水性环氧/氟碳双层体系对海洋环境桥梁混凝土的防腐性能研究

王模

摘要：针对海洋环境桥梁混凝土表面腐蚀防护问题，文章通过制备以丙烯酸改性水性环氧树脂为底层，氟碳为面层的双层防腐体系，以吸水率测试、附着力、氯离子渗透、暴晒试验研究其吸水性、附着强度、抗氯离子渗透能力、耐老化性。结果表明：涂装后的混凝土试件吸水率≤1%;涂膜与基材之间的附着强度>5MPa;在电通量法氯离子渗透试验中，6 h总导电量为1636.1C，混凝土导电性由高等级降为低等级;经过6周的曝晒试验，涂膜未见明显老化。研究结果说明制备的双层防腐涂料可有效减少氯离子对混凝土的长期侵蚀并延长海洋环境桥梁混凝土结构的使用寿命。

关键词：水性环氧树脂;氟碳;防腐涂料;耐老化

中图分类号：U441 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.028

文章编号：1673-4874（2019）08-0103-04

0引言

海洋环境桥梁混凝土的腐蚀性环境较为特殊，容易引起混凝土结构的侵蚀老化，严重威胁桥梁寿命，妨碍行车安全。通过在混凝土表面涂装防腐涂层，能够有效提高混凝土的耐腐蚀性和耐久性。单层混凝土涂装体系虽然施工操作便捷，成本较低，但成分单一，只对特定腐蚀介质进行防护，防腐效果普遍不佳;三道或多道的多层体系虽具有优良的防腐效果，但通常应用于小型构件的防腐，对混凝土桥梁等大型建筑来说，工序复杂、成本较高、施工周期长。而双层体系混凝土涂料，避免了多层体系的弊端，能保证良好的防腐效果。

田慧文等通过对钢筋混凝土表面涂层防腐措施与其他防护措施的比较，表明采用丙烯酸、有机硅等对环氧树脂进行改性制备水性环氧改性聚合物，可望获得综合性能优良的水性混凝土涂料。郑焱以水性氟碳树脂涂料测试表明该氟碳面层涂层对混凝土的防护性能良好。

本实验从混凝土双层防腐涂料体系角度出发，结合实际海洋工程环境，研究探索所制丙烯酸改性环氧底层、氟碳面层涂料在混凝土试件上的性能表现，对其防腐和耐久效果进行综合性评价，同时提出相关施工工艺，为工程应用提供参考。

1实验内容

1.1双层防腐体系涂料的制备

1.1.1丙烯酸酯改性环氧底漆的制备

将正丁醇和乙二醇丁醚（以4：3为比例）混合后加入到环氧树脂中，充分溶解，然后将其转入三口烧瓶中，在110℃油浴，将适量的苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸羟丙酯等接枝单体和引发剂过氧化苯甲酰的混合溶液，在1.5h后缓慢均匀滴入烧瓶中;升温至120℃，反应2.5h;降温至85℃，将适量N、N-二甲基乙醇胺缓慢加入，中和成盐;用氨水调节其pH值至7～7.5;降温A50℃，加入适量的去离子水，制得丙烯酸酯水性环氧树脂乳液。

将制得的丙烯酸酯水性环氧树脂乳液和改性多元胺固化剂（比例5：1）、适量二月桂酸二丁基锡、流平剂BYK310、消泡剂DFC21加入圆底烧瓶中，高速搅拌30min，使各组分均匀混合。搅拌完成后静置5min，之后涂覆于120m×50mm涂料专用试板上，自然流平，涂膜厚度控制在2～3mm，固化成膜。

1.1.2氟碳面層的制备

氟碳面层制备分为两组分。A组份：称取一定量的氟碳树脂和溶剂，以300r/min高速分散搅拌10min，搅拌过程中加入一定比例的填料、消泡剂、流平剂。B组份：称取一定量的固化剂、催干剂和溶剂，分散搅拌均匀。

树脂基材采用1#Q211常温固化氟碳树脂，占总体系用量50%;溶剂体系选择乙酸乙酯和环己酮的混合溶剂;固化剂选用HDI缩二脲;掺加体系质量0.05%的三乙醇胺作催干剂，流平剂选用有机硅型流平剂BYK-333占体系0.5%，不添加消泡剂;选择钛白粉、硅灰石、云母粉和炭黑为颜填料，适量加入，用量为体系质量的25%。

