蔡杰龍 楊永民 潘志權(quán)

摘 要：以廣東省某大型輸水工程為例，基于工程與資料調(diào)研，選取4種代表性的防護(hù)材料，通過(guò)接觸角、表面能、吸水率、顯微硬度和耐酸性等材料性能室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合防護(hù)材料涂覆前后輸水建筑物過(guò)水混凝土面生物附著量和附著強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并建立技術(shù)性能量化評(píng)價(jià)方法，綜合分析評(píng)價(jià)了防護(hù)材料的生物侵蝕防護(hù)效果。結(jié)果表明：以環(huán)氧樹(shù)脂底漆、氟碳樹(shù)脂為面漆的BIOX涂料表面接觸角較大、表面能較低、吸水率較低，有機(jī)酸侵蝕質(zhì)量損失較小，防生物附著性能表現(xiàn)優(yōu)異，12個(gè)月齡期涂覆于現(xiàn)場(chǎng)的涂層表面完好無(wú)損，比其他涂料具有明顯的性能優(yōu)勢(shì);利用防護(hù)材料技術(shù)性能量化評(píng)價(jià)可知，BIOX涂料的防生物侵蝕性能綜合得分最高，表現(xiàn)最佳，是輸水建筑物過(guò)水混凝土面生物侵蝕防護(hù)涂料的首選。

關(guān)鍵詞：過(guò)水混凝土面;防護(hù)材料;生物侵蝕;量化評(píng)價(jià)模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TV866;V261.93+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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廣泛的工程材料，在確保建筑結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行方面發(fā)揮極為重要的作用。近些年來(lái)，水生物的侵蝕使廣東省某大型輸水工程建筑物的過(guò)水混凝土面遭受不同程度的損傷與破壞，給工程結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)行帶來(lái)了潛在隱患，同時(shí)也使工程整體形象受到損害[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已記錄的附著型水生物約600種[2]，主要包括水虱、水螅、海鞘、藤壺、沼蛤以及藻類(lèi)等，主要附著于混凝土過(guò)水面并通過(guò)分泌有機(jī)酸等物質(zhì)侵蝕混凝土。據(jù)統(tǒng)計(jì)[3]，在德國(guó)10%～20%的建筑物的破壞主要源于生物侵蝕;在美國(guó)的排污管道網(wǎng)中，將近80萬(wàn)km已經(jīng)遭受不同程度的微生物侵蝕，亟待修復(fù)或更換。據(jù)《中國(guó)工業(yè)與自然環(huán)境腐蝕問(wèn)題調(diào)查與對(duì)策》，我國(guó)2010年由生物侵蝕導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失在4 979億元以上[4]。

輸水建筑物過(guò)水混凝土面生物侵蝕防護(hù)方法可分為物理防護(hù)、化學(xué)防護(hù)和生物防護(hù)3種[4]，其中：化學(xué)防護(hù)多使用化學(xué)試劑殺滅水體中的生物，具有一定毒性，在輸水建筑物上使用容易污染水質(zhì)，給水安全帶來(lái)潛在隱患;生物防護(hù)主要通過(guò)水生物或者仿生涂料對(duì)生物侵蝕進(jìn)行防治，容易導(dǎo)致水生態(tài)平衡的破壞。鑒于此，筆者從物理防護(hù)角度出發(fā)，選用4種代表性的環(huán)保型防護(hù)涂料，通過(guò)接觸角、表面能、吸水率、顯微硬度和耐酸性等材料性能室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合防護(hù)材料涂覆前后輸水建筑物過(guò)水混凝土面生物附著量和附著強(qiáng)度等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，建立技術(shù)性能量化評(píng)價(jià)模型，綜合分析評(píng)價(jià)防護(hù)材料的生物侵蝕防護(hù)效果，以期為工程防護(hù)材料的選擇提供參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

（1）混凝土原材料?；炷猎牧希ㄋ?、粉煤灰、細(xì)骨料、粗骨料和減水劑）均參照原工程輸水建筑物所用的混凝土，其中：水泥采用廣東珠江水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的P.O42.5R水泥，粉煤灰為廣州恒達(dá)資源綜合利用有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)骨料采用東江河砂（細(xì)度模數(shù)為2.8），粗骨料采用5～20 mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖碎石，減水劑采用瑞龍牌LS-400高效緩凝減水劑（WR-R），所有原材料均經(jīng)檢測(cè)合格后使用。

（2）基準(zhǔn)混凝土配合比?；炷僚浜媳葏?shù)參照原工程使用配合比（見(jiàn)表1），混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20。

