SHJS聚碳硅氧烷“三防”耐磨涂料的研究与应用

乔乃洪，闫炳润，付德珍，杜 晓，李 峰，闫文玲，吕祥如

（1.江苏东部高速公路管理有限公司，江苏 连云港 222346；2.青岛润邦防水建材有限公司，山东 青岛 266321）

0 引言

近年来，随着高速公路及城市道桥、海港工程的飞速发展，路、桥、港等工程中的水泥混凝土构件的腐蚀问题也逐渐显现。水泥混凝土表面出现松散、麻面，以及因钢筋锈胀引起的混凝土表面脱落等病害已严重影响建筑物结构的耐久性和景观。水泥混凝土因表面具有透气和吸水的特性，受空气中的CO2、汽车尾气中的SO2、海水中盐份和盐雾中Cl-的侵蚀以及冻融作用是引起上述损害的主要原因随着我国城市的发展，黑色的沥青路面、灰色的水泥混凝土桥梁已不适应当今人们对生活环境的要求。为提高人们的居住环境品质，减少污染，如将桥梁、路面涂料制成水溶性彩色涂料，不仅可使涂膜具有较高的景观性，而且能改善建筑工程的防腐耐久性。

1 传统溶剂型涂装材料的弊端

工业防腐漆涂料的缺点是：耐候性差，不能长久保光、保色，也不宜于制浅色漆；含有毒性异氰酸基及其酯类，对人体有害，生产中要加强劳动保护，其中芳香族异氰酸酯的毒性更大；异氰酸酯稳定性差，对水分和潮气敏感，易吸潮，遇水则贮存不稳定；有些聚氨酯涂料品种是多包装的，施工时较麻烦。

一般防腐涂料附着力不强、不耐海水浸泡、不耐磨损、不耐冲击，耐干湿交替性能差，对基材表面的湿润性不好，基材与涂层之间粘合不佳，耐阴及剥落性能较差，而附着力是决定涂层寿命的主要因素之一。潮差带有“表湿区”，基层施工时处于潮湿状态，因些一般会使用湿固化涂料。根据《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ 275—2000）的要求，涂层和混凝土表面的黏结力不小于1.5 MPa。但是《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB 50046—2008）标准管理组统计表明，相当多的湿固化涂料虽然能在潮湿的混凝土基层上（甚至水中）得以固化，但固化后的黏结（强度却大大降低，附着力只有0.2～0.8 MPa。

湿气在混凝土内部是可以传递的，当蒸气压穿混凝土并且不断波及背面的涂层时，除非涂层有优异的黏结性，否则就会发生鼓泡和涂层剥落。因此，涂料在潮湿的混凝土表面具备优秀的附着力是保证涂层长效的前提。

溶剂型涂料的挥发物是有害物质，涂料中常用有机溶剂有饱和或不饱和的直链烃、芳香烃、环烷烃，以及它们的醇、酮等化合物，严重影响大气质量，危害人类的身体健康，且浪费了大量的溶剂资源。传统溶剂型涂装材料已不适应现代桥梁、码头、路面的涂装要求。溶剂型涂料由单项高分子材料制成，不抗老化，易开裂、褪色、粉化，寿命短，因此研究开发以水为介质代替有机溶剂的环保型的新材料非常必要。

2 SHJS聚碳硅氧烷涂料生产工艺

青岛润邦防水建材有限公司研究开发的SHJS聚碳硅氧烷防水、防腐、防撞（简称“三防”）耐磨涂料，属水性环保型彩色涂装材料。该涂料以环氧树脂乳液、聚氨脂乳液、氟碳树脂乳液、异丁基三乙氧基硅烷膏体为主材，经添加催化剂、促进剂，离子水等复配而成。每个单一组分都存在固有的缺点：聚氨酯和环氧树脂耐水性差；环氧树脂附着力低，水性固化剂价格高，影响推广；氟碳树脂与油性材料的表面黏结力低；异丁基三乙（甲）氧基硅烷膏体会影响对水泥基体的渗秀。但是，上述的各单一组分经数道生产工序制成涂料复配物后，上述的各单一组分的优缺点性质会在复配中互补，并产生一种特殊的协同效应。例如，异丁基三乙（甲）氧基硅烷优异的拒水性能有效弥补并提高了聚氨酯和环氧树脂耐水性，克服了它们和底层黏结不好的问题，在此，硅烷在水泥基体中的封闭剂特点发挥了主导作用，从而防止涂料-水泥基体分层、开裂。同时，聚氨酯和环氧树脂又提升了异丁基三乙（甲）氧基硅烷对水泥基体的渗透性和黏着力，从而使水泥基体达到优异的、长效的防水防腐性能。

