引調(diào)水工程盾構(gòu)管片防腐涂層性能優(yōu)化試驗(yàn)研究

何調(diào)林 李晨 廣東粵海珠三角供水有限公司

郭牧林 蔡偉成 水利部 交通運(yùn)輸部 國家能源局南京水利科學(xué)研究院 水利部水工新材料工程技術(shù)研究中心

混凝土因其原材料易得，制作工序簡單、適用場景具有普遍性等特點(diǎn)，自20世紀(jì)至今是現(xiàn)代建筑中應(yīng)用最基礎(chǔ)、最廣泛、使用量最大的建筑材料。但混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中遭受不同類型的復(fù)雜環(huán)境而導(dǎo)致多種形式的劣化，使得其壽命因耐久性不足而減小，導(dǎo)致潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)乃至巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前提升混凝土耐久性減少其腐蝕的途徑主要有兩種，一是在混凝土成型時(shí)添加助料，改良其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；二是混凝土成型后在表面涂刷防腐涂層，與外界腐蝕因素產(chǎn)生物理隔絕。目前第二種方法較多的使用在實(shí)際應(yīng)用中，混凝土防腐涂層主要有水性滲透型防水材料和表面成膜型涂料以及二者結(jié)合的復(fù)合型涂層為主。

建設(shè)引調(diào)水工程是我國目前優(yōu)化水資源配置的重要手段之一，引調(diào)水工程線路長，沿線往往面臨環(huán)境水及土壤對混凝土及混凝土中鋼筋的腐蝕作用。為提升引調(diào)水工程施工質(zhì)量，確保工程百年耐久性，開展引調(diào)水工程混凝土耐久性提升技術(shù)研究十分必要。本文基于珠三角水資源配置實(shí)際使用的輸水管道砼盾構(gòu)管片，以3種底層水性滲透防水材料（以下簡稱底漆）與3種環(huán)氧涂料（以下簡稱面漆）作為防護(hù)工藝性能優(yōu)化試驗(yàn)的原材料，對上述底漆和面漆設(shè)計(jì)正交組合，在滿足涂層厚度的設(shè)計(jì)要求及充分養(yǎng)護(hù)的條件下，開展面漆附著力強(qiáng)度、底漆+面漆抗?jié)B性能試驗(yàn)以及氯化物吸收量降低效果試驗(yàn)研究。

1.試驗(yàn)

1.1 原材料與設(shè)備

試驗(yàn)采用的混凝土基材為工程實(shí)際使用的預(yù)制輸水管道盾構(gòu)管片，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55。三種不同類型品牌的底漆（分別為SiO類、納米級硅酸鹽類和聚碳酸酯活性SiO類）和三種不同類型品牌的面漆（分別為環(huán)聚酰胺類、純環(huán)氧類和聚胺類）為此品牌生產(chǎn)廠家提供。面漆附著力強(qiáng)度采用瑞士Proceq DY-225型涂層自動拉拔測試儀。抗?jié)B性能采用定制款帶涂層混凝土滲透深度測定儀測試。

1.2 試樣制備

在底漆涂裝前，通過電動鋼絲刷打磨、高壓淡水等方式清除盾構(gòu)管片疏松混凝土、附著物和泥漿，以保持混凝土表面干燥，以備涂裝。隨后在盾構(gòu)管片表面分別噴涂三種面漆，經(jīng)過2次噴涂，涂層總厚度保證在400 μm以上，固化7天備用。最后對涂刷有底漆的盾構(gòu)管片分別噴涂三種面漆并加以養(yǎng)護(hù)，以保證有不同底漆+面漆組合。制備流程圖見圖1所示。

