防护淡水壳菜涂料性能分析及工程实践

杨永民，潘志权，陈小丹，蔡杰龙，朱思军，赵可昕

（1.仲恺农业工程学院，广东 广州510225；2.广东粤港供水有限公司，广东 深圳518000；3.广东省水利水电科学研究院，广东 广州510610；4.华南理工大学，广东 广州510640）

0 引言

淡水壳菜学名沼蛤，属于双壳纲异柱目贻贝科[1-3]。近些年来，国内外存在淡水壳菜在供水输水工程产生附着的情况，影响工程的实用功能以及构筑物的耐久性和使用寿命。淡水壳菜的大量产生，会对水质造成影响，减小输水或供水工程的横断面积，从而增大过流糙率，降低输水供水的效益[4-6]。国内外一些研究均从淡水壳菜特殊的生理特征出发，根据其不同的生理时期，采取相应的治理措施，在不影响水生态的前提下，提高治理效率和经济效益。目前已逐渐积累了一些预处理以及物理、试剂处理等防治方法[7-9]。但综合而言，都存在治理效果不明显、费用高且治理周期过短等问题。

针对已建工程，从输水构筑的规模、结构、功能角度出发，物理法中以防护涂料保护法应用最为广泛和适宜[10-11]。本文拟采用环保型防护涂料，从阻碍生物附着和即便产生生物附着但对混凝土不产生侵蚀的防护原理出发，考虑低表面能涂料和高致密性涂料，对比4种不同涂料的性能，通过现场混凝土板的抛掷试验和工程现场原位防护试验，分析涂料本身的防附着性及涂料对混凝土的防护效果，可为工程防护材料的选择提供科学指导。

1 防护涂料选择与性能

1.1 防护涂料的类型与防护机理

淡水壳菜是通过附着在输水管道中产生危害，而涂层附着于输水管道表面，可降低输水管道的表面能，从而抑制淡水壳菜的附着。低表面能是防污型涂料的基本特性之一，降低涂层表面能，增大与水的表面接触角可从2个方向入手，即改变组分和改变结构。目前，改变组分主要靠加入有机硅烷、氟碳树脂来降低表面能；从结构方向即模仿荷叶、鲨鱼皮等组织结构的仿生研究。表面接触角越大，表面能越低，理论防附着性越好。因此，防护涂料的选择就根据淡水壳菜的附着机理对其附着或生长过程进行干扰或破坏，然后最大程度地减少污损生物的附着或使其不能生长繁殖。

试验选用4种不同的防护涂料防护淡水壳菜，分别为加拿大赛伯斯化学公司生产的水泥基渗透结晶材料（XYPEX）、中核防水材料有限公司生产的有机硅烷-水泥基渗透结晶材料（ZH-2000B）、关西涂料株式会社生产的环氧树脂/硅胶涂料（GX-BIOX）和广东辉固材料科技有限公司生产的碱激发涂料（G-Ⅱ）。鉴于工程为饮用水输水工程，4种涂料均符合《生活饮用水卫生规范》（卫生部2001版）及GB/T 5750—2006《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》，防护涂料的类型和大致的作用机理见表1。

表1 防护涂料的选用类型及防护机理

1.2 试验方法

（1）涂层表面能和接触角测试：按DB44/T 1232—2013《测定固体涂层、基材和颜料表面张力的试验方法》进行。

（2）吸水率测试：采用70 mm×70 mm×70 mm的砂浆试件，成型1 d后脱模，置于标准养护室养护至28 d，然后取出擦拭浮水，按涂料使用要求涂刷试样，后继续养护14 d。养护结束将试样取出置于50℃恒温干燥箱烘到试件恒重，称重，然后浸入水中吸水48 h，取出擦拭浮水、称量，计算吸水率。

（3）显微硬度测试：采用HV-5型维氏硬度计，载荷0.5 N、保持时间10 s，每种涂层表面随机选取10个点进行硬度测试，取平均值作为该种涂料的硬度值。

（4）耐有机酸侵蚀质量损失率测试：鉴于淡水壳菜代谢产生的侵蚀介质为乙酸和丙酸，且需氧生物体内普遍存在三羧酸循环。为此，配制模拟侵蚀有机酸溶液，按照乙酸浓度为12.80g/L、柠檬酸浓度为1.99g/L、丙酸浓度为5.70g/L配制后，用1mol/L的NaOH溶液调节pH值至4.0。模拟侵蚀液作为酸腐蚀液，然后将分别涂有4种涂料的试样和空白试样浸泡在模拟侵蚀有机酸溶液中，浸泡30 d后，观察涂层有无剥落、开裂、起泡等劣化情况。然后将试件置于50℃干燥箱烘至恒重，计算质量损失率，以质量损失率来表征涂层的耐酸性。