它们之间并非简单混合，而是存在一定的复杂的化学、物理过程，正是这些特殊的化学、物理过程，构成了本产品的技术关键。从以上介绍的各主要组分化学结构及性质可知，它们都带有活性基团，是反应型高分子材料，在一定条件下，相互间会发生化学反应。

2.1氟碳树脂与环氧树脂之间发生的反应

目前广泛使用的氟碳树脂都是在侧链上含有羟基（或OR），主要是用脂肪族多异氰酸酯、三聚氰胺树脂进行交联固化。当有环氧树脂存在时，环氧官能团开环，与氟碳树脂都是在侧链上含有羟基（或OR）反应，形成交联网络，从而取代了三聚氰胺甲醛树脂固化。即：把环氧树脂分子结构式左端三角形环氧基打开，和氟碳树脂分子结构式右端侧链上含有的 OR相连，成为C-O-CH2-CH2-CH2-O-B-O（见图 1）。

图1氟碳与环氧反应分子式

2.2聚氨酯与环氧树脂之前发生的反应

环氧树脂具有许多优点，如优异的化学稳定性、耐腐蚀性、电器绝缘性以及收缩率低等。然而，由于单一环氧树脂固化后交联密度高，呈三维网状结构，存在内应力大、质脆、耐冲击性差、容易开裂等缺点。聚氨酯是一类性能优良的高分子材料，具有高耐冲击强度和优异的耐低温性能，用聚氨酯改性环氧树脂可以使两者优势互补，得到一种既具有一定柔韧性又具有很好强度的比较理想的高分子材料。

聚氨酯改性环氧树脂，主要是通过聚氨酯和环氧树脂接枝共聚改性环氧树脂，以及聚氨酯互穿聚合物网络增韧环氧树脂二种方式，使用羟值比较大、环氧值比较小，而且相对分子质量较大的环氧树脂，再加入稀释剂、催化剂、助交联剂，选择最佳比，即能反应，结果产生复杂的交联网状结构产物。研究发现，将聚氨酯弹性体引入环氧树脂中，形成互穿网络结构，不仅可以改善聚氨酯的黏结性能，提高其刚性，同时可以明显改善环氧树脂的韧性。这是由于聚氨酯分子链中的氨基甲酸酯基团（-NHC00-）具有坚韧、耐冲击、黏结力强和剥离强度高等特点，改性环氧树脂可提高其韧性和低温性能。

经化学工业海洋涂料质量监督检测中心和青岛市产品质量监督检验研究院检测，新涂料的各项指标均符合《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件要求》（JT/T 695—2007）（见表 1）。新涂料以离子水为稀料，具有无毒无味、安全可靠、施工方便、性价比高等优点，可应用于城市路桥、防撞墙及桥栏、桥墩、人行道、车间、地坪、地下车库、海港工程等建筑物的防护。

表1 SHJS聚碳硅氧烷三防耐磨涂料检测结果

3 SHJS聚碳硅氧烷涂料施工工艺

打磨，吹风除尘，基层必须干净，以手摸无尘染手为准。用改性聚合物硅烷砂浆胶泥修复基层裂缝、坑槽及坡损处，用刮刀刮平整。

第一道底涂：涂刷高渗透丙烯酸封闭底涂，首先将底涂搅拌均匀，根据天气、施工环境、基面的干燥程度，现场兑水搅拌充分，易稀不易稠。

第二道中涂：用SHJS聚碳硅氧烷防水防腐防撞耐磨涂料涂刷或喷涂均匀，增加涂膜厚度，也可做面涂。

第三道罩面涂料：喷涂或用毛刷顺方向涂刷，不得乱涂，以免影响涂膜平整度。根据工程要求随时调整环氧树脂、聚氨酯、氟碳、硅烷的配比，增加涂料膜的自洁功能。

4 SHJS聚碳硅氧烷涂料应用

下面介绍SHJS聚碳硅氧烷“三防”耐磨涂料的应用实例。

4.1 桥梁中分带护栏座涂装

潍坊市开元立交桥全长16 km防撞墙。该桥位于城市大气区，为了保护桥梁中分带护栏座部位不受融雪剂氯离子的侵害和冻融，防止车轮碰撞，2013年采用了聚碳硅氧烷防撞耐磨涂料，人工反复涂刷3遍（见图2），至今已有8年时间，涂层仍然完好无损。

