颜剑 殷黎明 熊斌 林育强 张学明
摘要:为解决水利枢纽水位标尺在紫外照射、酸雨腐蚀、高速水流冲刷、干湿循环等不利环境中易出现的涂层粉化、失光、开裂、剥落、板材脱落等问题,综合运用理论分析、室内试验、现场试验等多种手段进行研究。在实验室分别以不锈钢板、铝板、高密度水泥板为基材,制备了水位标尺试样进行耐水、耐盐水、冻融循环、耐酸性及附着力试验,并在王甫洲水利枢纽泄水闸、船闸等混凝土结构上进行了现场涂装试验。室内试验结果表明,纳硅涂层对上述各类基材均具有良好的适用性,性能优异。在户外运行3 a后,对涂层的光泽度、颜色、硬度、厚度、粉化、外观进行了对比分析,纳硅涂层漆膜无任何破坏,色泽鲜艳、光泽饱满。研究表明,纳硅涂层具有超强的耐候性,能较好地解决水位标尺的各种问题。研究成果在该领域极具推广价值。
关键词:水利枢纽;水位标尺;纳硅材料; 试验研究;超耐性
中图法分类号:TV41 文献标志码:A DOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.016
文章编号:1006 - 0081(2021)12 - 0092 - 05
0 引 言
水位标尺是各种水工建构筑物中不可或缺的重要组成部分,在日常运营管理、坝体监测、防洪防汛工作中发挥着十分重要的作用。要求标识标语醒目、清晰、牢固,以及便于运营管理期的清洁养护。
目前各水利枢纽中的水位标尺多采用外置挂板和现场涂装两种方式,外置挂板时通常采用铆钉将其锚固于混凝土构筑物上,铆钉在潮湿环境中易遭受锈蚀破坏;现场涂装常采用环氧、丙烯酸、聚氨酯、氟碳树脂等传统涂料现场制作,由于传统涂料耐老化、耐酸、耐冻融等性能较弱,在户外运营一段时间后常因出现粉化、失光、褪色、开裂、脱落等问题而失效。
为解决这一问题,研究新型纳米涂料在该领域的应用具有十分重要的意义。随着纳米材料技术的发展,越来越多的纳米新材料应用于水电基础设施标识标语涂装。材料中某个相的某一几何尺寸(颗粒度、直径、膜厚、晶粒度)为纳米级时,材料特性往往会发生突变,由于表面效应、小尺寸效应和量子效应的影响,纳米材料在物理性能、力学性能等方面都出现许多不同于宏观物质的特性,表现为高强高韧、高比热、高热膨胀率、高电导率、高导磁性、高吸波性等[1]。
室内试验及现场水位标尺涂装试验表明:纳米新材料的研究成果将克服水电基础设施水位标尺制作中的问题,超耐候性、涂层和混凝土的耐久性也大大提升,减轻了水电管养单位的养护压力,提高了科学管养水平,从而产生了良好的社会经济效应。
1 水电基础设施水位标尺现状调研
通过走访调研汉江集团、乌江电力、大唐电力、五凌电力等多家国内大型水电单位的大中型水电站可知,目前多采用外置挂板和现场涂装两种方式制作水位标尺。外置挂板时,通常采用普通钢板、不锈钢板、搪瓷钢板、铝单板等多种板材预制而成,只需在现场用铆钉锚固即可,两种水位标尺如图1所示。现场涂装时通常采用环氧、丙烯酸、聚氨酯、氟碳树脂等传统涂料现场制作。二者的优缺点对比如表1所示。
2 纳硅涂层机理及性能特性
2.1 纳米涂层研究概况
纳米材料涂层分为两种:①在涂层体系中添加纳米粉体,获得纳米复合体系涂层;②纯纳米涂层制备技术,即在原材料中并无纳米粉体等材料,纳米粒子是在化学反应过程中形成的,并参与到涂层结构的组建中。纳米涂层是近年来国际上纳米材料科学研究的热点之一,主要集中在功能涂层上,包括传统材料表面的涂层、纤维涂层和颗粒涂层。纳米涂层性能体现在以下几个方面:①添加纳米相,可提高涂层的硬度和耐磨性能,并保持较高的韧性;②提高材料的耐高温、抗氧化性;③提高基体的防腐蚀、抗碳化性能,达到表面修饰、装饰的目的;④达到减小摩擦因数的效果,形成自润滑材料;⑤纳米材料涂层具有广泛变化的光学性能、优异的电磁性能[2]。
纳米涂层制备方法是纳米涂层得以应用的基础。不仅应用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等常规表面涂层技术,通过工艺参数来调控涂层的厚度和晶粒尺寸;还有一些新的制备方法,如溶胶-凝胶(sol-gel)、自组装、热喷涂等[3]。
2.2 纳硅涂层制备机理
试验采用的纳硅涂层是重庆大学与重庆卡勒斯通科技有限公司联合研发的新型纳米二氧化硅涂层。该涂层基于溶胶凝胶技术,以正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷为前驱体,通过控制氨水浓度、蒸馏水添加量、乙醇用量及反应温度来影响所制备凝胶的纳米粒子粒径;然后以甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷为偶联剂对制备的纳米二氧化硅粒子进行表面改性;再将改性的纳米二氧化硅粒子嫁接至有机硅树脂中,制备得到纳硅涂层。该方法制备的纳硅涂层具有如下特征。
(1)由于纳米SiO2粒子存在一定不饱和残键和不同键合状态的羟基,可与树脂中的某些基团发生键合作用,从而增强漆膜的热稳定性和化学稳定性。
