过水混凝土面生物侵蚀防护涂料性能研究

蔡杰龙 杨永民 潘志权

摘 要：以广东省某大型输水工程为例，基于工程与资料调研，选取4种代表性的防护材料，通过接触角、表面能、吸水率、显微硬度和耐酸性等材料性能室内试验，结合防护材料涂覆前后输水建筑物过水混凝土面生物附着量和附着强度现场试验，并建立技术性能量化评价方法，综合分析评价了防护材料的生物侵蚀防护效果。结果表明：以环氧树脂底漆、氟碳树脂为面漆的BIOX涂料表面接触角较大、表面能较低、吸水率较低，有机酸侵蚀质量损失较小，防生物附着性能表现优异，12个月龄期涂覆于现场的涂层表面完好无损，比其他涂料具有明显的性能优势;利用防护材料技术性能量化评价可知，BIOX涂料的防生物侵蚀性能综合得分最高，表现最佳，是输水建筑物过水混凝土面生物侵蚀防护涂料的首选。

关键词：过水混凝土面;防护材料;生物侵蚀;量化评价模型

中图分类号：TV866;V261.93+3 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.029

Abstract： Taking a large-scale water transfer project in Guangdong Province as an example， based on engineering and data investigation， four kinds of representative protective materials were selected to study through indoor tests on material properties such as contact angle， surface energy， water absorption， microhardness and acid resistance. Combined with the field test of biological adhesion quantity and adhesion strength of concrete surface of water transfer structure before and after coating of protective materials， a quantitative evaluation model of technical performance was established. The biological erosion protection effect of protective materials was comprehensively analyzed and evaluated. The results show that the BIOX coating with epoxy resin primer and fluorocarbon resin as topcoat has larger surface contact angle， lower surface energy， lower water absorption， less mass loss of organic acid erosion and excellent anti-biological adhesion performance. The surface of the coating coated on the site at the age of 12 months is intact and has obvious advantages over other coatings. According to the evaluation of the technical performance quantitative model of protective materials， the comprehensive score of anti-biological erosion performance of BIOX coating is the highest and its performance is the best. Therefore， BIOX coating is the first choice of biological erosion protective coating for concrete surface of water delivery structures.

Key words： porous concrete surface; protective material; biological erosion; quantitative evaluation model

1 引 言

混凝土是輸水建筑物使用最广泛的工程材料，在确保建筑结构安全运行方面发挥极为重要的作用。近些年来，水生物的侵蚀使广东省某大型输水工程建筑物的过水混凝土面遭受不同程度的损伤与破坏，给工程结构安全和正常运行带来了潜在隐患，同时也使工程整体形象受到损害[1]。据统计，我国已记录的附着型水生物约600种[2]，主要包括水虱、水螅、海鞘、藤壶、沼蛤以及藻类等，主要附着于混凝土过水面并通过分泌有机酸等物质侵蚀混凝土。据统计[3]，在德国10%～20%的建筑物的破坏主要源于生物侵蚀;在美国的排污管道网中，将近80万km已经遭受不同程度的微生物侵蚀，亟待修复或更换。据《中国工业与自然环境腐蚀问题调查与对策》，我国2010年由生物侵蚀导致的经济损失在4 979亿元以上[4]。

输水建筑物过水混凝土面生物侵蚀防护方法可分为物理防护、化学防护和生物防护3种[4]，其中：化学防护多使用化学试剂杀灭水体中的生物，具有一定毒性，在输水建筑物上使用容易污染水质，给水安全带来潜在隐患;生物防护主要通过水生物或者仿生涂料对生物侵蚀进行防治，容易导致水生态平衡的破坏。鉴于此，笔者从物理防护角度出发，选用4种代表性的环保型防护涂料，通过接触角、表面能、吸水率、显微硬度和耐酸性等材料性能室内试验，结合防护材料涂覆前后输水建筑物过水混凝土面生物附着量和附着强度等现场试验，建立技术性能量化评价模型，综合分析评价防护材料的生物侵蚀防护效果，以期为工程防护材料的选择提供参考。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

