引调水工程盾构管片防腐涂层性能优化试验研究

何调林 李晨 广东粤海珠三角供水有限公司

郭牧林 蔡伟成 水利部 交通运输部 国家能源局南京水利科学研究院 水利部水工新材料工程技术研究中心

混凝土因其原材料易得，制作工序简单、适用场景具有普遍性等特点，自20世纪至今是现代建筑中应用最基础、最广泛、使用量最大的建筑材料。但混凝土结构在服役过程中遭受不同类型的复杂环境而导致多种形式的劣化，使得其寿命因耐久性不足而减小，导致潜在的安全风险乃至巨大的经济损失。

目前提升混凝土耐久性减少其腐蚀的途径主要有两种，一是在混凝土成型时添加助料，改良其内部结构；二是混凝土成型后在表面涂刷防腐涂层，与外界腐蚀因素产生物理隔绝。目前第二种方法较多的使用在实际应用中，混凝土防腐涂层主要有水性渗透型防水材料和表面成膜型涂料以及二者结合的复合型涂层为主。

建设引调水工程是我国目前优化水资源配置的重要手段之一，引调水工程线路长，沿线往往面临环境水及土壤对混凝土及混凝土中钢筋的腐蚀作用。为提升引调水工程施工质量，确保工程百年耐久性，开展引调水工程混凝土耐久性提升技术研究十分必要。本文基于珠三角水资源配置实际使用的输水管道砼盾构管片，以3种底层水性渗透防水材料（以下简称底漆）与3种环氧涂料（以下简称面漆）作为防护工艺性能优化试验的原材料，对上述底漆和面漆设计正交组合，在满足涂层厚度的设计要求及充分养护的条件下，开展面漆附着力强度、底漆+面漆抗渗性能试验以及氯化物吸收量降低效果试验研究。

1.试验

1.1 原材料与设备

试验采用的混凝土基材为工程实际使用的预制输水管道盾构管片，设计强度为C55。三种不同类型品牌的底漆（分别为SiO类、纳米级硅酸盐类和聚碳酸酯活性SiO类）和三种不同类型品牌的面漆（分别为环聚酰胺类、纯环氧类和聚胺类）为此品牌生产厂家提供。面漆附着力强度采用瑞士Proceq DY-225型涂层自动拉拔测试仪。抗渗性能采用定制款带涂层混凝土渗透深度测定仪测试。

1.2 试样制备

在底漆涂装前，通过电动钢丝刷打磨、高压淡水等方式清除盾构管片疏松混凝土、附着物和泥浆，以保持混凝土表面干燥，以备涂装。随后在盾构管片表面分别喷涂三种面漆，经过2次喷涂，涂层总厚度保证在400 μm以上，固化7天备用。最后对涂刷有底漆的盾构管片分别喷涂三种面漆并加以养护，以保证有不同底漆+面漆组合。制备流程图见图1所示。

图1 盾构管片涂层施工过程

底漆、面漆的施工工艺，严格按该品牌的施工指导说明书进行。

1.3 测试方法

面漆附着力强度按照国家标准《色漆和清漆 拉开法附着力试验》（GB/T5210-2006）要求测定，每种底漆+面漆组合取30个测试点，结果取平均值。混凝土抗渗性能参考《水运工程混凝土试验检测技术规程》（JTS/T 236-2019）中混凝土渗水高度进行试验，测试试件尺寸为直径70mm，高60mm±5 mm的圆柱形试块，初始水压0.4 MPa，每隔2小时升高0.4 MPa直至1.2 MPa，并维持24小时，每种底漆+面漆组合取三个试块做渗水试验，结果取平均值。氯化物吸收量降低效果检测方法参照《水运工程结构耐久性设计标准》（JTS 153-2015）执行。

2.结果与讨论

2.1 附着力强度结果

不同底漆+面漆组合的附着力试验结果见表1。为便于进行统计分析，每种组合布置附着力试验测点30个。附着力测定试验前，开展涂层厚度检测，经检测表明，所有涂层厚度达到设计要求的厚度平均值400μm。

表1 附着力平均强度测试结果

结果表明：3种面漆在无底漆施工下，即面漆直接在盾构管片混凝土基体上喷涂，此时附着力平均强度均比有底漆存在时高，分别为5.86 MPa（环聚酰胺类）、5.39 MPa（纯环氧类）和5.48 MPa（聚胺类），分别比有底漆存在时提高2.4%～18.0%、5.9%～18.7%和44.6%～81%。

