摘要: 針對(duì)鋼筋混凝土在海洋大氣腐蝕環(huán)境中鋼筋銹蝕及混凝土碳化等難題，本文通過(guò)配方設(shè)計(jì)和優(yōu)化，研制一種新型混凝土防護(hù)用石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層體系，具體包括環(huán)氧滲透性防銹底漆、高固體石墨烯阻隔中間漆和氟碳耐候面漆，復(fù)合涂層具有良好的耐化學(xué)品性和優(yōu)異的防腐性能。通過(guò)在海工混凝土的示范工程應(yīng)用和防護(hù)性能跟蹤評(píng)價(jià)，結(jié)果表明研制涂層對(duì)海工混凝土在苛刻海洋大氣腐蝕環(huán)境具有優(yōu)異防護(hù)效果，預(yù)計(jì)其防護(hù)壽命可達(dá)10 年以上。

關(guān)鍵詞: 石墨烯重防腐涂層; 鋼筋混凝土; 海洋大氣腐蝕; 失效

1 石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層研制

海洋大氣腐蝕環(huán)境中，混凝土碳化和氯離子侵蝕鋼筋是導(dǎo)致海工鋼筋混凝土劣化失效的主要原因。我國(guó)早期修建的海工平臺(tái)和港口碼頭，部分海工混凝土服役時(shí)間小于10 年就發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)大面積銹蝕，導(dǎo)致其服役年限遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)要求［1］，部分海工混凝土鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕照片見圖1。涂裝海洋重防腐涂層是提高混凝土服役壽命最方便也是性價(jià)比最高的防護(hù)技術(shù)手段［2］。重防腐涂料是指能在相對(duì)苛刻的腐蝕環(huán)境下長(zhǎng)期應(yīng)用，并保持良好防護(hù)性能的一類特種涂料。重防腐涂料一般由主要成膜物質(zhì)、次要成膜物質(zhì)、溶劑、各類助劑和固化劑共同組成。其中主要成膜物質(zhì)為天然樹脂和合成樹脂，是重防腐涂層組成的基礎(chǔ)，具有黏結(jié)涂層中其他組分形成涂膜的功能; 次要成膜物質(zhì)主要包括防銹顏料、功能填料和各類增韌劑等，能有效提高有機(jī)涂層的鐵銹轉(zhuǎn)化能力和遮蓋力，使其發(fā)揮裝飾和保護(hù)功能; 固化劑是有機(jī)涂層體系中的重要組成部分，主要通過(guò)與主要成膜物質(zhì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，提高漆膜的致密性，并能提高漆膜與基材之間的附著力［3-4］。

圖1 海工混凝土鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕照片

重防腐涂料產(chǎn)品特點(diǎn)［5-6］:

( 1) 防腐壽命特別長(zhǎng)，重防腐涂料的防腐壽命一般超過(guò)10 年，即使在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和化學(xué)溶劑中，也能達(dá)到5 年以上服役壽命。

( 2) 漆膜厚度比較厚。重防腐涂料干膜厚度一般設(shè)計(jì)在200μm 以上，部分防腐技術(shù)規(guī)范中，重防腐漆膜總膜厚可高達(dá)2000μm。

( 3) 復(fù)合涂層體系。重防腐涂料一般采用防腐底漆、阻隔中間漆和耐候面漆進(jìn)行配套涂裝，其中防腐底漆主要提供涂層與防護(hù)基材之間的附著力，并具有部分鐵銹轉(zhuǎn)化功能; 阻隔中間漆主要功能是增加漆膜總膜厚，并具有優(yōu)異阻隔水汽功能和耐腐蝕介質(zhì)滲透功能; 耐候面漆主要是防紫外老化和裝飾美觀功能。