圖1 盾構(gòu)管片涂層施工過程

底漆、面漆的施工工藝，嚴(yán)格按該品牌的施工指導(dǎo)說明書進(jìn)行。

1.3 測試方法

面漆附著力強(qiáng)度按照國家標(biāo)準(zhǔn)《色漆和清漆 拉開法附著力試驗(yàn)》（GB/T5210-2006）要求測定，每種底漆+面漆組合取30個(gè)測試點(diǎn)，結(jié)果取平均值?；炷量?jié)B性能參考《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)檢測技術(shù)規(guī)程》（JTS/T 236-2019）中混凝土滲水高度進(jìn)行試驗(yàn)，測試試件尺寸為直徑70mm，高60mm±5 mm的圓柱形試塊，初始水壓0.4 MPa，每隔2小時(shí)升高0.4 MPa直至1.2 MPa，并維持24小時(shí)，每種底漆+面漆組合取三個(gè)試塊做滲水試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。氯化物吸收量降低效果檢測方法參照《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS 153-2015）執(zhí)行。

2.結(jié)果與討論

2.1 附著力強(qiáng)度結(jié)果

不同底漆+面漆組合的附著力試驗(yàn)結(jié)果見表1。為便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，每種組合布置附著力試驗(yàn)測點(diǎn)30個(gè)。附著力測定試驗(yàn)前，開展涂層厚度檢測，經(jīng)檢測表明，所有涂層厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的厚度平均值400μm。

表1 附著力平均強(qiáng)度測試結(jié)果

結(jié)果表明：3種面漆在無底漆施工下，即面漆直接在盾構(gòu)管片混凝土基體上噴涂，此時(shí)附著力平均強(qiáng)度均比有底漆存在時(shí)高，分別為5.86 MPa（環(huán)聚酰胺類）、5.39 MPa（純環(huán)氧類）和5.48 MPa（聚胺類），分別比有底漆存在時(shí)提高2.4%～18.0%、5.9%～18.7%和44.6%～81%。

造成此種現(xiàn)象的原因，可能是由于底漆滲入混凝土毛細(xì)孔，封閉微細(xì)裂縫的同時(shí)，也在混凝土基體表面形成了一層硅氧類聚合物薄膜隔離層，這種薄膜層隔離了環(huán)氧面漆與混凝土的直接粘合；同時(shí)也會對與面漆相容性會產(chǎn)生一定的影響，不同面漆由于環(huán)氧樹脂、固化劑、添加劑等均有一定差別，導(dǎo)致這種薄膜隔離層對不同品牌成分的面漆兼容性有所差異；這共同導(dǎo)致無法發(fā)揮面漆的優(yōu)良附著力的性能。

環(huán)聚酰胺類或純環(huán)氧類面漆，分別搭配3種底漆（SiO類、納米級硅酸鹽類和聚碳酸酯活性SiO類）時(shí)，附著力平均強(qiáng)度均較高（4.54MPa～5.72MPa），試驗(yàn)現(xiàn)象中幾乎全為拉出混凝土破損。說明這3種底漆和2種面漆中的6組搭配組合中面漆有較好的附著力強(qiáng)度。而聚胺類面漆分別與3種底漆組合時(shí)，附著力平均強(qiáng)度較?。?.44MPa～3.79MPa），拉拔試驗(yàn)現(xiàn)象中出現(xiàn)較多底漆和面漆的分離斷裂。說明這3種組合中面漆和底漆出現(xiàn)明顯不兼容現(xiàn)象。聚胺類的環(huán)氧涂料，化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有強(qiáng)極性基團(tuán)，而且相互之間能夠形成羥基，相比底漆形成的含硅無機(jī)物，極性非常小，導(dǎo)致二者相容性非常差。圖2為試驗(yàn)過程中幾種典型拉拔破壞類型圖。

圖2 幾種典型拉拔破壞類型

綜上，從面漆附著力強(qiáng)度參數(shù)角度看，環(huán)聚酰胺類和純環(huán)氧類的面漆搭配給定的3種底漆，呈現(xiàn)出較好的附著力強(qiáng)度；而聚胺類的面漆會大量出現(xiàn)和底漆不兼容現(xiàn)象，導(dǎo)致面漆附著強(qiáng)度下降。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，不僅從性能角度考慮也要同時(shí)考慮到施工質(zhì)量控制的難易度。因此本研究對附著力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差處理，結(jié)果如表2所示。