（3）防護(hù)材料。所選用的4種代表性防護(hù)材料見(jiàn)表2。

2.2 試驗(yàn)樣品制備

（1）試樣制備。砂漿根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 352—2006進(jìn)行拌和成型，水灰比為0.5，試樣尺寸為70 mm×70 mm×70 mm。試樣經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出，并對(duì)每個(gè)試樣的5個(gè)表面涂覆環(huán)氧樹(shù)脂，另外一個(gè)表面涂覆試驗(yàn)防護(hù)涂料。設(shè)置3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)5個(gè)試樣。

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)混凝土試樣。試驗(yàn)混凝土參照國(guó)標(biāo)GB/T 50080—2002拌和成型，試樣尺寸為500 mm×500 mm×50 mm。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出，按照標(biāo)準(zhǔn)涂覆工藝用4種涂料分別對(duì)試樣進(jìn)行涂覆，預(yù)留一個(gè)空白樣作為對(duì)照。

2.3 試驗(yàn)方法

（1）現(xiàn)場(chǎng)掛板試驗(yàn)。將涂覆不同防護(hù)涂料的混凝土試樣吊裝在輸水涵洞口處，模擬真實(shí)水流環(huán)境下生物對(duì)混凝土面層的附著與侵蝕情況?，F(xiàn)場(chǎng)掛板試驗(yàn)分3個(gè)月、6個(gè)月和12個(gè)月3個(gè)齡期。

（2）涂層表面能、表面接觸角。使用法國(guó)某公司生產(chǎn)的表面接觸角測(cè)量?jī)x，按照廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的地方標(biāo)準(zhǔn)DB44/T 1232—2013相關(guān)規(guī)定，測(cè)定涂層表面能、表面接觸角。

（3）涂層吸水率。將涂覆防護(hù)涂料的砂漿試件和空白樣置于50 ℃恒溫干燥箱中烘至試件質(zhì)量不變，稱(chēng)其質(zhì)量m1;將5組試件分別用石蠟密封其他5個(gè)面后置于水中，確保淹沒(méi)試件，浸泡48 h后取出，用濕布吸干表面，小心揭掉石蠟，再次稱(chēng)其質(zhì)量m2。涂層吸水率w的計(jì)算公式為

w=m2-m1m1×100%（1）

（4）涂層顯微硬度。使用HV-5維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，隨機(jī)測(cè)量每種涂料涂層表面10個(gè)硬度數(shù)據(jù)，取其平均值作為涂層的硬度值。

（5）涂層耐酸性。使用一般水生物分泌的有機(jī)酸（乙酸、丙酸、檸檬酸），按照一定比例配制人工模擬侵蝕液，將砂漿試樣放入其中進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，浸泡齡期為30 d。觀(guān)察浸泡后涂層表面的剝落、開(kāi)裂或起泡等劣化情況，按照劣化等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表3）評(píng)定涂層的劣化等級(jí)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 涂層表面能/表面接觸角

根據(jù)涂層表面接觸角與表面能試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表4）可知，涂層表面接觸角由大到小排序?yàn)锽IOX、ZH、JJF、SBS和空白樣，表面能由大到小排序?yàn)榭瞻讟?、SBS、JJF、ZH和BIOX。由此可知，BIOX涂層的防附著性能最強(qiáng)，其次為ZH涂層，再次為JJF涂層，SBS涂層的最差。

3.2 涂層吸水率

根據(jù)不同涂層吸水率試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表5）可知，涂層的吸水率排序?yàn)锽IOX

3.3 涂層顯微硬度

根據(jù)顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表6）可知，4種涂層中SBS涂層的顯微硬度最高，接近于空白樣，ZH與JJF涂層的顯微硬度相對(duì)較低。其中：BIOX為彈性涂料，硬度數(shù)據(jù)無(wú)法測(cè)出;SBS涂層硬度較高，在輸水建筑中抵抗含沙水流沖刷時(shí)相對(duì)較為穩(wěn)定，即抗沖刷性能好;ZH與JJF涂層相對(duì)硬度較低，抗沖刷性能相對(duì)較差。

3.4 涂層耐酸性

不同涂層試樣在有機(jī)酸侵蝕30 d后的質(zhì)量變化和劣化等級(jí)狀況見(jiàn)表7。由表7可知，4種涂層試樣與空白樣在模擬有機(jī)酸侵蝕下均出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量損失，其中：空白樣的質(zhì)量損失率最大，為2.1%;4種涂層試樣質(zhì)量損失率均相對(duì)較小，BIOX最?。?.1%），涂層劣化等級(jí)為Ⅰ級(jí)（基本完好）;SBS和JJF涂層試樣的質(zhì)量損失均較大，涂層剝落程度也較為嚴(yán)重，劣化等級(jí)分別為Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)。由此可見(jiàn)，BIOX涂料的耐酸性最強(qiáng)，ZH的次之，SBS和JJF涂料的耐酸性最差。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)掛板試驗(yàn)

