涂層防護是有效提升水工混凝土耐久性能的方法之一，環(huán)氧樹脂防腐涂層是水工混凝土防護中使用最為廣泛的涂層材料。隨著全球極端氣候的加劇，水利工程環(huán)氧樹脂防護涂層面臨著更高的挑戰(zhàn)和要求。

為加大對水資源的綜合開發(fā)和防止洪澇等災害，廣東省加快開展了許多水利工程的建設。水利工程建筑物主要包括堤防、大壩、涵洞、泵站、溝渠等與水相關的建筑設施，目前混凝土和鋼管是水工建筑物結構中最常用的兩種材料，然而混凝土和鋼管這兩種材料在復雜的水環(huán)境下均易發(fā)生腐蝕破壞，進而嚴重影響水工建筑物的耐久性和安全性。因此提升混凝土和鋼管這兩種材料在水環(huán)境下的防腐性能是保證水利工程實際安全質量的重要措施。

目前針對混凝土和鋼管的防腐措施主要包括兩種，一種是通過增強材料的自身屬性來提升其防腐性能，包括優(yōu)化混凝土配比，加入礦物摻合料，加入外加劑等方法來提高混凝土和鋼管的耐腐蝕能力，另一種則是涂刷防腐涂層在材料表面增加一層保護層來增強其抵抗腐蝕性環(huán)境或者介質的能力。增強材料的自身屬性雖然能一定程度地提高其防腐性能，但也增加了生產(chǎn)成本，同時這種方法很難用于已建造的水利工程中。而涂刷防腐涂層不僅成本低，而且操作簡單，也可使用于新舊工程，是提升水工建筑物防腐性能最廣泛應用的一種方法。

環(huán)氧樹脂含有兩個及以上環(huán)氧基團，具有非常高的反應活性，其結構中的大量羥基和醚鍵也使得其與不同的材料都具有較好的粘附能力，此外其易于與含有活潑氫的化合物發(fā)生開環(huán)反應(見圖1)，生成結構穩(wěn)定，具有優(yōu)異耐腐蝕性能的高聚物。環(huán)氧樹脂的分子結構使得環(huán)氧涂料在粘結以及耐腐蝕性能上擁有巨大優(yōu)勢而被廣泛應用于水利工程中，目前為止國內(nèi)外研究人員開發(fā)出多種類型的環(huán)氧樹脂防腐涂層，并對其性能和防護機理進行了大量研究并取得了許多成果。本文從性能和對混凝土以及鋼管材料的防腐蝕機理等方面，綜述了水利工程中常用環(huán)氧防腐涂層的研究進展，并對環(huán)氧防腐涂層未來的研究和發(fā)展方向進行了展望。

圖1環(huán)氧樹脂開環(huán)反應

1水利工程環(huán)氧樹脂防腐涂層

1.1 環(huán)氧樹脂粉末涂層

環(huán)氧樹脂粉末涂層具有無揮發(fā)性有機物成分，為100%固體，是一種熱固性材料，其與鋼材的粘結力較強，通常用于水利工程中的鋼管防腐。環(huán)氧粉末涂料在施工時通常以粉末狀態(tài)熔融后噴涂，粉末顆粒在熔融后粘度較低可使得涂層在噴涂時也有較好的均勾性，環(huán)氧粉末涂料不含溶劑，在熔融過程沒有污染的風險，固化后可與水體直接接觸，不會影響輸水水質，因此大都用于水利工程中輸水管線的內(nèi)部防腐。環(huán)氧粉末涂層在熔融固結后不僅自身形成交聯(lián)結構，還能與基底鋼結構表面形成化學鍵合，具有優(yōu)良的防腐蝕性能和機械性能。

環(huán)氧樹脂粉末涂層于20世紀80年代已在國外進行廣泛應用，我國在20世紀90年代引入了該涂層技術，因其具備經(jīng)濟性、環(huán)保性以及高效性而得到迅速發(fā)展，多種粉末涂層被開發(fā)，性能也不斷提高。環(huán)氧樹脂的多孔性和脆性是限制其應用的主要問題，通過納米材料對其進行改性可以有效改善環(huán)氧粉末涂層的柔韌性，進而提高其防腐性能。張俊英等人以改性六方氧化硼作為填料，通過熔融擠出和靜電噴涂的方式制備了新型改性六方氧化硼/環(huán)氧粉末復合涂層(見圖2)，顯著提高了環(huán)氧粉末涂層的絕緣和耐腐蝕性能，試驗結果表明復合粉末涂層的焦殘渣量增加12.0%，電擊穿強度提高69%，體積電陽率提高19.2倍;陳世波等人采用聚乙烯吡咯烷酮對多壁碳納米管進行改性，再將其與環(huán)氧樹脂復合制備了多壁碳納米管/環(huán)氧粉末涂層，制備的復合涂層附著力得到了明顯提升，拉伸強度也提升了53.5%。