表2 附著力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算結(jié)果

在本研究中，一個(gè)較大的標(biāo)準(zhǔn)差，代表大部分?jǐn)?shù)值和其平均值之間差異較大，說明涂料施工質(zhì)量控制較差，或者難以控制；一個(gè)較小的標(biāo)準(zhǔn)差，代表這些數(shù)值較接近平均值，說明涂料施工質(zhì)量控制較好，或者容易有效控制。由統(tǒng)計(jì)分析得到的附著力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差可以得出，環(huán)聚酰胺類面漆有2種組合≤1.00；純環(huán)氧類面漆全部3種組合均≥1.00。相對來說，環(huán)聚酰胺類面漆涂料施工工藝質(zhì)量控制較好，或容易有效控制。

2.2 抗?jié)B性能

本研究對不同底漆+面漆組合的盾構(gòu)管片試件進(jìn)行滲透深度試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4，試驗(yàn)滲透深度照片如圖3所示。

表3 單一底漆和單一面漆試塊滲透深度

表4 底漆+面漆組合試塊滲透深度

圖3 不同底漆+面漆試塊組合滲水深度

結(jié)果表明：只有底漆沒有面漆的試塊，平均滲透高度在35.2～40.0 mm之間，與空白試塊（即無底漆及面漆）抗?jié)B性能結(jié)果相差不大。而有面漆，無論是否有底漆的試塊，三種面漆材料的滲透深度均為0，表明不滲透。與空白試塊（即無底漆及面漆）相比抗?jié)B能力提升顯著。說明面漆在抗?jié)B水性能方面起決定性的作用。

2.3 氯化物吸收量降低效果

納米級硅酸鹽類和聚碳酸酯活性SiO類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

結(jié)果表明，納米級硅酸鹽類試件樣品氯化物吸收量降低效果在94.9%～100%之間；聚碳酸酯活性SiO2類試件樣品氯化物吸收量降低效果在74.2%～93.1%之間。兩個(gè)品種的底漆試塊的氯化物降低效果均滿足不小于70%的設(shè)計(jì)要求。

3.結(jié)論

（1）對比3種面漆在無防水材料（底漆）與有防水材料條件下的附著力，發(fā)現(xiàn)在無底漆條件下3種面漆的附著力平均強(qiáng)度均大于有底漆條件下的附著力，說明底漆的使用對面漆的附著力強(qiáng)度有一定的負(fù)面影響。

從涂層附著力分析，環(huán)聚酰胺類、純環(huán)氧類的面漆與3種底漆搭配時(shí)，涂層的附著力平均強(qiáng)度均能滿足設(shè)計(jì)要求，平均值在4.54 MPa～5.72 MPa之間；而3種底漆與聚胺類面漆搭配時(shí)，涂層的附著力平均強(qiáng)度較小，在1.44 MPa～3.79 MPa之間，與這3種底漆出現(xiàn)明顯不兼容現(xiàn)象。

從附著力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差角度分析涂料施工質(zhì)量控制，環(huán)聚酰胺類面漆涂料施工工藝質(zhì)量控制較好，或容易有效控制。

（2）采取一定的防護(hù)措施，是可以對該工程盾構(gòu)管片抗?jié)B性能極大提升。但僅涂刷底漆，抗?jié)B效果與盾構(gòu)管片本身不防護(hù)效果差別不大；而涂刷了面漆，無論有沒有底漆，均不滲水，體現(xiàn)出較好的抗?jié)B性能。

（3）納米級硅酸鹽類和聚碳酸酯活性SiO2類的底漆試塊的氯化物降低效果均滿足不小于70%的設(shè)計(jì)要求。