（1）混凝土原材料。混凝土原材料（水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料和减水剂）均参照原工程输水建筑物所用的混凝土，其中：水泥采用广东珠江水泥厂生产的P.O42.5R水泥，粉煤灰为广州恒达资源综合利用有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，细骨料采用东江河砂（细度模数为2.8），粗骨料采用5～20 mm连续级配的花岗岩碎石，减水剂采用瑞龙牌LS-400高效缓凝减水剂（WR-R），所有原材料均经检测合格后使用。

（2）基准混凝土配合比。混凝土配合比参数参照原工程使用配合比（见表1），混凝土设计强度为C20。

（3）防护材料。所选用的4种代表性防护材料见表2。

2.2 试验样品制备

（1）试样制备。砂浆根据行业标准SL 352—2006进行拌和成型，水灰比为0.5，试样尺寸为70 mm×70 mm×70 mm。试样经标准养护28 d后取出，并对每个试样的5个表面涂覆环氧树脂，另外一个表面涂覆试验防护涂料。设置3组试验，每组试验5个试样。

（2）现场试验混凝土试样。试验混凝土参照国标GB/T 50080—2002拌和成型，试样尺寸为500 mm×500 mm×50 mm。标准养护28 d后取出，按照标准涂覆工艺用4种涂料分别对试样进行涂覆，预留一个空白样作为对照。

2.3 试验方法

（1）现场挂板试验。将涂覆不同防护涂料的混凝土试样吊装在输水涵洞口处，模拟真实水流环境下生物对混凝土面层的附着与侵蚀情况。现场挂板试验分3个月、6个月和12个月3个龄期。

（2）涂层表面能、表面接触角。使用法国某公司生产的表面接触角测量仪，按照广东省质量技术监督局发布的地方标准DB44/T 1232—2013相关规定，测定涂层表面能、表面接触角。

（3）涂层吸水率。将涂覆防护涂料的砂浆试件和空白样置于50 ℃恒温干燥箱中烘至试件质量不变，称其质量m1;将5组试件分别用石蜡密封其他5个面后置于水中，确保淹没试件，浸泡48 h后取出，用湿布吸干表面，小心揭掉石蜡，再次称其质量m2。涂层吸水率w的计算公式为

w=m2-m1m1×100%（1）

（4）涂层显微硬度。使用HV-5维氏硬度计进行硬度测试，随机测量每种涂料涂层表面10个硬度数据，取其平均值作为涂层的硬度值。

（5）涂层耐酸性。使用一般水生物分泌的有机酸（乙酸、丙酸、柠檬酸），按照一定比例配制人工模拟侵蚀液，将砂浆试样放入其中进行浸泡试验，浸泡龄期为30 d。观察浸泡后涂层表面的剥落、开裂或起泡等劣化情况，按照劣化等级划分标准（见表3）评定涂层的劣化等级。

3 试验结果与讨论

3.1 涂层表面能/表面接触角

根据涂层表面接触角与表面能试验结果（见表4）可知，涂层表面接触角由大到小排序为BIOX、ZH、JJF、SBS和空白样，表面能由大到小排序为空白样、SBS、JJF、ZH和BIOX。由此可知，BIOX涂层的防附着性能最强，其次为ZH涂层，再次为JJF涂层，SBS涂层的最差。

3.2 涂层吸水率

根据不同涂层吸水率试验结果（见表5）可知，涂层的吸水率排序为BIOX

3.3 涂层显微硬度

根据显微硬度试验结果（见表6）可知，4种涂层中SBS涂层的显微硬度最高，接近于空白样，ZH与JJF涂层的显微硬度相对较低。其中：BIOX为弹性涂料，硬度数据无法测出;SBS涂层硬度较高，在输水建筑中抵抗含沙水流冲刷时相对较为稳定，即抗冲刷性能好;ZH与JJF涂层相对硬度较低，抗冲刷性能相对较差。