（5）抛掷试验：主要通过工程现场放置混凝土板，将涂覆不同涂料的混凝土板依次固定于不锈钢试样笼中，并在试样表面和金属笼上均作标记，一定龄期后起吊金属笼观察统计不同涂料表面的淡水壳菜、藻类等污损生物的附着量。工程现场涂料的防生物附着性评价试验，主要通过工程现场混凝土构筑物原位涂覆实现，经过1个停水期（1年）后观察统计不同涂料表面的淡水壳菜、藻类等污损生物的附着量。

1.3 涂料性能比对

接触角和表面能可以表征涂料的憎水性质，接触角越大，淡水壳菜的足丝附着越困难。吸水率主要与涂层的憎水性质相关，还与涂层的致密性相关，这主要是针对无机涂料，但无机涂料一般采用增加1层防水处理。防护涂层在输水工程中应用时需要抵抗含砂水的冲刷磨削力，因此需要具备一定的硬度和耐磨性。涂层的劣化等级与耐酸性、吸水率、显微硬度均有关。耐酸性表征涂层在生物代谢酸下的分解、破坏；吸水率越大，涂层易因吸水膨胀而剥落；显微硬度越小，涂层易因磨蚀而剥落，均会使涂层劣化程度增大，耐久性差。由此，显微硬度、接触角、涂层吸水率、耐酸性等都是不同涂料防护效果综合评价的重要参数。不同涂层的性能如表2所示。

表2 不同涂层的性能比较

由表2可知：

（1）4种涂料的理论防附着性能（表面接触角）由高到低依次为：GX－BIOX＞ZH－2000B＞G－Ⅱ＞空白试样＞XYPEX；涂层的吸水率大小排序依次为：GX－BIOX＜ZH－2000B＜G－Ⅱ＜XYPEX＜空白试样。因环氧树脂涂层的防护作用在于在混凝土表面形成一层致密的有机涂膜，面层硅胶的防护性在于低表面能，从而降低污损生物的附着强度。因此，以环氧树脂为底涂，硅胶为面涂的防护体系GX－BIOX的附着性最佳、吸水率最小。

（2）4种涂层中，ZH－2000B、XYPEX、G－Ⅱ及空白试样的显微硬度依次为17.80、30.34、18.71、37.49 kg/mm2，其中以XYPEX涂层的显微硬度最高，接近空白混凝土的显微硬度值，ZH－2000B和G－II涂层的显微硬度均较低，而GX－BIOX涂层体系由于面涂硅胶具有一定的弹性，不适合于显微硬度测试；GX－BIOX和ZH－2000B涂层的耐酸性较好，G－II和XYPEX涂层的耐酸性较差。

总之，GX－BIOX涂层的硬度小，但接触角大、吸水率小、耐酸性好；ZH－2000B涂层和G－Ⅱ涂层的接触角、显微硬度均相近，但后者因涂层致密度不够导致吸水率较大、耐酸性较差，涂层劣化程度较严重；XYPEX涂层虽然显微硬度较高，但因接触角大导致吸水率大，同时耐酸性差，涂层劣化程度较严重。因此，以GX－BIOX涂料的综合性能最佳。

2 防护涂料的防护效果及分析

2.1 现场混凝土板抛掷试验

参照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》拌制混凝土，混凝土配合比按东深供水工程太园泵站输水建筑C20混凝土进行配制。采用华润P·O42.5R水泥，粉煤灰为黄埔电厂Ⅱ级粉煤灰，砂为河砂（Ⅱ区中砂），碎石为5～31.5 mm石灰岩碎石，减水剂为聚羧酸减水剂（固含量15%，减水率25%），混凝土的配合比如表3所示，混凝土的7、28 d抗压强度分别为20.9、30.5 MPa。混凝土板试样尺寸为500 mm×500 mm×50 mm，标准养护[温度（20±2）℃，相对湿度＞90%]2 d后脱模，继续标准养护至28 d后取出，混凝土试板和混凝土板抛掷试验现场如图1所示。现场涂覆不同涂层混凝土板的初始状态见图2，抛掷1年后混凝土板的状态见图3，防护效果见表4。

表3 混凝土的配合比 kg/m3

表4 不同涂层现场混凝土板抛掷试验结果

图1 混凝土试板和混凝土板抛掷试验现场

图2 涂覆不同涂层混凝土板的初始状态

图3 不同涂层混凝土板抛掷1年后的状态

从图3和表4抛掷1年后现场混凝土板表面污损物附着情况可以看出：

（1）未涂覆涂料的空白混凝土挂板表面已吸附有大量的淡水壳菜，部分区域淡水壳菜已成团并完全嵌入式附着于混凝土挂板表面，混凝土表面已呈现明显的发黑发黄现象，受动水及附着生物腐蚀后的涂料表面平整度较差。

