納米有機(jī)硅改性環(huán)氧瀝青防腐涂料高性能化設(shè)計

姚紅良 黃團(tuán)沖 葉軒宇 劉江舟

摘 要：為了提高環(huán)氧瀝青防腐涂料對內(nèi)河水運(yùn)碼頭鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，采用納米硅烷偶聯(lián)劑對環(huán)氧瀝青防腐涂料現(xiàn)行體系進(jìn)行增韌改性，研發(fā)了一種高抗沖蝕納米有機(jī)硅改性環(huán)氧瀝青高性能防腐涂料，并分析了納米硅烷偶聯(lián)劑類型和摻量對其抗沖蝕防護(hù)性能的影響，可為相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河水運(yùn)碼頭;環(huán)氧瀝青;防腐涂料;納米有機(jī)硅;高性能化設(shè)計

中圖分類號：TU753.8? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0058-02

1 設(shè)計背景

內(nèi)河水運(yùn)碼頭鋼結(jié)構(gòu)防腐直接關(guān)系到碼頭服役壽命和安全運(yùn)營。目前，我國內(nèi)河水運(yùn)碼頭鋼結(jié)構(gòu)的防腐主要采用環(huán)氧瀝青防腐涂料進(jìn)行防護(hù)。但大量防腐工程案例顯示，現(xiàn)行環(huán)氧瀝青防腐涂料存在易沖蝕、大面積脫落等問題，無法對內(nèi)河水運(yùn)碼頭的鋼結(jié)構(gòu)形成有效防護(hù)，特別是在多砂大水流下甚至使用不到1年即發(fā)生嚴(yán)重的破損而過早失去防護(hù)功能。研究[1-2]表明，涂層抗沖蝕耐磨性、涂裝工藝、所處水文地質(zhì)環(huán)境條件等均是影響防腐涂料防護(hù)功能的主要因素，尤其不能忽視含砂水流對其高速沖擊破壞作用。因此，目前國內(nèi)外科技工作者越來越重視從提高涂層沖擊韌性方面考慮，提出對現(xiàn)行環(huán)氧瀝青防腐涂料進(jìn)行增韌改性，研制一種新型高抗沖蝕防腐涂料，使其能夠抵抗含砂水流對其涂層的高速沖擊破壞。

本文擬在現(xiàn)行環(huán)氧瀝青防腐涂料配方的基礎(chǔ)上，探討采用納米硅烷偶聯(lián)劑對其進(jìn)行增韌改性，研發(fā)一種高抗沖蝕納米有機(jī)硅改性環(huán)氧瀝青高性能防腐涂料，并分析納米硅烷偶聯(lián)劑類型和摻量對環(huán)氧瀝青防腐涂料性能的影響，且依托江西省九江水運(yùn)某碼頭鋼護(hù)筒嵌巖樁防腐工程考察其工程應(yīng)用效果。

2 改性設(shè)計

2.1試驗配方

納米有機(jī)硅改性劑選用凝膠型和溶膠型兩種不同市售納米硅烷偶聯(lián)劑（NSCA），兼有消泡、分散等功能的自制輔劑同時選用，摻量以其保證涂料易涂裝成膜為準(zhǔn)?，F(xiàn)行環(huán)氧瀝青防腐涂料由江西九江水運(yùn)某碼頭項目部提供，在其配方的基礎(chǔ)上采用多元物理共混方法制得的不同類型和摻量的納米有機(jī)硅改性劑環(huán)氧瀝青防腐涂料（NSCA-EAC）的配方見表1。

2.2性能測試

按如表1所示的配方將制得的防腐涂料加入一定比例專用固化劑攪拌均勻，涂刷至Q345B鋼片上并在室溫下固化5d，制成一批膜厚約150μm的待測試樣。

耐水性能通過測試試樣經(jīng)模擬江水靜置浸泡72h后的涂層吸水率和附著力進(jìn)行表征。附著力采用MX-5附著力試驗儀測定?？箾_蝕性能參照文獻(xiàn)[1]所述方法，采用微機(jī)可控BE-20砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行測試。實驗時首先將試樣綁扎在攪拌機(jī)攪拌葉片上，然后將模擬江水倒入攪拌機(jī)，通過調(diào)整攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速模擬研究涂層對含砂江水的抗沖蝕性能，并用沖蝕磨損率表征。模擬江水參考江西九江水文地質(zhì)條件配制，含砂量2.8kg/m3（多砂），沖蝕速度0.5m/s（低速）和1.8m/s（高速）兩種，沖蝕時間為72h。

3 結(jié)果與分析

3.1耐水性能

圖1為各試樣在含砂量為2.8kg/m3模擬江水靜置浸泡72h后涂層吸水率和附著力的測試結(jié)果?？梢?，NSCA可明顯降低環(huán)氧瀝青防腐涂層的吸水率，而且降低幅度隨著NSCA摻量的增大呈逐漸增大的趨勢。當(dāng)NSCA摻量達(dá)0.2%時，可將基準(zhǔn)試樣涂層的吸水率（3.2%）分別降低23.1%（凝膠型）和16.6%（溶膠型），但當(dāng)超過0.2%時因摻過量高比表面積納米顆粒而難以分散又開始有所增大。

