水利工程红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料及其制备方法与流程
1.本发明涉及水利工程建筑领域，具体涉及一种水利工程红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料及其制备方法。
背景技术：
2.水利工程中的大坝、水库、输水渠道等建筑物有不少是采用红砂岩堆积而建成的，在长期的运行过程中，已发生了严重的风化和受到周围环境的腐蚀，风化层大多成片状脱落，用手触摸就会有整片掉落，严重影响建筑物的使用寿命，有的已成为水库、大坝的安全隐患，甚至影响到附近众的生命安全，对水利工程中的红砂岩进行防风化和防腐蚀保护刻不容缓。
3.岩石在水、空气、太阳能及生物能的作用和影响下所发生的岩石破坏作用称为风化作用，红砂岩质地柔软，内部孔隙率较大，更容易风化。影响红砂岩风化的主要外部因素有水份、co2小分子、附着微生物、酸雨等。
4.水是引起红砂岩风化的主要因素之一，首先，水一直都是最强的无机溶剂，水可以溶解岩石中的多数矿物盐，使红砂岩变质或破裂，使的物质转变成离子溶剂。同时水能与空气中的酸性气体（so2等）形成酸性溶液腐蚀石质；水溶解一些矿物质盐，但随着水的蒸发，会在石质中形成盐结晶，时间久之，会在岩石空隙中形成应力作用，导致红砂岩破坏。水还由于温差的作用，会随着结冰和溶解，产生收缩与膨胀，使红砂岩冻胀破裂。水也是植物和微生物生存的基础，水会附着大量的微生物，这样也会对红砂岩破坏。水可以吸附空气中有害粉尘使岩石便面腐蚀。总之，红砂岩的任何破坏都与水的存在直接相关。
5.风化后物相的组成主要是sio2和caco3，空气中的co2进入红砂岩表层，与caco3反应生成ca(hco3)2，caco3+co2+h2o=ca(hco3)2，ca(hco3)2易溶于水，随流水渗透至岩石表面形成结晶，使红砂岩酥松化，加速风化。
6.在红砂岩表面生长的植物能延长水分在岩体表面的储存时间，使得水的岩石作用的时间增加。植物根在岩体裂隙中长粗，对裂隙两壁产生压力，据测算这种压力可达1.0～1.5mpa，最终会导致岩石破裂。在生物新陈代谢产生的分泌物和生物死亡后有机体腐烂分解的产物对红砂岩形成化学破坏作用。
7.酸雨中的阴离子主要有硫酸根离子、氯离子和硝酸根离子，这些离子都会和红砂岩发生化学反应，加速风化腐蚀。
8.200410060831.4公布了一种红砂岩的化学加固方法，用的是氟硅酸镁和有机硅渗透剂，适用于文物的保护，并不适用于水利工程中红砂岩的防风化防腐蚀保护。202010513456.3公布了一种涂抹在水位变幅带内红砂岩表面改性材料，属于聚氨酯类材料，具有较好的保护效果，缺点是耐水性差，容易改变红砂岩的外貌。202011357478 .1公布了一种水性丙烯酸防腐涂料及其制备方法，采用水性丙烯酸乳液和氧化石墨烯，属于单组份涂料，具有较好的耐腐蚀性能和耐候性能，但耐水性和与红砂岩的粘结强度不足，不适用于红砂岩的保护。202010976113.0公布了一种水性丙烯酸防护涂料，也属于单组份非纳米
涂料。
9.现有技术公开的丙烯酸树脂涂料很多，有溶剂型的也有水性的。水性中大多是单组份水性丙烯酸乳液涂料，性能通用，施工方便，适用于一般场合的防腐蚀保护或装饰，少量是双组分水性丙烯酸涂料，大多用于木器、汽车等表面的防护，极少见有双组分水性丙烯酸纳米涂料，而由纳米氧化硅、纳米氧化锆和纳米氧化石墨烯组成的双组分水性丙烯酸纳米涂料尚属首次。
