超疏水自清洁涂料在隧道工程中的应用

崔 锴

(陕西省交通建设集团公司 西安 710075)

0 引言

由于隧道处于相对封闭的环境，通风效果差，尾气中的有害物质难以降解扩散。随着灰尘、泥水、汽车尾气形成的炭黑和固体颗粒的混合，混合物最终沉积在隧道两侧的内壁上，对隧道造成严重污染。长远来说，隧道的交通灯和照明系统会变暗。隧道的空气质量将恶化，产生各种气味和有毒气体。隧道土建内部缺陷难以检测和维护，影响隧道的使用寿命。为了改善隧道环境和交通安全，必须定期清洁和维护。隧道的清洁已正式纳入城市环境评估的必要监测项目。目前，隧道的主要清洁方法是人工清洁。由于隧道表面的油污，很难清洗。清洁过程中存在死角，导致清洁质量差。因此，手动清洗方法具有清洗效率低，清洗质量差，劳动强度大和清洗成本高的缺点。

基于纳米结构涂层超疏水的特性，应用于隧道内壁清洁，可使隧道表面长期无尘、无油污，具有很强的抗污染能力，能有效赋予隧道表面超强的自清洁功能，并使隧道内壁明亮、平整。同时，它能够节省人力、物力和财力，以及节约清洁和维护费用。开发清洁效果更好，清洁效率更高，更加经济的涂层材料，这是未来公路隧道内墙绿色维护和耐久性维护的重要研究方向。本文就超疏水自清洁涂层材料的机理分析、选择、性能检测以及应用展开研究。

1 超疏水自清洁涂料机理分析及选择

超疏水自清洁涂层的关键是使用适当的表面粗糙度和低表面能的材料。根据“荷叶效应”自清洁的原理，有两种方法可以实现超疏水性的自清洁。第一种方法是修饰粗糙表面上的低表面能材料，通常用于制备超疏水表面的低表面能材料，主要包括聚硅氧烷，碳氟化合物和其他有机物质(例如聚乙烯，聚苯乙烯等)[1]。第二种方法是在疏水表面上构建类似于荷叶的粗糙表面，制备方法包括无机纳米粒子改性(例如TiO2，SiO2等)，激光，等离子体，化学蚀刻，电化学沉积和化学气相沉积等[1-2]。在自然界中，超疏水材料的理论与技术称为“荷叶效应”。德国生物学家Barthlott等[6]对近300种植物的叶片表面进行了研究，发现粗糙表面上存在微结构的乳突和表面上的疏水性蜡状物质共同作用为自清洁特性。这些自清洁表面具有超疏水材料的典型特征。通常，水滴与表面之间的稳定接触角大于150°，滚动接触角小于10°的材料称为超疏水材料。

根据杨氏公式[4]：γSV=γSL+γLV×cosθ，可以定义以下润湿条件：(1)当θ小于30°时，表面称为亲水性；(2)当90°<θ<120°时，表面称为疏水性；(3)当120°<θ<150°时，表面称为超疏水性；(4)当θ>150°时，该表面称为超疏水面[6]。目前，由硅烷、硅氧烷、硅、二氧化硅、金属和氧化物等制成的超疏水材料。人们利用超疏水材料清洁建筑幕墙、汽车、太阳能电池板等领域取得了一些成就，如图1所示。

图1 酒店外墙超疏水和自清洁效果比较

由于隧道内部环境复杂，隧道内壁的污染和自清洁技术受到诸多因素的影响，许多机制尚不清楚。可以确认的是，超疏水和自清洁的主要思想是利用液滴与壁之间较大的接触角，使液滴从内壁表面滚落，从而去除了隧道内壁表面的污渍。

1.1 超疏水自清洁涂料机理理论分析

(1)促进液滴滚动。当清水滴落在隧道内壁的表面上时，促进隧道内壁的排水和自清洁的主要因素是促进液滴的滚动。在超疏水涂层表面上，水滴与基材表面之间的实际接触面积很小。水滴的表面具有粗糙的结构，并且基板的表面间隙被大量的空气占据。另外，超疏水表面具有低的滚动角，这使得水滴与基材表面之间的粘附性低。当水滴落在适当倾斜的表面上时，水滴将迅速滚落到基材表面。一般而言，超疏水材料的接触角为150°的滚动角约为10°，而隧道内壁的清洗通常约为90°，可以满足滚动角的要求。另外，超疏水表面通常具有一定形式的粗糙结构。当水滴滴落在隧道内壁的表面上时，大量的空气被吸入粗糙表面的凹槽中以形成“气垫”。由于这种“气垫”，实际的固液接触界面仅为总接触面积的10%。同时，超疏水表面大大减小了材料表面的滞后角，水滴在隧道内壁表面的附着力大大降低[10]。在重力作用下，隧道内壁表面的水将很容易沿着壁向下滚动。

