防護淡水殼菜涂料性能分析及工程實踐

楊永民，潘志權，陳小丹，蔡杰龍，朱思軍，趙可昕

（1.仲愷農業工程學院，廣東 廣州510225；2.廣東粵港供水有限公司，廣東 深圳518000；3.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州510610；4.華南理工大學，廣東 廣州510640）

0 引言

淡水殼菜學名沼蛤，屬于雙殼綱異柱目貽貝科[1-3]。近些年來，國內外存在淡水殼菜在供水輸水工程產生附著的情況，影響工程的實用功能以及構筑物的耐久性和使用壽命。淡水殼菜的大量產生，會對水質造成影響，減小輸水或供水工程的橫斷面積，從而增大過流糙率，降低輸水供水的效益[4-6]。國內外一些研究均從淡水殼菜特殊的生理特征出發，根據其不同的生理時期，采取相應的治理措施，在不影響水生態的前提下，提高治理效率和經濟效益。目前已逐漸積累了一些預處理以及物理、試劑處理等防治方法[7-9]。但綜合而言，都存在治理效果不明顯、費用高且治理周期過短等問題。

針對已建工程，從輸水構筑的規模、結構、功能角度出發，物理法中以防護涂料保護法應用最為廣泛和適宜[10-11]。本文擬采用環保型防護涂料，從阻礙生物附著和即便產生生物附著但對混凝土不產生侵蝕的防護原理出發，考慮低表面能涂料和高致密性涂料，對比4種不同涂料的性能，通過現場混凝土板的拋擲試驗和工程現場原位防護試驗，分析涂料本身的防附著性及涂料對混凝土的防護效果，可為工程防護材料的選擇提供科學指導。

1 防護涂料選擇與性能

1.1 防護涂料的類型與防護機理

淡水殼菜是通過附著在輸水管道中產生危害，而涂層附著于輸水管道表面，可降低輸水管道的表面能，從而抑制淡水殼菜的附著。低表面能是防污型涂料的基本特性之一，降低涂層表面能，增大與水的表面接觸角可從2個方向入手，即改變組分和改變結構。目前，改變組分主要靠加入有機硅烷、氟碳樹脂來降低表面能；從結構方向即模仿荷葉、鯊魚皮等組織結構的仿生研究。表面接觸角越大，表面能越低，理論防附著性越好。因此，防護涂料的選擇就根據淡水殼菜的附著機理對其附著或生長過程進行干擾或破壞，然后最大程度地減少污損生物的附著或使其不能生長繁殖。

試驗選用4種不同的防護涂料防護淡水殼菜，分別為加拿大賽伯斯化學公司生產的水泥基滲透結晶材料（XYPEX）、中核防水材料有限公司生產的有機硅烷-水泥基滲透結晶材料（ZH-2000B）、關西涂料株式會社生產的環氧樹脂/硅膠涂料（GX-BIOX）和廣東輝固材料科技有限公司生產的堿激發涂料（G-Ⅱ）。鑒于工程為飲用水輸水工程，4種涂料均符合《生活飲用水衛生規范》（衛生部2001版）及GB/T 5750—2006《生活飲用水輸配水設備及防護材料衛生安全評價規范》，防護涂料的類型和大致的作用機理見表1。

表1 防護涂料的選用類型及防護機理

1.2 試驗方法

（1）涂層表面能和接觸角測試：按DB44/T 1232—2013《測定固體涂層、基材和顏料表面張力的試驗方法》進行。

（2）吸水率測試：采用70 mm×70 mm×70 mm的砂漿試件，成型1 d后脫模，置于標準養護室養護至28 d，然后取出擦拭浮水，按涂料使用要求涂刷試樣，后繼續養護14 d。養護結束將試樣取出置于50℃恒溫干燥箱烘到試件恒重，稱重，然后浸入水中吸水48 h，取出擦拭浮水、稱量，計算吸水率。

（3）顯微硬度測試：采用HV-5型維氏硬度計，載荷0.5 N、保持時間10 s，每種涂層表面隨機選取10個點進行硬度測試，取平均值作為該種涂料的硬度值。

（4）耐有機酸侵蝕質量損失率測試：鑒于淡水殼菜代謝產生的侵蝕介質為乙酸和丙酸，且需氧生物體內普遍存在三羧酸循環。為此，配制模擬侵蝕有機酸溶液，按照乙酸濃度為12.80g/L、檸檬酸濃度為1.99g/L、丙酸濃度為5.70g/L配制后，用1mol/L的NaOH溶液調節pH值至4.0。模擬侵蝕液作為酸腐蝕液，然后將分別涂有4種涂料的試樣和空白試樣浸泡在模擬侵蝕有機酸溶液中，浸泡30 d后，觀察涂層有無剝落、開裂、起泡等劣化情況。然后將試件置于50℃干燥箱烘至恒重，計算質量損失率，以質量損失率來表征涂層的耐酸性。