同時可見，除摻0.25%NSCA試樣的附著力較基準(zhǔn)試樣有所降低外，其他試樣涂層附著力均較基準(zhǔn)試樣涂層的要大，且NSCA摻量越大附著力越大，同一摻量下?lián)侥z型NSCA的附著力又較摻溶膠型NSCA的大，且涂層無脫落等現(xiàn)象發(fā)生。說明NSCA的加入可有效阻滯水在涂層中的擴(kuò)散，降低水等介質(zhì)對涂層-基底界面粘接的破壞，從而使NSCA-EAC具有更好的耐水性能，且摻0.2%凝膠型NSCA的耐水性能最好。

3.2抗沖蝕性能

圖2為各試樣涂層在1.8m/s和0.5m/s兩種不同模擬沖蝕速度下沖蝕72h磨損率的測試結(jié)果。可知：NSCA-EAC涂層在1.8m/s和0.5m/s模擬沖蝕速度下的沖蝕磨損量均隨著NSCA摻量的增大呈逐漸減小的趨勢，且摻凝膠型NSCA的沖蝕磨損量降低幅度又較摻溶膠型NSCA的大，但當(dāng)摻量超過0.2%時降低幅度開始有所減小。摻0.2%凝膠型NSCA的NSCA-EAC，其試樣涂層在1.8m/s和0.5m/s模擬沖蝕速度下的沖蝕磨損率較基準(zhǔn)試樣可分別降低61.6%和46.4%，且第三方檢測機(jī)構(gòu)的檢測結(jié)果表明其他性能指標(biāo)也滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。說明NSCA的加入可使NSCA-EAC試樣較基準(zhǔn)試樣具有更好的抗沖蝕性能，且摻0.2%凝膠型NSCA的效果最佳。

3.3應(yīng)用效果

江西九江水運(yùn)某碼頭位于江西省彭澤縣，是江西省截至目前投資建設(shè)最大的一座內(nèi)河水運(yùn)碼頭，設(shè)計貨物吞吐量65萬噸/年，設(shè)計等級Ⅱ級，設(shè)計使用壽命50年，共投資11.89億元。碼頭平臺采用排架式高樁梁板結(jié)構(gòu)，平臺總長572m，寬30m，排架基礎(chǔ)采用Q345B鋼護(hù)筒內(nèi)灌C30混凝土的φ500mm嵌巖樁，每榀排架設(shè)5根，排架間距為9m。一期工程鋼護(hù)筒剛開始主要參照《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS 152-2012），采用普通環(huán)氧瀝青防腐漆進(jìn)行防護(hù)，成膜厚度150μm。但隨后發(fā)現(xiàn)，在一期工程尚未投入使用情況下鋼護(hù)筒防腐涂層就出現(xiàn)了不同程度的脫落，基底并有銹蝕跡象。

為此，于2019年10月開始將所研發(fā)的上述納米有機(jī)硅改性環(huán)氧瀝青防腐涂料應(yīng)用于其后續(xù)防護(hù)工程中。應(yīng)用效果檢驗顯示，本防腐涂層經(jīng)九江江水長達(dá)2年的沖蝕后未出現(xiàn)起泡、開裂、脫落等現(xiàn)象且劃痕處無紅銹。說明本單位研發(fā)的新型防腐涂料是一種長期高效防腐涂料，在內(nèi)河水運(yùn)碼頭鋼結(jié)構(gòu)防腐領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

4 結(jié)語

綜上所述，得出以下幾點結(jié)論：

（1）摻入適當(dāng)?shù)募{米硅烷偶聯(lián)劑可有效阻滯水分子等介質(zhì)向環(huán)氧瀝青防腐涂層內(nèi)部滲透并降低涂層吸水率和提高涂層附著力，顯著提升其防護(hù)性能，且摻量越大效果越明顯，但摻量不宜超過0.2%。

（2）相比摻溶膠型納米硅烷偶聯(lián)劑，摻凝膠型納米硅烷偶聯(lián)劑的效果更佳。摻0.2%凝膠型納米硅烷偶聯(lián)劑時，可將環(huán)氧瀝青防腐涂層的耐水性能和抗沖蝕性能分別提高23.1%和61.6%，且其他性能指標(biāo)滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，可用于高含泥砂大水流條件下內(nèi)河水運(yùn)碼頭鋼結(jié)構(gòu)的防腐。

（3）工程應(yīng)用示范效果檢驗表明，本單位研發(fā)的新型防腐涂料是一種長期高效防腐涂料，在內(nèi)河水運(yùn)碼頭鋼結(jié)構(gòu)防腐領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉明維，曾麗琴，余杰.內(nèi)河碼頭環(huán)氧瀝青漆涂層-鋼界面強(qiáng)度弱化影響因素分析[J].中國科技論文，2018（07）：819-824.

[2] 張永強(qiáng).表面預(yù)處理工藝對涂層結(jié)合性能的影響[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

基金項目：江西省交通運(yùn)輸廳科技項目（2019C0016）。