造成此种现象的原因，可能是由于底漆渗入混凝土毛细孔，封闭微细裂缝的同时，也在混凝土基体表面形成了一层硅氧类聚合物薄膜隔离层，这种薄膜层隔离了环氧面漆与混凝土的直接粘合；同时也会对与面漆相容性会产生一定的影响，不同面漆由于环氧树脂、固化剂、添加剂等均有一定差别，导致这种薄膜隔离层对不同品牌成分的面漆兼容性有所差异；这共同导致无法发挥面漆的优良附着力的性能。

环聚酰胺类或纯环氧类面漆，分别搭配3种底漆（SiO类、纳米级硅酸盐类和聚碳酸酯活性SiO类）时，附着力平均强度均较高（4.54MPa～5.72MPa），试验现象中几乎全为拉出混凝土破损。说明这3种底漆和2种面漆中的6组搭配组合中面漆有较好的附着力强度。而聚胺类面漆分别与3种底漆组合时，附着力平均强度较小（1.44MPa～3.79MPa），拉拔试验现象中出现较多底漆和面漆的分离断裂。说明这3种组合中面漆和底漆出现明显不兼容现象。聚胺类的环氧涂料，化学结构中含有强极性基团，而且相互之间能够形成羟基，相比底漆形成的含硅无机物，极性非常小，导致二者相容性非常差。图2为试验过程中几种典型拉拔破坏类型图。

图2 几种典型拉拔破坏类型

综上，从面漆附着力强度参数角度看，环聚酰胺类和纯环氧类的面漆搭配给定的3种底漆，呈现出较好的附着力强度；而聚胺类的面漆会大量出现和底漆不兼容现象，导致面漆附着强度下降。

在实际工程应用中，不仅从性能角度考虑也要同时考虑到施工质量控制的难易度。因此本研究对附着力试验结果进行标准差处理，结果如表2所示。

表2 附着力强度标准差计算结果

在本研究中，一个较大的标准差，代表大部分数值和其平均值之间差异较大，说明涂料施工质量控制较差，或者难以控制；一个较小的标准差，代表这些数值较接近平均值，说明涂料施工质量控制较好，或者容易有效控制。由统计分析得到的附着力强度标准差可以得出，环聚酰胺类面漆有2种组合≤1.00；纯环氧类面漆全部3种组合均≥1.00。相对来说，环聚酰胺类面漆涂料施工工艺质量控制较好，或容易有效控制。

2.2 抗渗性能

本研究对不同底漆+面漆组合的盾构管片试件进行渗透深度试验研究。试验结果见表3和表4，试验渗透深度照片如图3所示。

表3 单一底漆和单一面漆试块渗透深度

表4 底漆+面漆组合试块渗透深度

图3 不同底漆+面漆试块组合渗水深度

结果表明：只有底漆没有面漆的试块，平均渗透高度在35.2～40.0 mm之间，与空白试块（即无底漆及面漆）抗渗性能结果相差不大。而有面漆，无论是否有底漆的试块，三种面漆材料的渗透深度均为0，表明不渗透。与空白试块（即无底漆及面漆）相比抗渗能力提升显著。说明面漆在抗渗水性能方面起决定性的作用。

2.3 氯化物吸收量降低效果

纳米级硅酸盐类和聚碳酸酯活性SiO类的底漆的氯化物吸收量降低效果如表5所示。

表5 氯化物吸收量降低效果

结果表明，纳米级硅酸盐类试件样品氯化物吸收量降低效果在94.9%～100%之间；聚碳酸酯活性SiO2类试件样品氯化物吸收量降低效果在74.2%～93.1%之间。两个品种的底漆试块的氯化物降低效果均满足不小于70%的设计要求。

3.结论

（1）对比3种面漆在无防水材料（底漆）与有防水材料条件下的附着力，发现在无底漆条件下3种面漆的附着力平均强度均大于有底漆条件下的附着力，说明底漆的使用对面漆的附着力强度有一定的负面影响。

从涂层附着力分析，环聚酰胺类、纯环氧类的面漆与3种底漆搭配时，涂层的附着力平均强度均能满足设计要求，平均值在4.54 MPa～5.72 MPa之间；而3种底漆与聚胺类面漆搭配时，涂层的附着力平均强度较小，在1.44 MPa～3.79 MPa之间，与这3种底漆出现明显不兼容现象。

从附着力强度标准差角度分析涂料施工质量控制，环聚酰胺类面漆涂料施工工艺质量控制较好，或容易有效控制。

（2）采取一定的防护措施，是可以对该工程盾构管片抗渗性能极大提升。但仅涂刷底漆，抗渗效果与盾构管片本身不防护效果差别不大；而涂刷了面漆，无论有没有底漆，均不渗水，体现出较好的抗渗性能。

（3）纳米级硅酸盐类和聚碳酸酯活性SiO2类的底漆试块的氯化物降低效果均满足不小于70%的设计要求。