图2 潍坊开元立交桥聚碳硅氧烷防撞耐磨涂料涂装现场

4.2 全桥涂装

潍坊市滨海区永安路黄河东街大桥。该项工程地处渤海湾西部盐碱地段，属盐雾区，高盐土环境，2015年对该桥整体进行了防水防腐保护。SHJS聚碳硅氧烷“三防”耐磨涂料调成深灰色，对桥梁通体进行了涂刷。涂装效果非常美观，外观像一座铁桥（见图3）。经过近5年的观察，未发现有开裂、脱落、粉化、老化等现象。各项指标均复合《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTC/TB07-01—2006）要求。

图3 潍坊黄河东街大桥SUJS聚碳硅氧烷“三防”耐磨涂料涂刷效果

潍坊G320新海线潍河大桥防腐工程。该大桥全长700 m，防腐面积约2万m2，地处盐雾区，高盐土环境。2017年，该工程采用了SHJS聚碳硅氧烷防腐涂料，新涂料的防护效果理想，直至今日，涂面无裂缝、不起层、不脱皮、整齐平整、无色差、无针孔色裂，均匀一致（见图4）。

图4潍坊潍河大桥SHJS聚碳硅氧烷“三防”耐磨涂料涂刷效果

4.3 荣威高速防撞墙涂装

该工程属乡村大气盐务区除冰盐环境，为斑马线防腐防撞反光工程，全长42 km，2015年均采用SHJS聚碳硅氧烷“三防”耐磨涂料进行涂刷，整个工程欣然一新（见图5）。该路段防撞墙马蹄部位以往有不同程度的松散脱落现象，出现马蹄部位松散脱落的原因有三：一种为交通车轮剐蹭引起；二种为混凝土碳化冻融引起；三种为氯离子侵蚀引起。通过用碳刚水泥砂浆修补，涂刷SHJS聚碳硅氧烷三防耐磨涂料，工程焕然一新。经4年的观察无任何老化现象，仍然保持完好。

图5荣威高速防撞墙SHJS聚碳硅氧烷“三防”耐磨涂料涂刷效果

4.4 路面标线

同三高速东海路段。该工程属乡村大气盐务区除冰盐环境，2017～2018年用SHJS聚碳硅氧烷防腐防水耐磨涂料加金刚砂做成路面警示线，防滑、耐磨，反光效果明显（见图6）。通过两年的观察，涂层完好无损，达到了行车安全目的。

图6同三高速带SHJS聚碳硅氧烷防水耐磨涂料涂刷效果

4.5 彩色路面

高清天鹅湖景观工程。该工程属乡村大气潮湿高盐土环境，以SHJS聚碳硅氧烷彩色涂料为基础原料漆加金刚砂做成彩色路面（见图7），效果明显。2017年施工完成至今3年无老化现象，完好如初。

图7高青天鹅湖SHJS聚碳硅氧烷彩色涂料涂刷效果

4.6 水上工程涂装

青岛前海水上皇宫地下维修工程。该工程地处海边水位变动区，潮汐时间只有6 h，施工环境艰难，施工条件较苛刻。经多种防腐涂料现场对比试验后，唯有SHJS聚碳硅氧烷防水防腐涂料能适应该环境施工。施工时，潮水退下去时抓紧时间涂刷，3 h后潮水上涨停止施工。24 h后潮水退去，观察结果：涂层无脱落、起鼓、破皮、开裂现象，完好无损（见图8）。经海浪反复冲刷，涂膜安然无恙。实践证明，该产品用于海港工程防水、防腐、耐磨、抗冲击是比较适用的新材料。近期台风“利奇马”带来强烈的海浪撞击，新涂料涂层安然无恙，表明该材料具有海洋防腐涂料中较为先进的的渗固性能，受到业主的赞扬和认可。

图8青岛海上皇宫SHJS聚碳硅氧烷防水耐磨涂料涂刷效果

5 结 语

针对水泥混凝土构件的腐蚀现象及传统防护涂料的缺陷，研制了既有助于保护水泥混凝土抵御外来因素的腐蚀侵害，又能满足环保和景观要求的新型涂料——SHJS聚碳硅氧烷“三防”耐磨涂料。通过多个工程实例考察了新型涂料的应用效果。结果表明，新型涂料有助于抵御外来因素对水泥混凝土结构的腐蚀，能满足环保和景观要求，是一种实用效果较好的新产品。研究破解此类水泥耐海水腐蚀等难题是具有巨大社会经济效益的创新项目，开展此类项目的研究，不仅需要市场机制激励企业的创新意愿，更需要政府的资助和支持。