(2)延迟在基材表面上形成污渍。由于汽车排气、泥水和灰尘等各种因素的影响，延迟各种因素在隧道内壁上形成污垢的综合作用非常重要。固体的表面能是其比表面积的自由能，也称为固体的表面自由能。它是指在一定温度和压力下，由于形成单位新的固体表面积而导致的系统自由能的增加。它也等于在一定温度下形成单位固体表面所需的可逆功，也称为内聚功[11]。超疏水涂层表面的较大接触角可以有效地改善自由能，隧道中的空气污染物需要克服该自由能以在超疏水涂层表面上结垢。根据杨氏公式，改进了测量表面能的方法[4]：cosθ=-1+2(γ_sv/γ_lv)[1-β1(γ_lv-γ_sv)^2]，其中γlv是液体的表面能(N/m)；γsv是固体的表面能(N/m)；β1为常数，其加权平均值为1.057×10m2/mJ;θ为接触角。从公式可以看出，超疏水涂层的接触角越大，除尘所需的自由能就越大，这意味着在超疏水涂层表面的隧道内形成了粉尘。结果表明，超疏水材料可用于在隧道内壁上构建超疏水自清洁涂层，以清洁在基材表面上形成的污渍。

(3)减少灰尘和基材表面之间的附着力。为了使隧道的内壁达到一定的清洁效果，有效地清洗附着在隧道内壁上的大量污渍，可以通过改变涂层的化学成分和基材表面的粗糙度来降低结垢与基材之间的附着力。

①改变材料的化学成分。结垢的附着力取决于基材表面和结垢分子之间的力。分子间力越大，结垢附着力越强。一些研究表明，某些化学官能团可以减少氢键的聚集[9]，干扰涂层表面和污垢之间分子的有序排列，并降低附着力。在涂层的制备过程中，可以考虑加入含有这种官能团的物质以达到防污效果。

②改变材料的表面粗糙度。众所周知，在结构均匀的理想表面上，即使表面能最低的基团紧密堆积在一起，接触角也不会超过120°。要构建超疏水表面，需要增加疏水基质的表面粗糙度[10]。污垢的附着力与疏水性自清洁涂层表面粗糙度之间的定量关系仍不确定。然而，在超疏水涂层表面结构的构造中采用高度不一致的类乳突状结构可以改善涂层的接触角并减少污物与隧道内壁之间的接触面积，从而使其更容易清洁隧道内壁表面时，灰尘会随着水滴滑动[8]。如果能够在隧道内壁上建立具有微米级的多尺度粗糙结构并改变壁材料的化学成分，将大大提高其防污性能，并增加水在其表面的接触角。

因此，该超疏水涂层在三个方面奠定了良好的理论基础：延迟在基材表面上形成污渍，减少污垢的附着力并加速水滴的滚动。应当指出，随着公路隧道里程和交通量的逐年增加，隧道内墙污染和室内美感问题已引起广泛关注。加快交通强国建设，落实五大发展理念，实现隧道内墙的安全、快速、经济清洁，已成为隧道除垢养护技术的发展趋势。因此，在隧道内壁的清洁和养护中应用超疏水自洁涂层技术在理论和实践上都是可行的。

1.2 超疏水自清洁涂料的选择

在本项目中，根据隧道的实际应用条件和经济考虑，从现有的超疏水涂料中选择了三种涂料：pl-166醇溶性树脂，pf-311疏水涂料和pf-302超疏水材料。根据SEM显微照片(图2所示)，疏水性自清洁涂层的表面具有大量不规则的乳突状结构，这构成了材料的微观粗糙形态。乳突状结构之间的空间被空气占据。乳突状结构有助于减小疏水性材料表面与水滴之间的接触面积。另外，疏水性材料表面上的低表面能物质与具有高表面张力的水滴接触，这使得水滴具有收缩的趋势。本项目选择的三种涂料具有不同的致密乳突结构和不同的疏水作用。根据在三种涂层表面上测得的接触角(接触角测量数据如表1所示)，随着乳突结构数量的增加，疏水作用越好。

图2 疏水涂层表面的SEM图像

表1 接触角测量数据

2 超疏水自清洁涂层的室内试验和工程应用

2.1 隧道内墙超疏水自洁涂料室内试验

在该项目中，进行室内测试以验证其是否符合隧道的使用环境。根据《合成树脂乳液砂墙状建筑涂料》《钢结构防火涂料应用技术规范》和《建筑室内装修规程》的具体要求，对材料的粘结强度进行综合分析。由于隧道的底壁是由腻子粉和乳胶漆制成的，因此粘结强度将远远低于合成树脂乳液砂墙建筑涂料的技术指标。喷涂涂层后，薄膜将粘附在底层上。测试表明，腻子和乳胶漆层将在涂膜前脱落。涂料的粘合强度主要取决于油灰和乳胶漆的粘结强度。为了提高技术指标的要求，在本项目中，结合各规范的标准指标以及隧道内壁和环境特点，提出粘结强度技术指标为0.4MPa。在本项目中，根据《建筑防水涂料试验方法》确定三种自清洁涂料的粘结强度。图3为粘结强度测试图，测试结果表2所示。

