水工混凝土生物污损侵蚀机理及新型防护涂层研发

---

一、侵蚀试验

1、淡水壳菜现场原位侵蚀试验

（1）淡水壳菜附着机制。 采用光学显微镜观察其足丝构造状况，可以看出，其足丝主要由两部分组成，即：“足丝线”和“足丝盘”，足丝线呈白色线状，足丝末端“足丝盘”呈现黄色膨大结构，这增加了足丝与混凝土基面的接触面积，进而提高了粘附力。 从化学角度来看，淡水壳菜足丝会与无机矿物等基面形成很强化学健，如氢键、离子键等，与混凝土牢固结合。
  （2）混凝土矿物组成变化。 采用XRD衍射仪对原位采集样品0-2mm、4-6mm深度混凝土样品进行衍射，从0-2mm深度XRD衍射图谱可以看出，有贝工况十二水硫铝酸钙、钙钒石、二水石膏衍射强度比无贝工况衍射强度高，说明淡水壳菜呼吸作用产生的CO2加重了混凝土碳化；从4-6mm深度XRD衍射图谱可以看出，有贝工况碳酸钙衍射高于0-2mm深度衍射强度，说明随着深度增加淡水壳菜产生酸液对混凝土损伤有所减弱。

2、室内有机酸加速侵蚀试验

（1）混凝土表观形貌变化。在有机酸腐蚀环境下，本研究分别从宏观、微观角度对混凝土表观形貌变化进行了观察。
  （2）混凝土质量损失。不同pH下有机酸腐蚀对混凝土质量损失均会造成不同程度的影响。随着酸性的增加，混凝土质量损失率不断增加，各工况下差异明显；随侵蚀时间的延长，质量损失率总体表现为初期快速上升，后期损失率有所减缓。
  （3）混凝土强度影响。在酸性较强（pH≤4）的有机酸溶液中，混凝土抗压强度发生明显的下降，侵蚀初期强度值衰减很快，之后有所减缓；在清水及氢氧化钙养护条件下，混凝土强度值稳定上升后趋于平缓；在其他工况下，由于酸性较弱，强度变化不断波动，无明显规律。
  （4）混凝土中性化深度影响。随着有机酸溶液酸性的增加，混凝土表层酸性化深度增加显著；在酸性较强的溶液中，混凝土酸性化深度在初期增长较快，后期变缓。

二、糙率研究

1、渡槽研究成果

（1）不同附着密度下沿程水深变化规律。不同工况下的平均水深均沿程减小且各曲线之间几乎平行。
  （2）淡水壳菜附着密度与糙率的关系。无淡水壳菜附着时的糙率小于有淡水壳菜附着时的糙率。同一附着密度下，流量越大，糙率值越小。
  （3）同一断面垂线流速分布规律。淡水壳菜相同附着密度下，右垂线处的流速最大，中垂线的流速次之，靠近边壁处的流速最小。

2、有压建筑研究成果

（1）附着密度对糙率的影响。由于淡水壳菜的附着，增加了壁面粗糙度的同时，不同流量下，壁面糙体对流体能量衰减影响不同，并且在低流速影响较为明显。
  （2）糙率与断面流速的关系。保持两断面间流量不变时，在进口断面不同糙率值下的中垂线流速变化规律类似对数分布；随水体流动，受到壁面糙体的影响，水流逐渐向轴线处集中，在出口段面处流速分布发生变化，其中部较大。
  （3）纵断面流速变化规律。不同密度条件下，靠近边壁的区域，水流流速较小，管道内整体的流速变化趋势相似，流速都沿程减小。密度较大的管道内流速明显大于密度较小的管道。
  （4）横断面流速变化规律。受壁面糙率影响，流速向轴线集中，中垂线流速分布形式由“对数”分布转变为“抛物线”分布；随附着厚度及密度增加，最大流速随之增加。

三、防污损生物附着材料研发

加成型硅橡胶胶以乙烯基硅油为基聚物，以含氢硅油为交联剂，通过铂催化剂活化含氢硅油的Si-H键上的氢原子，在室温下与硅原子相连的乙烯基与活化的Si-H 键发生硅氢化加成反应，形成三维网状结构弹性体；贻贝多巴中羟基与甲基相互作用较弱。因此，选用上述反应为主体成膜反应模仿生物表皮弹性。
  聚四氟乙烯具有表面能低、增加材料宏观光滑度、不易粘污等优点，纳米二氧化钛用于材料中可以改善材料的抗菌性、耐污染性、耐老化性等。因此，选用上述两种污损生物防护材料助剂。涂料高速分散中会产生气泡。因此，加入二甲基硅油进行消泡处理。在无水条件下，硅烷偶联剂硅氧烷键可直接与二氧化钛表面羟基反应，消除粒子表面活性基团，实现单分子层修饰，选用选用硅烷偶联剂处理的纳米粒子，易于分散。