（2）涂覆ZH-2000B涂料的挂板表面已吸附有大量的生物，淡水壳菜个头较大，个体成长较为成熟，部分区域淡水壳菜已成团并直接嵌入式附着于混凝土挂板表面。同时，挂板表面涂料已呈现发黑发黄现象，且经动水及附着生物腐蚀后的涂料表面局部已出现破损及开裂现象。涂覆XYPEX涂料的挂板表面同样已吸附有大量的生物，淡水壳菜个头同样较大，个体成长已较为成熟，部分区域淡水壳菜已成团并直接嵌入式附着于混凝土挂板表面。同时，挂板表面涂料已呈现发黑发黄现象，但铲除表面附着生物后未发现有涂料明显的破损或开裂。涂覆了碱激发涂料的挂板表面已吸附有大量的生物，淡水壳菜且其个头较大，个体成长较为成熟，部分区域淡水壳菜已成团并直接嵌入式附着于混凝土挂板表面，挂板表面涂料已呈现明显的发黑发黄现象，且经动水及附着生物腐蚀后的涂料表面已出现明显的破损及开裂现象。而涂覆GX-BIOX涂料的挂板表面虽然吸附有少数的生物，但数量甚少，其主要种类为水藻，而淡水壳菜几乎未有发现。同时，挂板表面涂料仍能较大程度保持原涂料的特征（包括颜色、均匀性、完整性、平整度等），涂料表面未发现有明显的破损或开裂，从挂板外观附着情况可知，该涂料在东深供水工程水环境中建筑物混凝土表面防治水生物腐蚀方面表现较为优异，是一种潜在的可用于防治淡水生物腐蚀的涂料。

2.2 工程现场原位防护试验

于停水期在抽水站倒虹吸取水口建筑物混凝土表面分别涂覆4种不同涂料，并在通水1年后观察分析水生物表面淡水壳菜附着情况，污损后的现场工程样板如图4所示，防护效果评价结果如表5所示。

图4 污损后的现场工程样板

表5 不同涂层工程现场原位防护试验

从图4和表5可以看出，除涂覆GX-BIOX的试板外，空白混凝土板和涂覆其它3种不同涂料的试板表面均已吸附有大量的淡水壳菜，个头较大，个体成长较为成熟，部分区域淡水壳菜已成团并直接嵌入式附着于混凝土表面，无法有效对水生物的附着及腐蚀进行防护。对涂覆有GX-BIOX涂料表面污损物附着情况可以看出，涂层表面基本未附着有淡水壳菜等水生物，涂层表面仍能较大程度保持原涂料的特征（包括颜色、均匀性、完整性、平整度等），涂料表面未发现有明显的破损或开裂，防治混凝土表面水生物的腐蚀方面表现较为优异，是一种潜在的可用于防治淡水生物腐蚀的防腐涂料。

3 结论

（1）从阻碍生物附着和即便生物附着但对混凝土不产生侵蚀两种防护原理出发，考虑低表面能涂料和高致密性涂料对已建工程混凝土进行防护。4种涂料中，以GX-BIOX涂层的硬度最小，但接触角大、涂层吸水率小、耐酸性好，1年时间内保持完好无劣化；ZH-2000B与G-Ⅱ涂层的接触角、显微硬度均相近，但后者因涂层致密度不够导致吸水率更大、耐酸性更差，涂层劣化程度较严重；XYPEX涂料虽然显微硬度高，但因接触角大导致吸水率更大，同时耐酸性更差，涂层劣化程度较严重。

（2）现场混凝土抛掷试验表明：涂覆GX-BIOX涂料的挂板表面基本不吸附淡水壳菜，挂板表面涂料仍能较大程度保持原涂料的特征，涂料表面未发现有明显的变化，防治淡水壳菜效果较为优异；涂覆其它3种涂料的挂板表面已吸附大量的生物，淡水壳菜个头较大，个体成长较为成熟，部分区域淡水壳菜已成团并直接嵌入式附着于混凝土挂板表面，防护效果较差。

（3）现场原位防护试验结果表明：涂覆有GX-BIOX涂料混凝土表面基本未附着有淡水壳菜等水生物，涂层表面仍能较大程度保持原涂料的特征（包括颜色、均匀性、完整性、平整度等），涂料表面未发现有明显的破损或开裂，防治混凝土表面水生物的腐蚀方面表现较为优异，是一种潜在的可用于防治淡水生物腐蚀的防腐涂料。其它不同涂料涂覆的样板表面均已吸附有大量的淡水壳菜，部分区域淡水壳菜已成团并直接嵌入式附着于混凝土表面，无法有效对水生物的附着及腐蚀进行防护。