（5）拋擲試驗：主要通過工程現場放置混凝土板，將涂覆不同涂料的混凝土板依次固定于不銹鋼試樣籠中，并在試樣表面和金屬籠上均作標記，一定齡期后起吊金屬籠觀察統計不同涂料表面的淡水殼菜、藻類等污損生物的附著量。工程現場涂料的防生物附著性評價試驗，主要通過工程現場混凝土構筑物原位涂覆實現，經過1個停水期（1年）后觀察統計不同涂料表面的淡水殼菜、藻類等污損生物的附著量。

1.3 涂料性能比對

接觸角和表面能可以表征涂料的憎水性質，接觸角越大，淡水殼菜的足絲附著越困難。吸水率主要與涂層的憎水性質相關，還與涂層的致密性相關，這主要是針對無機涂料，但無機涂料一般采用增加1層防水處理。防護涂層在輸水工程中應用時需要抵抗含砂水的沖刷磨削力，因此需要具備一定的硬度和耐磨性。涂層的劣化等級與耐酸性、吸水率、顯微硬度均有關。耐酸性表征涂層在生物代謝酸下的分解、破壞；吸水率越大，涂層易因吸水膨脹而剝落；顯微硬度越小，涂層易因磨蝕而剝落，均會使涂層劣化程度增大，耐久性差。由此，顯微硬度、接觸角、涂層吸水率、耐酸性等都是不同涂料防護效果綜合評價的重要參數。不同涂層的性能如表2所示。

表2 不同涂層的性能比較

由表2可知：

（1）4種涂料的理論防附著性能（表面接觸角）由高到低依次為：GX－BIOX＞ZH－2000B＞G－Ⅱ＞空白試樣＞XYPEX；涂層的吸水率大小排序依次為：GX－BIOX＜ZH－2000B＜G－Ⅱ＜XYPEX＜空白試樣。因環氧樹脂涂層的防護作用在于在混凝土表面形成一層致密的有機涂膜，面層硅膠的防護性在于低表面能，從而降低污損生物的附著強度。因此，以環氧樹脂為底涂，硅膠為面涂的防護體系GX－BIOX的附著性最佳、吸水率最小。

（2）4種涂層中，ZH－2000B、XYPEX、G－Ⅱ及空白試樣的顯微硬度依次為17.80、30.34、18.71、37.49 kg/mm2，其中以XYPEX涂層的顯微硬度最高，接近空白混凝土的顯微硬度值，ZH－2000B和G－II涂層的顯微硬度均較低，而GX－BIOX涂層體系由于面涂硅膠具有一定的彈性，不適合于顯微硬度測試；GX－BIOX和ZH－2000B涂層的耐酸性較好，G－II和XYPEX涂層的耐酸性較差。

總之，GX－BIOX涂層的硬度小，但接觸角大、吸水率小、耐酸性好；ZH－2000B涂層和G－Ⅱ涂層的接觸角、顯微硬度均相近，但后者因涂層致密度不夠導致吸水率較大、耐酸性較差，涂層劣化程度較嚴重；XYPEX涂層雖然顯微硬度較高，但因接觸角大導致吸水率大，同時耐酸性差，涂層劣化程度較嚴重。因此，以GX－BIOX涂料的綜合性能最佳。

2 防護涂料的防護效果及分析

2.1 現場混凝土板拋擲試驗

參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》拌制混凝土，混凝土配合比按東深供水工程太園泵站輸水建筑C20混凝土進行配制。采用華潤P·O42.5R水泥，粉煤灰為黃埔電廠Ⅱ級粉煤灰，砂為河砂（Ⅱ區中砂），碎石為5～31.5 mm石灰巖碎石，減水劑為聚羧酸減水劑（固含量15%，減水率25%），混凝土的配合比如表3所示，混凝土的7、28 d抗壓強度分別為20.9、30.5 MPa。混凝土板試樣尺寸為500 mm×500 mm×50 mm，標準養護[溫度（20±2）℃，相對濕度＞90%]2 d后脫模，繼續標準養護至28 d后取出，混凝土試板和混凝土板拋擲試驗現場如圖1所示。現場涂覆不同涂層混凝土板的初始狀態見圖2，拋擲1年后混凝土板的狀態見圖3，防護效果見表4。

表3 混凝土的配合比 kg/m3

表4 不同涂層現場混凝土板拋擲試驗結果

圖1 混凝土試板和混凝土板拋擲試驗現場

圖2 涂覆不同涂層混凝土板的初始狀態

圖3 不同涂層混凝土板拋擲1年后的狀態

從圖3和表4拋擲1年后現場混凝土板表面污損物附著情況可以看出：

（1）未涂覆涂料的空白混凝土掛板表面已吸附有大量的淡水殼菜，部分區域淡水殼菜已成團并完全嵌入式附著于混凝土掛板表面，混凝土表面已呈現明顯的發黑發黃現象，受動水及附著生物腐蝕后的涂料表面平整度較差。