图3 粘结强度测试图

表2 粘结强度测试结果

在耐水技术指标方面，参照JG/T24-2018，CECS24：90和JG/T298-2010综合分析得出了适合实际情况的耐水技术指标。由于实验前后颜色变化很小，因此不考虑颜色变化。在本项目中，考虑到每个规格的标准指标和隧道内墙的特性，确定的防水技术指标为72小时，不会出现涂层鼓胀、开裂和剥离的情况。根据(GB/T1733-93)，成品样品的边缘应用环氧树脂密封，边缘的宽度应为2～3mm。对于三个涂层的每一个准备三个样品。样品的短边向下浸入自来水容器中。浸入深度为样品侧面长度的2/3。72小时后，观察样品以确定涂层是否有剥离，脱落和溶胀现象。3个试件中至少有2个符合技术要求。耐水性测试图如图4所示，测试结果表3所示。

表3 耐水性测试结果

图4 耐水性测试图

根据《隧道建筑防火设计要求》中耐火技术指标的要求，隧道内壁超疏水自洁材料属于室内装饰材料。该涂料仅使用不燃材料即可满足隧道建筑的防火设计要求。根据标准《建筑材料和产品的防火性能分类》，建筑材料的燃烧性能分为A(不燃材料)，B1(阻燃材料)，B2(可燃材料)。和B3(易燃材料)。根据GB8624-2012中不燃材料的判断条件，本项目采用酒精燃烧器燃烧涂料，并连续加热表皮。移开酒精燃烧器，观察涂层的燃烧情况。根据测试现象，初步判断其防火性能，如图5所示，结果列于表4。

图5 防火性能测试图

表4 防火性能测试结果

在本项目中，参照相关规范和标准对涂料的粘结强度，耐水性能和耐火性能进行测试，以验证其是否满足隧道内壁的使用要求。结果表明，三种材料的结合强度和耐水性能均满足要求，只有pf-302涂料的耐火性能才能满足隧道内部的要求。

2.2 隧道内墙超疏水自洁涂料的工程应用

为了改善隧道的内部环境，本文对万军逥隧道试验路的预铺设进行了应用。万军逥隧道自2012年通车以来，车流量逐年增加，机械通风难以完全去除隧道中的废气，这导致废气粘附到隧道侧壁上涂层的表面。在下坡路段的卡车轮胎喷水冷却后，路面上会形成一层水膜。在高速车辆的反复作用下，路面上的水膜会形成水蒸气。水蒸气与油和泥水混合形成了泥水混合污染物，附着在隧道的侧壁上。主要病害包括剥落、龟裂和污垢。图6为隧道内墙污染。

图6 隧道内墙污染

隧道内壁超疏水自清洁技术为了防止自洁涂层随着施工后墙面污垢和风化破壁的脱落而脱落，必须使用高压空气机清除表面污垢，清除隧道壁的剥落，并重新涂腻子和乳胶漆。在喷涂过程中必须确保均匀喷涂。 由于孔处的风速很大，因此必须向逆风方向喷涂，以确保人员安全并减少涂料损失。图7为其施工工艺。

图7 超疏水自洁涂层的施工工艺

试验结果分析在隧道内墙喷涂过涂料后一段时间后待隧道内墙表面表干后对其疏水性能进行检测，通过对试铺区域的喷水测试得出结论。

隧道现场的喷涂施工工艺及设备对涂层疏水性能有一定影响，但通过两遍喷涂工艺基本达到室内试验材料的疏水指标(图8和图9)。就疏水效果而言，PF-302和PF-311涂料效果优于PL-166。

图8 喷涂一遍疏水涂料效果

图9 喷涂两遍疏水涂料效果

3 结论与展望

将超疏水材料应用于隧道是一个很好的探索。本文描述了超疏水材料的疏水机理并进行了微观分析。通过实验进一步证实了将超疏水材料应用于隧道内壁的可行性。主要结论如下：

证明了在隧道墙除垢中使用超疏水材料的可行性。从促进滴落机制，影响结垢形成过程和减少结垢附着力三个方面证明了它的可行性。通过分析SEM图像的形貌和接触角，获得类乳突状结构与涂层表面疏水作用的关系。随着乳突结构数目的增加，疏水作用会更好。

通过实验室测试证明了将超疏水材料应用于隧道内壁的可行性。结果表明，所选择的三种材料的结合强度和耐水性均能满足要求，只有pf-302涂料的耐火性才能满足隧道内部的要求。

通过理论分析和实验验证，探讨了超疏水材料在隧道内墙中的应用是可行的，但其核心技术仍需进一步研究，主要包括：隧道内墙超疏水性涂料的技术指标，耐久性研究和建筑技术研究。