1.2 無溶劑環(huán)氧樹脂涂層

普通的環(huán)氧樹脂涂料的黏度都比較大，在實際施工中很難涂覆在基底上，因此往往需要在涂料中加入溶劑來降低材料的粘度，提高其可操作性。溶劑一般為水或者有機溶劑，傳統(tǒng)的環(huán)氧涂料粘度要降低到可操作范圍需要大量溶劑這使得所制備的溶劑型環(huán)氧涂料在施工、表干固化成膜的過程中向大氣中散發(fā)大量的溶劑，而有機溶劑通常對生態(tài)環(huán)境造成極為嚴重的污染和威脅。

通過反應性溶劑對環(huán)氧樹脂進行稀釋制備的無溶劑環(huán)氧樹脂涂層不僅可以降低涂料在固化過程中的溶劑揮發(fā)，還可以減少環(huán)氧材料的固化收縮，增強環(huán)氧涂層的力學性能和耐腐蝕性能。張國梁等人利用糠醛/丙酮混合溶液作為反應型溶劑與環(huán)氧樹脂混合制備了一種新型無溶劑環(huán)氧樹脂涂料，制備的涂料可滲人到混凝土表面孔隙并在固化后填堵孔隙(見圖3)，在提高混凝土耐腐蝕性能的同時，大大增強了涂層與基底的粘結性能，性能測試結果表明，涂層的拉拔強度相較混凝土提高了130%，表面電通量由3400C下降到130C，抗離子滲人能力大大提高;牟迪等人以一、二、三官能度縮水甘油醚為活性稀釋劑，自制腰果酚改性酚醛作為固化劑與環(huán)氧樹脂混合制備了無溶劑環(huán)氧樹脂涂層，制備的涂際施工中很難涂覆在基底上，因此往往需要在涂料中加入溶劑來降低材料的粘度，提高其可操作性。溶劑一般為水或者有機溶劑，傳統(tǒng)的環(huán)氧涂料粘度要降低到可操作范圍需要大量溶劑這使得所制備的溶劑型環(huán)氧涂料在施工、表干固化成膜的過程中向大氣中散發(fā)大量的溶劑，而有機溶劑通常對生態(tài)環(huán)境造成極為嚴重的污染和威脅。

通過反應性溶劑對環(huán)氧樹脂進行稀釋制備的無溶劑環(huán)氧樹脂涂層不僅可以降低涂料在固化過程中的溶劑揮發(fā)，還可以減少環(huán)氧材料的固化收縮，增強環(huán)氧涂層的力學性能和耐腐蝕性能。張國梁等人利用糠醛/丙酮混合溶液作為反應型溶劑與環(huán)氧樹脂混合制備了一種新型無溶劑環(huán)氧樹脂涂料，制備的涂料可滲人到混凝土表面孔隙并在固化后填堵孔隙(見圖3)，在提高混凝土耐腐蝕性能的同時，大大增強了涂層與基底的粘結性能，性能測試結果表明，涂層的拉拔強度相較混凝土提高了130%，表面電通量由3400C下降到130C，抗離子滲人能力大大提高；牟迪等人以一、二、三官能度縮水甘油醚為活性稀釋劑，自制腰果酚改性酚醛作為固化劑與環(huán)氧樹脂混合制備了無溶劑環(huán)氧樹脂涂層，制備的涂層抗沖擊性能達50kg·cm，在強酸堿溶液中浸泡100d涂膜依然保持有很高的完整性。

1.3 環(huán)氧玻璃鱗片涂層

環(huán)氧玻璃鱗片涂層是以無機玻璃鱗片材料改性環(huán)氧樹脂涂料所制備的一種復合涂層，復合涂層具有高附著力和機械強度，也具有很好的耐腐蝕性能和裝飾性。玻璃鱗片于上世紀50年代由美國公司首先應用于環(huán)氧涂料來提升其防腐性能，我國在上世紀80年代初期開始引人該技術并開展環(huán)氧鱗片涂層的研發(fā)和性能研究。顏晨曦等人通過硅烷偶聯(lián)劑KH570對玻璃鱗片表面進行改性，并以改性后的玻璃鱗片作為填料加入到環(huán)氧樹脂涂料中制備了玻璃鱗片/環(huán)氧復合涂層，顯著提高了環(huán)氧涂料的耐腐蝕以及抗?jié)B透性能，結果顯示加入含量30%改性玻璃鱗片的復合涂層在經(jīng)1000h鹽霧實驗后僅發(fā)生輕微腐蝕，其水分子的擴散系數(shù)也有所下降；李婷等人采用表面接枝法以六亞甲二異氰酸酯改性無機玻璃鱗片(見圖4)，再與環(huán)氧樹脂進行復合制備了改性玻璃鱗片防腐涂料，并對涂料的力學以及防腐性能進行了表征測試，測試結果表明六亞甲二異氰酸酯作為表面改性介質有效提高了玻璃鱗片與環(huán)氧樹脂之間的結合力，這使得所制備的復合涂層耐沖擊性、拉伸性能、防腐性能等均得到顯著提高;張瑞珠等人通過協(xié)同增強的方式添加玻璃鱗片和改性納米二氧化硅制備了一種新型二氧化硅/玻璃鱗片環(huán)氧基復合涂層，所制備涂層的韌性和致密性有顯著提高，在硬度上也相較純環(huán)氧涂層提高了57.7%，磨損失重和摩擦系數(shù)相較純環(huán)氧涂層減少了57.0%和49.3%。