(2)纳米SiO2粒子的特殊光学特性可以达到屏蔽紫外线作用,故改性有机硅树脂难以产生由紫外线引起的游离基反应,也不易产生氧化反应,因此增强了漆膜的耐候性及抗紫外能力,有效延长涂層的使用寿命。
(3)利用纳米SiO2粒子的量子尺寸效应和宏观量子隧道效应,可深入到高分子化合物(有机硅树脂)的d-pπ键附近,与高分子化合物的电子云发生重叠,形成空间网状结构,增大了有机硅树脂分子间的引力、有效交联密度,从而可大幅度提高漆膜的机械性能(硬度、弯曲、冲击、耐擦伤性等)。
(4)纳米SiO2粒子粒径小、比表面积大、表面原子数多、表面能高,因此具有很强的表面活性和吸附能力,易与树脂中的阴离子发生键合作用,从而提高漆膜与基层的结合强度,增强附着力。
3 纳硅涂层涂装试验研究
水利枢纽关键部位的水位标尺通常涂装于混凝土结构中,混凝土结构在酸雨、冻融、干湿循环、高速冲蚀等环境下会严重影响结构的耐久性,进而出现混凝土碳化、保护层开裂、脱落、钢筋锈蚀等结构性问题[4-8],从而导致涂刷的水位标尺失效,影响水利枢纽的防洪防汛工作及水电单位的日常管理。
针对水电基础设施水位标尺涂装中出现的问题,制作了钢板、铝单板、混凝土板3种基材的纳硅水位标尺样板,并进行了耐水性、耐盐水性、耐冻融、附着力的试验测试。试验过程及结果如下。
3.1 试验样板制作
试验样板基材选择:不锈钢板(200 mm×300 mm×2 mm,300 mm×400 mm×2 mm)、铝板(200 mm×300 mm×2 mm)、高强度水泥板(300 mm×400 mm×8 mm)。样板制作工艺如表2~3所示。
3.2 试验过程
水电基础设施水位标尺通常处于潮湿环境中,因此其耐水性、耐饱和盐水性指标非常重要;且常年处于户外运行环境,气候变化对涂层影响较大;随着工业化进程的推进,中国酸雨分布面积广泛,酸雨对涂层有着较大的腐蚀性[7-13];另外,涂层的附着力也是重要指标之一,强附着力能避免其出现开裂、脱落等风险。
试验参照GB/T 1733-93《漆膜耐水性测定法》、GB/T 1763-79《漆膜耐化学试剂测定法》、GB/T 1763-79《漆膜耐化学试剂测定法》、JG/T 25-1999《涂层耐冻融循环测定法》、GB/T 1735-1989《漆膜耐热性测定法》、GB/T 9286-1998《色漆和清漆 漆膜的划格试验》进行。
其中冻融试验步骤为:①在20%浓度工业盐水溶液中浸泡16 h;②在-25±2 ℃冻箱中冷冻4 h;③在50±2 ℃烤箱中烘烤4 h。此为一个循环。图2为耐水性试验,图3为耐饱和盐水试验,图4为冻融循环试验,图5为耐酸性试验,图6为划格法附着力试验。
3.3 试验小结
试验结果显示,在各种基材上用纳硅涂层制备的水位标尺在耐水性、耐盐水性、耐酸性、耐冻融性方面均表现出优越性能,各项性能指标(如表4所示)远优于国标要求,且与各种基材有良好的附着力,非常适合水电基础设施标识标语的应用。
4 纳硅水位标尺现场涂装试验
为了更进一步验证纳硅涂层在实际环境中的应用效果,基于室内试验的结论,于2018年2月在汉江集团王甫洲水利枢纽工程中进行了现场涂装试验,纳硅水位标尺现场制作工艺如图7所示。
4.1 现场涂装工艺
(1)混凝土基层处理:彻底清除碳化、粉化、松动混凝土表层。
(2)涂刷环氧灌封胶:采用潮湿型环氧灌封胶封闭疏松混凝土,起到固化、封闭作用。
(3)纳硅中间漆涂装(白色):涂刷白色纳硅中间漆一遍,要求均匀、无遗漏。
(4)蓝红E字涂装:先用纸胶带勾勒出E字轮廓,然后分别涂制蓝、红E字。
4.2 现场试验效果
根据标准工艺制作的纳硅水位标尺在汉江集团王甫洲水利枢纽中运营3 a,经历了紫外、干湿、冻融、酸雨等综合环境的检验,至今依然保持完好无损,表现出优异性能。通过对比分析新涂装与运营3 a后的纳硅水位标尺,如图8所示,漆膜光泽仅损失3.5%,颜色出现轻微色差0.05,硬度、漆膜厚度、粉化及外观无任何变化,结果如表5所示。而同期施工的对标钢板水位标尺,在2019年泄洪时被冲毁。
5 结论与建议
水位标尺在日常运行管理、坝体监测、防洪防汛工作中发挥十分重要的作用。目前普遍采用的涂层或挂板不能满足长久有效运营的要求。本文通过现场调研、室内试验和现场试验,得到如下结论。
(1)纳硅涂层采用新型溶胶凝胶技术制备,室内试验结果表明,纳硅涂层具有优越的附着力、耐水性、耐盐水性、耐酸性、耐冻融性。
(2)纳硅涂层水位标尺在钢板、铝板、水泥板基材上均具有良好的适用性,各项性能指标优异。
(3)现场涂装试验结果表明,纳硅涂层施工便捷、性能卓越。经过3 a的运营检验,涂层依旧如新,未出现失光、粉化、开裂、剥落等问题,具有良好的抗碳化性能。期间经历了多次不同泄量洪水的冲刷,耐冲磨性能优异,保障了水电基础设施的安全运营,减轻了管养单位的工作负担。