本文根據(jù)鋼筋混凝土在濱海服役環(huán)境的特點(diǎn)，研制一種新型混凝土防護(hù)用石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層體系，具體包括環(huán)氧滲透性防銹底漆、高固體石墨烯阻隔中間漆和氟碳耐候面漆。其中環(huán)氧底漆中添加活性稀釋劑可增加漆膜在混凝土中的滲透性能，提高漆膜與混凝土之間的附著力，添加部分環(huán)氧磷酸酯和單寧酸，可與銹蝕鋼筋發(fā)生螯合反應(yīng)，提高底漆的鐵銹轉(zhuǎn)化效果; 高固體石墨烯阻隔中間漆主要采用石墨烯為功能填料，通過(guò)高效物理分散技術(shù)，使二維層狀石墨烯在環(huán)氧樹脂中均勻分散，并通過(guò)配方優(yōu)化，提高中間漆的致密性和阻隔水汽功能，同時(shí)具有一定抗氯離子滲透功能。實(shí)驗(yàn)室對(duì)高固體石墨烯阻隔中間漆的基本性能進(jìn)行測(cè)試，涂裝基材為馬口鐵，發(fā)現(xiàn)漆膜在馬口鐵上均勻平整，采用《GB/T 9286-1998 色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》進(jìn)行百格附著力測(cè)試，在劃格處未發(fā)現(xiàn)漆膜脫落現(xiàn)象，十字交叉處無(wú)崩邊現(xiàn)象，表明高固體石墨烯阻隔中間漆在馬口鐵上的附著力為0 級(jí); 采用《GB 1731-79 漆膜柔韌性測(cè)定法》測(cè)試漆膜柔韌性為2mm，采用《GB/T 1732-1993 漆膜耐沖擊測(cè)定法》進(jìn)行抗沖擊測(cè)試，表明漆膜柔韌性為50cm，測(cè)試照片詳見圖2。耐候面漆主要采用氟碳樹脂為主要成膜物質(zhì)，添加紫外光吸收劑和包膜鈦白粉，能有效提高漆膜的抗老化性能，同時(shí)具有耐玷污和美化裝飾效果。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)研制復(fù)合涂層體系進(jìn)行防護(hù)性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明其耐鹽霧≥5000h，耐水性和耐酸堿≥3000h，綜合防護(hù)性能優(yōu)異。

圖2 高固體石墨烯阻隔中間漆的抗沖擊、柔韌性和附著力測(cè)試照片

2 石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層對(duì)海工混凝土防護(hù)涂裝應(yīng)用

對(duì)某濱海的鋼筋混凝土立柱和頂面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)涂裝，該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒ШＱ蟠髿飧g環(huán)境，四季分明、季風(fēng)交替顯著、雨量充沛、溫暖濕潤(rùn)，鋼筋混凝土服役5 年后已經(jīng)風(fēng)化嚴(yán)重并出現(xiàn)鋼筋銹蝕跡象。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察、腐蝕性能評(píng)價(jià)并結(jié)合業(yè)主要求，采用以下防腐施工工藝( 詳見表1)對(duì)海工混凝土進(jìn)行刷涂涂裝，涂裝效果見圖3，施工時(shí)間為2018 年6 月。施工注意事項(xiàng)如下:

( 1) 嚴(yán)格按《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件》《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》的要求進(jìn)行文明施工。

( 2) 對(duì)鋼筋混凝土基材進(jìn)行全面檢查，對(duì)已經(jīng)老化的混凝土表面進(jìn)行機(jī)械打磨，刮膩?zhàn)诱移胶筮M(jìn)行涂料涂裝。嚴(yán)格按照基材前處理—報(bào)檢—底漆施工—報(bào)檢中間漆施工—報(bào)檢—面漆施工—最終驗(yàn)收的工序，嚴(yán)格記錄每道施工情況，發(fā)現(xiàn)有厚度不足及時(shí)予以修補(bǔ)，發(fā)現(xiàn)附著力不達(dá)標(biāo)，及時(shí)鏟除重新進(jìn)行涂裝。

( 3) 有專業(yè)涂料技術(shù)服務(wù)人員負(fù)責(zé)質(zhì)量把控和監(jiān)督，認(rèn)真作好現(xiàn)場(chǎng)施工記錄( 包括涂裝環(huán)境、涂裝部位、油漆型號(hào)和用量、干膜厚度、漆膜外觀、涂裝日期、涂裝人員等) ，報(bào)備監(jiān)理審查確認(rèn)。

( 4) 底漆涂裝后，最好在24 小時(shí)內(nèi)進(jìn)行中間漆涂裝，本次涂裝采用滲透性環(huán)氧底漆，其功能是滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，在基材內(nèi)部固化成膜，可以起到增強(qiáng)增韌效果，同時(shí)為中間漆提高優(yōu)異附著力，底漆不計(jì)膜厚。

( 5) 中間漆涂裝必須在底漆完成后進(jìn)行，分2 道進(jìn)行涂裝，施工前將固化劑倒入主劑中，攪拌均勻，在活化期內(nèi)完成涂裝。中間漆規(guī)定漆膜較厚，涂裝時(shí)注意防止流掛現(xiàn)象，涂裝完畢后，測(cè)試膜厚達(dá)標(biāo)后，方可進(jìn)行面漆涂裝。