1.2混凝土试件的制备及涂装

1.2.1混凝土试件的制备

根据《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/T B07-01-2006），采用尧柏特种水泥集团有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，技术规格见表1。粗集料为连续级配花岗岩碎石，最大粒径25mm，技术规格见表2。细集料为河砂，最大粒径5mm，技术规格见表3。水为自来水。

试验用混凝土试块水灰比（w/C）为0.6，砂率为35%～40%。混凝土配合比：水泥360kg/m，砂675kg/m，碎石1150kg/m，水215kg/m。按照设计配合比，称取水泥和粗、细集料搅拌1min，加水搅拌直至充分混合均匀。将拌合好的混凝土倒入直径100mm、高60mrn的圆形试模充分振捣。放置24h后拆模，表面盖湿麻袋在20℃±5℃条件下养护28d。将养护完成的试件标号待用。

1.2.2混凝土表面预处理及涂料涂装工艺

1.2.2.1混凝土试件表面预处理

先彻底清除混凝土表面的灰尘、油污、水生植物及旧涂料等杂质;再用便携式打磨机进行打磨处理。对于表面的微小裂缝和其他缺陷，用腻子粉进行修复补平，若存在严重裂缝、孔洞或麻面等，须用水泥砂浆抹面。所有混凝土表面在底涂施工前都应进行喷砂抛丸或打磨处理，保证涂装表面的干净清洁。

1.2.2.2混凝土防腐涂料的涂装

根据《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件规范》（JT/T 695—2007）E73，涂装环境温度≥5℃，空气相对湿度≤90%，保持混凝土表面干燥整洁。禁止在大风、雨雪及扬尘天气进行户外施工。

环氧底层涂料施工采用滚刷法，将改性环氧树脂、固化剂及助剂混合搅拌均匀，待完全熟化后，滚刷2～3遍，涂装完成后对滚刷不到位的部位进行补涂。氟碳面漆施工采用刷涂法，在底层涂料彻底干燥后进行面层涂料的涂装，将A、B双组份混合均匀后，涂刷2～3遍。施工完毕注意遮盖，避免水、灰尘、杂物等破坏表面效果，直至涂层完全干燥。

1.3性能测试与结构表征

1.3.1吸水性

按照《混凝土涂料吸水率测定方法》（HG/T 3344-2007）评价涂装后混凝土的吸水性。制备混凝土试件，烘干后自然冷却。试件上下两面均进行防腐涂料涂装，并用环氧密封胶将所有侧面完全密封。涂料完全干燥后，静置养护5d后待测。养护后50℃下烘干12h，在温度（20±5）℃、相对湿度（60±5）%环境中冷却至室温，用电子天平称量干重并记作m。。将试件放入水槽，水面完全淹没试件，保持水温在（20±2）℃，浸泡24h。用湿抹布擦干残留水分，迅速称重并记作m1。

1.3.2附着力

参照《色漆和清漆拉拔法附着力试验》（GB/T5210-2006）的规定，采用拉拔试验仪法进行涂膜附着力试验。

1.3.3氯离子渗透性

根据《混凝土抗氯离子渗透能力标准试验方法》（ASTMC1202-2010），采用电量法（又称库伦法）快速测定混凝土抗氯离子渗透性。仪器采用电量法混凝土抗氯离子渗透性试验仪。将涂装防腐涂料后的混凝土试件通过电量记为Q1，未涂装的记为Qo，计算总电量的变化幅度，评价涂料耐氯离子渗透性能。

1.3.4耐气候老化性

根据《涂层自然气候暴露试验方法》（GB/T9276-1996）规定，对涂装后的混凝土试件进行曝晒试验，根据《色漆与清漆涂层老化评级方法》（CB/T1766-1995）从变色等级、粉化等级、开裂等级三个方面对涂膜耐气候老化能力进行评价。

2结果与分析

2.1抗吸水性

通过测试涂装双层防腐涂料前后混凝土试件的吸水率，对该双层涂料体系抗混凝土吸水性能进行评价。试验结果如表4所示。结果表明：在混凝土试件涂装防腐涂料后，试件的吸水率出现了显著降低。其中第3组试件吸水率降低幅度最大，达到2。96%，第1、第2组试件的吸水率降低幅度在2.5%左右。这表明该双层涂料体系固化成膜后结构致密，耐水性及封闭性良好，对抑制混凝土吸水效果明显。

3组试件涂装后的吸水率分别为0.83、0.66和0.73，涂料体系对混凝土吸水率的平均降低幅度为2.66%，大大满足《海洋钢筋混凝土结构防腐涂料评价方法》（DB37/T 2318-2013）的规定：吸水率≤1.5%，对吸水率的降低率应在2%以上。两项指标均达到规范要求，证明本研究所制备的防腐涂料的抑制混凝土吸水性能良好。