3.4 涂层耐酸性

不同涂层试样在有机酸侵蚀30 d后的质量变化和劣化等级状况见表7。由表7可知，4种涂层试样与空白样在模拟有机酸侵蚀下均出现不同程度的质量损失，其中：空白样的质量损失率最大，为2.1%;4种涂层试样质量损失率均相对较小，BIOX最小（0.1%），涂层劣化等级为Ⅰ级（基本完好）;SBS和JJF涂层试样的质量损失均较大，涂层剥落程度也较为严重，劣化等级分别为Ⅲ级和Ⅳ级。由此可见，BIOX涂料的耐酸性最强，ZH的次之，SBS和JJF涂料的耐酸性最差。

3.5 现场挂板试验

根据不同试验龄期涂层污损附着试验结果（见表8）可知：3个月试验龄期时，各种涂层均未产生明显污损，空白样则出现少量砂浆剥蚀;6个月试验龄期时，ZH和BIOX涂层均未出现明显污损，SBS和JJF涂层则出现局部剥落的现象;12个月试验龄期时，ZH和BIOX涂层表面仍较为完好，无明显污损，SBS和JJF涂层的剥落程度则较为严重。可见，BIOX涂料表现优异，各个龄期涂层表面均未有附着。其他3种涂层表面淡水壳菜的附着强度较为接近，其中：SBS涂层附着密度最大，与空白样相近;ZH和JJF涂层附着密度接近，均较大。

3.6 原位涂覆试验

由原位涂覆试验结果可知，经过12个月试验龄期后，涂覆SBS涂料的混凝土表面污损附着物数量最多、面积最大;其次为ZH和JJF涂层，表面附着程度相对较轻，但附着量同样较大;BIOX涂层表面未出现明显附着，涂覆边界清晰可见，涂覆区域外则附着严重。因此，BIOX涂层防生物附着性能最佳，其次为ZH和JJF涂层，SBS涂层最差。

3.7 不同涂料技术性能量化评价

将4种涂料的技术性能分为“优秀”“良好”“合格”“较差”4个等级，各等级对应的分数见表9。

根据该工程对过水混凝土面防护性能的要求，对各种技术指标赋予一定的权重，权重等级分为5%、10%、15%、20% 4级，室内试验和现场试验相关技术指标权重分别为45%和55%。根据上述试验结果，不同涂料技术性能评分结果见表10。表中所有指标按照试验结果优劣进行排序，并根据评价等级进行量化计算。BOIX为弹性涂料，显微硬度指标无法表征，按“合格”等级赋分;BOIX挂板表面无污损物附着，污损物附着强度按“优秀”等级赋分;现场试验中原位涂覆附着量无法定量统计，只进行定性对比，BIOX涂层按“优秀”等级赋分，其他涂层表面附着严重、附着量过多无法统计，按“较差”等级赋分。由表10可知：BIOX涂料综合评分最高，技术性能综合表现优秀;其次为ZH涂料，综合表现合格;JJF和SBS涂料综合评分均低于60分，表明性能综合评价较差。

4 结 论

（1）以環氧树脂为底漆、氟碳树脂为面漆的BIOX涂料表面接触角较大，表面能较低，吸水率与有机酸侵蚀质量损失率较小，防生物附着性能表现优异，是输水建筑物过水混凝土面生物侵蚀防护涂料的首选。

（2）BIOX涂料在工程现场12个月龄期内表现优异，涂层表面完好无损，未出现任何程度的劣化，相较于其他涂料具有明显的性能优势。

（3）通过涂料技术性能量化评价可知，BIOX涂料技术性能综合得分最高，表现最佳。该量化评价方法可为工程涂料的综合评价与筛选提供一种新的方法。

参考文献：

[1] 杨永民，潘志权，蔡杰龙，等.淡水壳菜对大型输水工程混凝土表面侵蚀及防护措施研究[J].广东水利水电，2018（2）：50-56.

[2] 刘勐伶，严涛.南海污损生物生态研究进展[J].海洋通报，2006，25（1）：84-91.

[3] THAER M. Wahshat Sulfur Mortarand Polymer Modified Sulfur Mortar Lining for Concrete Sewer Pipe[D]. Ames： Iowa State University，2001：3-12.

[4] 李榕. 输水工程中以淡水壳菜为主的污损体系对混凝土的侵蚀及其防护研究[D].广州：华南理工大学，2017：1-18.

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【责任编辑 张华兴】