( 6) 面漆涂裝必須注意美觀，可對(duì)中間漆進(jìn)行砂紙打磨后進(jìn)行涂裝面漆，面漆涂裝完畢后，應(yīng)達(dá)到目視無(wú)刷紋，無(wú)流掛現(xiàn)象。

( 7) 每次調(diào)配的涂料必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成，嚴(yán)格按照主劑和固化劑的比例進(jìn)行調(diào)配，不可因涂料固化變稠后再稀釋使用。

( 8) 雨天、大風(fēng)氣候禁止施工，空氣濕度ＲH＞85% 禁止施工。

表1 鋼筋混凝土的防腐施工工藝

施工完畢后現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)涂層性能結(jié)果表明，復(fù)合涂層在混凝土表面施工性能良好，漆膜附著力達(dá)到0 級(jí)。

圖3 石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層在鋼筋混凝土的防護(hù)照片

3 石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層后續(xù)防護(hù)性能評(píng)價(jià)

石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層在鋼筋混凝土服役30 個(gè)月后，對(duì)涂層防護(hù)和老化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)漆膜完整，無(wú)起泡、無(wú)剝落，也沒有發(fā)生腐蝕跡象，百格附著力為0 級(jí)。采用光度計(jì)對(duì)鋼筋混凝土立柱的6 處漆膜進(jìn)行變色性能評(píng)價(jià)，漆膜老化后與老化前變色性能結(jié)果見表2，測(cè)試結(jié)果表明漆膜現(xiàn)場(chǎng)服役30 個(gè)月后其ΔE＜1． 0，變色等級(jí)為0級(jí)。石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層在混凝土涂裝30 個(gè)月后，復(fù)合涂層防護(hù)測(cè)試評(píng)價(jià)綜合等級(jí)見表3，其綜合防護(hù)等級(jí)為0 級(jí)，根據(jù)漆膜老化等級(jí)、膜厚和附著力等綜合指標(biāo)分析，預(yù)測(cè)研制的石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層對(duì)鋼筋混凝土的防護(hù)壽命可達(dá)10 年以上［7］。

表2 涂層老化后與老化前變色性能對(duì)比測(cè)試

表3 涂裝30 個(gè)月后復(fù)合涂層防護(hù)測(cè)試評(píng)價(jià)綜合等級(jí)

4 結(jié)語(yǔ)

( 1) 本文研制一種新型混凝土防護(hù)用石墨烯改性重防腐復(fù)合涂層體系，實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)復(fù)合涂層的耐鹽霧≥5000h，耐水性和耐酸堿≥3000h，綜合防護(hù)性能優(yōu)異。

( 2) 研制涂層涂裝到鋼筋混凝土立柱和頂面上，服役30 個(gè)月后，其綜合防護(hù)等級(jí)為0 級(jí)，預(yù)測(cè)其防護(hù)壽命可達(dá)10 年以上。

參考文獻(xiàn):

［1］侯磊，李偉華，鄭海兵，等． 海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)研究進(jìn)展［J］． 材料保護(hù)，2017，50( 3) : 62-67．

［2］劉栓，周開河，吳躍斌，等． 石墨烯改性重防腐涂料在世界最高輸電鐵塔的防腐應(yīng)用［J］． 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2019，31( 1) : 114-120．

［3］王玉瓊，劉栓，劉兆平，等． 石墨烯摻雜水性環(huán)氧樹脂的隔水和防護(hù)性能［J］． 電鍍與涂飾，2015，34( 6) : 314-320．

［4］劉栓，姜欣，趙海超，等． 石墨烯環(huán)氧涂層的耐磨耐蝕性能研究［J］． 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35( 5) : 598-605

［5］程紅紅，劉栓，王立平，等． 石墨烯防腐涂層對(duì)油罐沉積水的防腐機(jī)制研究［J］． 表面技術(shù)，2017，46( 11) : 83-89．

［6］劉栓，王春婷，程慶利，等． 石墨烯基涂層防護(hù)性能的研究進(jìn)展［J］． 中國(guó)材料進(jìn)展，2017，36( 5) : 377-383．

［7］張曉東，趙鉞，郭燕芬，等． FEVE 涂層的老化與服役壽命預(yù)測(cè)研究［J］． 涂料工業(yè)，2013，43( 5) : 62-65．

資助項(xiàng)目: 包頭市科技計(jì)劃項(xiàng)目( 2020M1001) 資助* 通訊作者: 王愛紅( 1969— ) ，女，高級(jí)工程師，主要從事石墨烯功能防腐涂料的研發(fā)。