納米有機硅改性環氧瀝青防腐涂料高性能化設計

姚紅良 黃團沖 葉軒宇 劉江舟

摘 要：為了提高環氧瀝青防腐涂料對內河水運碼頭鋼結構的防護性能，采用納米硅烷偶聯劑對環氧瀝青防腐涂料現行體系進行增韌改性，研發了一種高抗沖蝕納米有機硅改性環氧瀝青高性能防腐涂料，并分析了納米硅烷偶聯劑類型和摻量對其抗沖蝕防護性能的影響，可為相關研究提供參考。

關鍵詞：內河水運碼頭;環氧瀝青;防腐涂料;納米有機硅;高性能化設計

中圖分類號：TU753.8? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0058-02

1 設計背景

內河水運碼頭鋼結構防腐直接關系到碼頭服役壽命和安全運營。目前，我國內河水運碼頭鋼結構的防腐主要采用環氧瀝青防腐涂料進行防護。但大量防腐工程案例顯示，現行環氧瀝青防腐涂料存在易沖蝕、大面積脫落等問題，無法對內河水運碼頭的鋼結構形成有效防護，特別是在多砂大水流下甚至使用不到1年即發生嚴重的破損而過早失去防護功能。研究[1-2]表明，涂層抗沖蝕耐磨性、涂裝工藝、所處水文地質環境條件等均是影響防腐涂料防護功能的主要因素，尤其不能忽視含砂水流對其高速沖擊破壞作用。因此，目前國內外科技工作者越來越重視從提高涂層沖擊韌性方面考慮，提出對現行環氧瀝青防腐涂料進行增韌改性，研制一種新型高抗沖蝕防腐涂料，使其能夠抵抗含砂水流對其涂層的高速沖擊破壞。

本文擬在現行環氧瀝青防腐涂料配方的基礎上，探討采用納米硅烷偶聯劑對其進行增韌改性，研發一種高抗沖蝕納米有機硅改性環氧瀝青高性能防腐涂料，并分析納米硅烷偶聯劑類型和摻量對環氧瀝青防腐涂料性能的影響，且依托江西省九江水運某碼頭鋼護筒嵌巖樁防腐工程考察其工程應用效果。

2 改性設計

2.1試驗配方

納米有機硅改性劑選用凝膠型和溶膠型兩種不同市售納米硅烷偶聯劑（NSCA），兼有消泡、分散等功能的自制輔劑同時選用，摻量以其保證涂料易涂裝成膜為準?，F行環氧瀝青防腐涂料由江西九江水運某碼頭項目部提供，在其配方的基礎上采用多元物理共混方法制得的不同類型和摻量的納米有機硅改性劑環氧瀝青防腐涂料（NSCA-EAC）的配方見表1。

2.2性能測試

按如表1所示的配方將制得的防腐涂料加入一定比例專用固化劑攪拌均勻，涂刷至Q345B鋼片上并在室溫下固化5d，制成一批膜厚約150μm的待測試樣。

耐水性能通過測試試樣經模擬江水靜置浸泡72h后的涂層吸水率和附著力進行表征。附著力采用MX-5附著力試驗儀測定?？箾_蝕性能參照文獻[1]所述方法，采用微機可控BE-20砂漿攪拌機進行測試。實驗時首先將試樣綁扎在攪拌機攪拌葉片上，然后將模擬江水倒入攪拌機，通過調整攪拌機轉速模擬研究涂層對含砂江水的抗沖蝕性能，并用沖蝕磨損率表征。模擬江水參考江西九江水文地質條件配制，含砂量2.8kg/m3（多砂），沖蝕速度0.5m/s（低速）和1.8m/s（高速）兩種，沖蝕時間為72h。

3 結果與分析

3.1耐水性能

圖1為各試樣在含砂量為2.8kg/m3模擬江水靜置浸泡72h后涂層吸水率和附著力的測試結果?？梢?，NSCA可明顯降低環氧瀝青防腐涂層的吸水率，而且降低幅度隨著NSCA摻量的增大呈逐漸增大的趨勢。當NSCA摻量達0.2%時，可將基準試樣涂層的吸水率（3.2%）分別降低23.1%（凝膠型）和16.6%（溶膠型），但當超過0.2%時因摻過量高比表面積納米顆粒而難以分散又開始有所增大。