目前國內(nèi)環(huán)氧玻璃鱗片涂層的設計服役壽命是六年一個大修周期，實際服役三年內(nèi)就需要進行維修甚至一年一修，導致涂層損壞的原因有很多，其中主要的因素是由于涂層自身韌性不足而導致的局部開裂，而且隨著全球氣候變暖，災害頻發(fā)，涂層所服役環(huán)境的腐蝕性和復雜性也在不斷加劇，設計制備滿足重腐蝕環(huán)境以及多變工況需求的環(huán)氧玻璃鱗片涂層具有非常重大的意義。

2 水利工程環(huán)氧樹脂涂層的發(fā)展方向

水利工程建筑物所在的服役環(huán)境相對復雜，隨著全球氣候變暖，極端氣候也越來越多，水利工程所面臨的沖刷、磨蝕、腐蝕等破壞也更加嚴重，是未來水利工程建筑物的防護重點。單一環(huán)氧樹脂涂層雖然擁有高粘結性、耐腐蝕性等優(yōu)異的性能，但在應用過程中也存在著很多問題。環(huán)氧樹脂在固化后脆性比較大，耐沖擊性能差，同時環(huán)氧樹脂在低溫時固化時間長，不僅會影響環(huán)氧樹脂固化后的性能，還會大大減緩水利工程的建設;此外，由于環(huán)氧材料中含有大量的芳香環(huán)、羥基等不飽和鍵或極性基團，在光照射下易發(fā)生氧化和裂解反應，使得環(huán)氧涂層材料表面出現(xiàn)各種老化現(xiàn)象，包括黃化、裂紋、粉化等，進而導致涂層性能失效。因此為解決這些問題，水利工程環(huán)氧樹脂涂層未來的發(fā)展方向主要應從以下兩方面進行研究：

優(yōu)化環(huán)氧材料結構與組成。在老化過程中，利用胺類固化劑固化的環(huán)氧樹脂材料表面有大量的亞胺存在，從而使得涂層更易降解和黃化，改變固化劑類型就會對環(huán)氧涂層的耐老化性能產(chǎn)生巨大影響，如采用酸酐類固化劑固化的環(huán)氧涂層體系的耐熱老化和耐光老化都是各固化劑中最好的;此外通過在環(huán)氧材料中加入多元醇、水楊等穩(wěn)定劑可以改善環(huán)氧樹脂材料的抗老化性能，也可以采用共聚或者共混的方式將其他單體與環(huán)樹脂單體進行反應，利用其他單體的優(yōu)勢來提升環(huán)氧樹脂涂層的綜合性能。

無機材料改性環(huán)氧基涂層。無機材料通常具有較好的耐老化性能，利用無機材料和有機環(huán)氧材料各自的優(yōu)點，在有機環(huán)氧涂層中加入無機材料制備有機無機復合涂層可以有效提升環(huán)氧涂層的抗老化能力，同時也可以利用有機環(huán)氧材料的粘結性能來改善無機材料的脆性。此外，由于無機材料種類的多樣性，可以通過調(diào)整無機材料的種類、形狀以及尺寸來制備不同類型的環(huán)氧基復合涂層，以此來滿足不同腐蝕環(huán)境下涂層的性能需求。無機填料的加人能一定程度地提高環(huán)氧樹脂涂料的耐腐蝕性能以及耐久性能，但由于環(huán)氧涂層粘度通常較高，無機填料的加入會導致環(huán)氧涂料固化不均，且在加入過程中無機填料會引入氣泡，固化后在涂層內(nèi)部形成氣孔缺陷，降低涂層的綜合性能，無機填料與環(huán)氧涂料之間的相容性研究也將是未來無機改性環(huán)氧涂層的一個重點方向。

3. 結  語

全球極端氣候加劇對服役于水利工程的環(huán)氧樹脂防腐涂層的應用場景和性能提出了更高的要求，涂層的應用場景傾向于包含多種侵蝕因素的重腐蝕環(huán)境，這使得環(huán)氧樹脂防腐涂層必須要具有適應不同基底材料以及不同涂覆環(huán)境的自身屬性，耐沖磨、耐老化、耐化學腐蝕、耐滲透等優(yōu)異的綜合性能。因此，水利工程環(huán)氧樹脂防腐涂層的后續(xù)研究不僅需要在提升環(huán)氧涂層防腐性能上有所突破，還要有針對性研發(fā)適用于不同腐蝕環(huán)境的新型環(huán)氧涂層，以此來滿足涂層不斷擴大的應用場景需求。