根據(jù)不同試驗(yàn)齡期涂層污損附著試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表8）可知：3個(gè)月試驗(yàn)齡期時(shí)，各種涂層均未產(chǎn)生明顯污損，空白樣則出現(xiàn)少量砂漿剝蝕;6個(gè)月試驗(yàn)齡期時(shí)，ZH和BIOX涂層均未出現(xiàn)明顯污損，SBS和JJF涂層則出現(xiàn)局部剝落的現(xiàn)象;12個(gè)月試驗(yàn)齡期時(shí)，ZH和BIOX涂層表面仍較為完好，無(wú)明顯污損，SBS和JJF涂層的剝落程度則較為嚴(yán)重?？梢?jiàn)，BIOX涂料表現(xiàn)優(yōu)異，各個(gè)齡期涂層表面均未有附著。其他3種涂層表面淡水殼菜的附著強(qiáng)度較為接近，其中：SBS涂層附著密度最大，與空白樣相近;ZH和JJF涂層附著密度接近，均較大。

3.6 原位涂覆試驗(yàn)

由原位涂覆試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)12個(gè)月試驗(yàn)齡期后，涂覆SBS涂料的混凝土表面污損附著物數(shù)量最多、面積最大;其次為ZH和JJF涂層，表面附著程度相對(duì)較輕，但附著量同樣較大;BIOX涂層表面未出現(xiàn)明顯附著，涂覆邊界清晰可見(jiàn)，涂覆區(qū)域外則附著嚴(yán)重。因此，BIOX涂層防生物附著性能最佳，其次為ZH和JJF涂層，SBS涂層最差。

3.7 不同涂料技術(shù)性能量化評(píng)價(jià)

將4種涂料的技術(shù)性能分為“優(yōu)秀”“良好”“合格”“較差”4個(gè)等級(jí)，各等級(jí)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)見(jiàn)表9。

根據(jù)該工程對(duì)過(guò)水混凝土面防護(hù)性能的要求，對(duì)各種技術(shù)指標(biāo)賦予一定的權(quán)重，權(quán)重等級(jí)分為5%、10%、15%、20% 4級(jí)，室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)權(quán)重分別為45%和55%。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，不同涂料技術(shù)性能評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表10。表中所有指標(biāo)按照試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)劣進(jìn)行排序，并根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行量化計(jì)算。BOIX為彈性涂料，顯微硬度指標(biāo)無(wú)法表征，按“合格”等級(jí)賦分;BOIX掛板表面無(wú)污損物附著，污損物附著強(qiáng)度按“優(yōu)秀”等級(jí)賦分;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中原位涂覆附著量無(wú)法定量統(tǒng)計(jì)，只進(jìn)行定性對(duì)比，BIOX涂層按“優(yōu)秀”等級(jí)賦分，其他涂層表面附著嚴(yán)重、附著量過(guò)多無(wú)法統(tǒng)計(jì)，按“較差”等級(jí)賦分。由表10可知：BIOX涂料綜合評(píng)分最高，技術(shù)性能綜合表現(xiàn)優(yōu)秀;其次為ZH涂料，綜合表現(xiàn)合格;JJF和SBS涂料綜合評(píng)分均低于60分，表明性能綜合評(píng)價(jià)較差。

4 結(jié) 論

（1）以環(huán)氧樹(shù)脂為底漆、氟碳樹(shù)脂為面漆的BIOX涂料表面接觸角較大，表面能較低，吸水率與有機(jī)酸侵蝕質(zhì)量損失率較小，防生物附著性能表現(xiàn)優(yōu)異，是輸水建筑物過(guò)水混凝土面生物侵蝕防護(hù)涂料的首選。

（2）BIOX涂料在工程現(xiàn)場(chǎng)12個(gè)月齡期內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)異，涂層表面完好無(wú)損，未出現(xiàn)任何程度的劣化，相較于其他涂料具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

（3）通過(guò)涂料技術(shù)性能量化評(píng)價(jià)可知，BIOX涂料技術(shù)性能綜合得分最高，表現(xiàn)最佳。該量化評(píng)價(jià)方法可為工程涂料的綜合評(píng)價(jià)與篩選提供一種新的方法。

參考文獻(xiàn)：

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【責(zé)任編輯 張華興】