同時可見，除摻0.25%NSCA試樣的附著力較基準試樣有所降低外，其他試樣涂層附著力均較基準試樣涂層的要大，且NSCA摻量越大附著力越大，同一摻量下摻凝膠型NSCA的附著力又較摻溶膠型NSCA的大，且涂層無脫落等現象發生。說明NSCA的加入可有效阻滯水在涂層中的擴散，降低水等介質對涂層-基底界面粘接的破壞，從而使NSCA-EAC具有更好的耐水性能，且摻0.2%凝膠型NSCA的耐水性能最好。

3.2抗沖蝕性能

圖2為各試樣涂層在1.8m/s和0.5m/s兩種不同模擬沖蝕速度下沖蝕72h磨損率的測試結果?？芍篘SCA-EAC涂層在1.8m/s和0.5m/s模擬沖蝕速度下的沖蝕磨損量均隨著NSCA摻量的增大呈逐漸減小的趨勢，且摻凝膠型NSCA的沖蝕磨損量降低幅度又較摻溶膠型NSCA的大，但當摻量超過0.2%時降低幅度開始有所減小。摻0.2%凝膠型NSCA的NSCA-EAC，其試樣涂層在1.8m/s和0.5m/s模擬沖蝕速度下的沖蝕磨損率較基準試樣可分別降低61.6%和46.4%，且第三方檢測機構的檢測結果表明其他性能指標也滿足相關技術標準要求。說明NSCA的加入可使NSCA-EAC試樣較基準試樣具有更好的抗沖蝕性能，且摻0.2%凝膠型NSCA的效果最佳。

3.3應用效果

江西九江水運某碼頭位于江西省彭澤縣，是江西省截至目前投資建設最大的一座內河水運碼頭，設計貨物吞吐量65萬噸/年，設計等級Ⅱ級，設計使用壽命50年，共投資11.89億元。碼頭平臺采用排架式高樁梁板結構，平臺總長572m，寬30m，排架基礎采用Q345B鋼護筒內灌C30混凝土的φ500mm嵌巖樁，每榀排架設5根，排架間距為9m。一期工程鋼護筒剛開始主要參照《水運工程鋼結構設計規范》（JTS 152-2012），采用普通環氧瀝青防腐漆進行防護，成膜厚度150μm。但隨后發現，在一期工程尚未投入使用情況下鋼護筒防腐涂層就出現了不同程度的脫落，基底并有銹蝕跡象。

為此，于2019年10月開始將所研發的上述納米有機硅改性環氧瀝青防腐涂料應用于其后續防護工程中。應用效果檢驗顯示，本防腐涂層經九江江水長達2年的沖蝕后未出現起泡、開裂、脫落等現象且劃痕處無紅銹。說明本單位研發的新型防腐涂料是一種長期高效防腐涂料，在內河水運碼頭鋼結構防腐領域具有較大的應用潛力。

4 結語

綜上所述，得出以下幾點結論：

（1）摻入適當的納米硅烷偶聯劑可有效阻滯水分子等介質向環氧瀝青防腐涂層內部滲透并降低涂層吸水率和提高涂層附著力，顯著提升其防護性能，且摻量越大效果越明顯，但摻量不宜超過0.2%。

（2）相比摻溶膠型納米硅烷偶聯劑，摻凝膠型納米硅烷偶聯劑的效果更佳。摻0.2%凝膠型納米硅烷偶聯劑時，可將環氧瀝青防腐涂層的耐水性能和抗沖蝕性能分別提高23.1%和61.6%，且其他性能指標滿足相關技術標準要求，可用于高含泥砂大水流條件下內河水運碼頭鋼結構的防腐。

（3）工程應用示范效果檢驗表明，本單位研發的新型防腐涂料是一種長期高效防腐涂料，在內河水運碼頭鋼結構防腐領域具有較大的應用潛力。

參考文獻：

[1] 劉明維，曾麗琴，余杰.內河碼頭環氧瀝青漆涂層-鋼界面強度弱化影響因素分析[J].中國科技論文，2018（07）：819-824.

[2] 張永強.表面預處理工藝對涂層結合性能的影響[D].大連：大連理工大學，2014.

基金項目：江西省交通運輸廳科技項目（2019C0016）。