2.2黏结性

本试验测试了5组试件防腐涂料与混凝土基材之间的附着力，每组3个点共15个点的涂膜附着强度，黏结性试验结果如表5所示。

通过表5可以看出，5组试件附着力强度均较高。其中4号试件附着力最大，均值可达5.7MPa，3号试件相对最小，但也有5.23MPa。根据《混凝土结构防护用成膜性保护涂料》（JG/T 335-2011）的规定，涂膜与混凝土基材间附着力不应<1.5MPa。本涂料体系在保证足够涂膜厚度的情况下，粘结性完全满足规范值要求。

表5中第2、4、5号试件均出现无效数据，即破坏发生在锭子与涂膜之间，原因可能是胶黏剂强度不足或黏结不实，该数据不予采用。同时，所有试件的涂膜均没有出现底层涂料和面层涂料之间的破坏，这说明改性环氧树脂底涂和氟碳树脂面涂体系层间结合力可以达到使用要求，基本不存在层間破坏的可能。

2.3抗氯离子渗透性

采用电量法分别测定了3个未涂装的空白组和3个涂装后的试验组试件的抗氯离子渗透性，得到电流一时间曲线。通过计算求得通电6 h内的总导电量。空白组和试验组试件的电流一时间曲线如图1所示。

图1中的1、2、3号试件为空白组，4、5、6号试件为试验组。从电流一时间曲线可以看出，涂装防腐涂料后的混凝土试件的电流强度比未涂装试件出现明显降低。对曲线进行近似面积积分，可以求出每组试件的6 h通过总电量（单位：库伦），如表6所示。

由表6可知，未涂装空白组的平均导电量为4163.3C，涂装后试验组的平均导电量为1636 C，下降幅度为61%。根据美国试验与材料协会标准（ASTMC1202）规定，混凝土氯离子渗透性等级划分如表7所示。

从表7中可以看出，经过涂装混凝土防腐涂料，混凝土的渗透性等级由高降为低。对混凝土导电量的降低率可以达到60%以上。这是因为致密的涂膜结构封闭了混凝土表面的微孔隙，使得大部分氯离子无法渗透进入混凝土试块，从而降低了回路电量。这表明本研究的混凝土防腐涂料体系有效提高了混凝土耐氯离子渗透能力，对于提高混凝土的耐腐蚀性和耐久性有重要意义。

2.4耐自然老化性

本试验涂装3个混凝土试件用于曝晒试验。每隔一周观察并记录涂膜表面情况。按照前文所述涂膜自然老化评级方法，从变色等级、粉化等级、开裂等级三个方面评价涂膜的耐自然老化性能。试验结果如表8所示。

从表8中可以看出，经过6周的曝晒试验，3组试件涂膜均未出现明显老化现象。在变色、粉化和开裂评价中，所有涂膜表现良好，只有第2组试件出现细微裂缝，但此类细缝短期内不会造成涂膜的结构性损坏。在老化试验后期，涂膜出现轻微程度的粉化。综合分析来看，由于时间因素的限制，难以实现长周期的户外曝晒试验，因此涂膜实际耐自然老化性能有待继续验证。但就初期耐老化性能及前文进行的耐紫外试验来看，本试验涂层体系可以满足规范要求和工程需要。

3结语

本文研究了防腐涂料体系在混凝土上的性能表现，探讨了混凝土试件的制备、预处理及涂装工艺，并从抗吸水性、黏结性、抗氯离子渗透性以及耐自然老化（曝晒）四个方面对涂膜性能进行测试，主要结论如下：

（1）混凝土试件涂装双层防腐涂料后，试件的吸水率明显下降，降幅约为60%～75%，涂装后的试件吸水率≤1%，表明涂膜体系结构致密，封闭性及耐水性达到规范要求。

（2）所制备双层涂层体系间附着力良好，涂膜与混凝土基材之间的附着强度可达5MPa以上，满足相关规范对涂膜附着力的规定。

（3）混凝土试件在涂装防腐涂料后，6 h总导电量从4163.3C下降至1636.1C，混凝土导电性等级由高等级降为低等级，涂装后的混凝土具有较好的抗氯离子渗透性，可在一定程度上提高海洋环境桥梁混凝土的耐腐蚀性和耐久性。

（4）本防腐涂料体系在6周曝晒试验中未出现明显老化现象。只有个别试件出现了轻微开裂和粉化，但未对涂膜结构造成影响，涂膜初期耐自然老化性满足要求。