（2）涂覆ZH-2000B涂料的掛板表面已吸附有大量的生物，淡水殼菜個頭較大，個體成長較為成熟，部分區域淡水殼菜已成團并直接嵌入式附著于混凝土掛板表面。同時，掛板表面涂料已呈現發黑發黃現象，且經動水及附著生物腐蝕后的涂料表面局部已出現破損及開裂現象。涂覆XYPEX涂料的掛板表面同樣已吸附有大量的生物，淡水殼菜個頭同樣較大，個體成長已較為成熟，部分區域淡水殼菜已成團并直接嵌入式附著于混凝土掛板表面。同時，掛板表面涂料已呈現發黑發黃現象，但鏟除表面附著生物后未發現有涂料明顯的破損或開裂。涂覆了堿激發涂料的掛板表面已吸附有大量的生物，淡水殼菜且其個頭較大，個體成長較為成熟，部分區域淡水殼菜已成團并直接嵌入式附著于混凝土掛板表面，掛板表面涂料已呈現明顯的發黑發黃現象，且經動水及附著生物腐蝕后的涂料表面已出現明顯的破損及開裂現象。而涂覆GX-BIOX涂料的掛板表面雖然吸附有少數的生物，但數量甚少，其主要種類為水藻，而淡水殼菜幾乎未有發現。同時，掛板表面涂料仍能較大程度保持原涂料的特征（包括顏色、均勻性、完整性、平整度等），涂料表面未發現有明顯的破損或開裂，從掛板外觀附著情況可知，該涂料在東深供水工程水環境中建筑物混凝土表面防治水生物腐蝕方面表現較為優異，是一種潛在的可用于防治淡水生物腐蝕的涂料。

2.2 工程現場原位防護試驗

于停水期在抽水站倒虹吸取水口建筑物混凝土表面分別涂覆4種不同涂料，并在通水1年后觀察分析水生物表面淡水殼菜附著情況，污損后的現場工程樣板如圖4所示，防護效果評價結果如表5所示。

圖4 污損后的現場工程樣板

表5 不同涂層工程現場原位防護試驗

從圖4和表5可以看出，除涂覆GX-BIOX的試板外，空白混凝土板和涂覆其它3種不同涂料的試板表面均已吸附有大量的淡水殼菜，個頭較大，個體成長較為成熟，部分區域淡水殼菜已成團并直接嵌入式附著于混凝土表面，無法有效對水生物的附著及腐蝕進行防護。對涂覆有GX-BIOX涂料表面污損物附著情況可以看出，涂層表面基本未附著有淡水殼菜等水生物，涂層表面仍能較大程度保持原涂料的特征（包括顏色、均勻性、完整性、平整度等），涂料表面未發現有明顯的破損或開裂，防治混凝土表面水生物的腐蝕方面表現較為優異，是一種潛在的可用于防治淡水生物腐蝕的防腐涂料。

3 結論

（1）從阻礙生物附著和即便生物附著但對混凝土不產生侵蝕兩種防護原理出發，考慮低表面能涂料和高致密性涂料對已建工程混凝土進行防護。4種涂料中，以GX-BIOX涂層的硬度最小，但接觸角大、涂層吸水率小、耐酸性好，1年時間內保持完好無劣化；ZH-2000B與G-Ⅱ涂層的接觸角、顯微硬度均相近，但后者因涂層致密度不夠導致吸水率更大、耐酸性更差，涂層劣化程度較嚴重；XYPEX涂料雖然顯微硬度高，但因接觸角大導致吸水率更大，同時耐酸性更差，涂層劣化程度較嚴重。

（2）現場混凝土拋擲試驗表明：涂覆GX-BIOX涂料的掛板表面基本不吸附淡水殼菜，掛板表面涂料仍能較大程度保持原涂料的特征，涂料表面未發現有明顯的變化，防治淡水殼菜效果較為優異；涂覆其它3種涂料的掛板表面已吸附大量的生物，淡水殼菜個頭較大，個體成長較為成熟，部分區域淡水殼菜已成團并直接嵌入式附著于混凝土掛板表面，防護效果較差。

（3）現場原位防護試驗結果表明：涂覆有GX-BIOX涂料混凝土表面基本未附著有淡水殼菜等水生物，涂層表面仍能較大程度保持原涂料的特征（包括顏色、均勻性、完整性、平整度等），涂料表面未發現有明顯的破損或開裂，防治混凝土表面水生物的腐蝕方面表現較為優異，是一種潛在的可用于防治淡水生物腐蝕的防腐涂料。其它不同涂料涂覆的樣板表面均已吸附有大量的淡水殼菜，部分區域淡水殼菜已成團并直接嵌入式附著于混凝土表面，無法有效對水生物的附著及腐蝕進行防護。