因此,建议水电管养单位应重视新技术、新材料研发最新成果的推广应用,尤其是纳米技术的发展动态。纳米材料具有表面效应、小尺寸效应和量子效应的影响,在物理性能、化学性能等方面都体现出许多不同于宏观物质的特性,成为当今科技发展前沿的重要研究领域。可以预见,纳米涂层在水利水电基础设施领域的应用将有助于提升其运营养护的整体水平。
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(编辑:唐湘茜)
Application of super weatherability nano-silicon material in water level gauge coating of hydropower infrastructure
YAN Jian1, YIN Liming2, XIONG Bin1, LIN Yuqiang3, ZHANG Xueming4
(1. Hubei Hanjiang Wangfuzhou Hydropower Co., Ltd., Xiangyang 441700, China; 2.Chongqing University, Chongqing 400044, China;3. Changjiang River Scientific Research Institute, Changjiang Water Resources Commission,Wuhan 430010, China ; 4. Chongqing Colorstone Tech Co.,Ltd., Chongqing 401329, China)
Abstract: In order to solve the problems of coating pulverization, light loss, cracking, peeling and plate falling off of water level gauge in water control project under adverse environments such as UV irradiation, acid rain corrosion, high-speed water flow scouring and dry-wet cycle, a comprehensive analysis was carried out by means of theoretical analysis, indoor test and field test. Using stainless steel plate, aluminum plate and high-density cement plate as substrates, the water level gauge samples were prepared in the laboratory for water resistance, salt water resistance, freeze-thaw cycle, acid resistance and adhesion tests. Field coating tests were carried out on concrete structures such as sluice gate and ship lock of Wangfuzhou water control project. The laboratory test results show that the nano-silicon coating has good applicability and excellent performance to the above substrates. After 3 years of outdoor operation, the gloss, color, hardness, thickness, pulverization and appearance of the coating were compared and analyzed. The nano-silicon coating film has no damage and in bright color and full luster. The research showed that nano-silicon coating has super weather resistance and can well solve various problems of water gauge, which is of great popularization value in this field.
Key words: water control project ; water level gauge; nano-silicon coating, experimental study; water resistance