicon coating has super weather resistance and can well solve various problems of water gauge， which is of great popularization value in this field.

Key words： water control project ; water level gauge; nano-silicon coating， experimental study; water resistance