技术实现要素：
10.本发明提供一种能适用于水利工程红砂岩防风化防腐蚀保护的纳米丙烯酸涂料，具有无透明、不改变红砂岩形貌、水性环保、不影响周围水体环境、与红砂岩粘结强度大、防风化防腐蚀效果好的特点。
11.一种红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料，所述涂料由a组分与b组分按质量比4:1-5:1组合而成，其中a组分由以下质量份的各物质组成：水性丙烯酸树脂 60-90份，去离子水 10-15份，成膜助剂 3-9份，纳米粒子 1-3份，消泡剂0.05-0.2份，分散剂0.2-0.6份； b组分由以下质量份的各物质组成:六亚甲基二异氰酸酯三聚体70-90份，丙二醇甲醚醋酸酯10-30份。
12.水性丙烯酸树脂为羟基含量3.0%-4.2%的水性羟基丙烯酸树脂，成膜助剂为乙二醇丁醚和二乙二醇丁醚中的一种或二种，纳米粒子是纳米氧化硅、纳米氧化锆和纳米氧化石墨烯三种，纳米粒子中三种纳米粒子的质量组成为纳米氧化硅20-60份，纳米氧化锆20-60份，纳米氧化石墨烯20-60份。
13.进一步优选地，所述纳米粒子中纳米氧化硅：纳米氧化锆：纳米氧化石墨烯的质量比为3:1:1或者1:3:1组成。
14.消泡剂和分散剂为市面上常见的甲基硅油和硅烷类偶联剂。
15.b组分是质量份70-90份六亚甲基二异氰酸酯三聚体和质量份10-30份丙二醇甲醚醋酸酯。
16.a组分与b组分的质量比为4:1-5:1。进一步优选为，a组分：b组分为4.5:1。
17.制备方法：在高速分散机中加入去离子水、分散剂、纳米粒子，在转速4000~6000转/分钟条件下分散20~40分钟，移出，超声空化5~15分钟，再加入水性丙烯酸树脂、成膜助剂和消泡剂，继续高速分散30分钟，得成品a组分；然后在分散机中加入b组分六亚甲基二异氰酸酯三聚体、丙二醇甲醚醋酸酯，在转速1000~3000转/分钟条件下分散5~15分钟，得成品。
18.进一步优选地，在转速5000转/分钟条件下分散30分钟，移出，超声空化10分钟，再加入水性丙烯酸树脂、成膜助剂和消泡剂，继续高速分散30分钟，得成品a组分。在分散机中加入b组分六亚甲基二异氰酸酯三聚体、丙二醇甲醚醋酸酯，在转速2000转/分钟条件下分散10分钟，得涂料成品。
19.将a、b组分按比例混合搅匀，采用喷涂、滚涂或刷涂方式，在红砂岩表面涂装2-3道，涂层干膜总厚度50μm-80μm。
20.本发明中纳米氧化硅、纳米氧化锆、纳米氧化石墨烯成片状和层状分散于丙烯酸树脂基体中，提高了涂层的致密性，有效阻止了水、二氧化碳、微生物等小分子的侵入，纳米
氧化石墨烯具有优异的耐紫外能力，提高了涂层的耐候性能，纳米氧化硅和纳米氧化锆具有很强的化学活性，提高了涂层与红砂岩的粘结强度。同时纳米粒子随丙烯酸树脂深入红砂岩内部后，提高了红砂岩的本体抗崩解能力。以上措施提高红砂岩的抗风化和抗腐蚀能力，粘结强度、耐水性、耐盐雾、耐老化这些这些指标的提高都提高了抗风化能力。
21.有益效果：本发明中纳米氧化硅、纳米氧化锆、纳米氧化石墨烯成片状和层状分散于丙烯酸树脂基体中，提高了涂层的致密性，有效阻止了水、二氧化碳、微生物等小分子的侵入，纳米氧化石墨烯具有优异的耐紫外能力，提高了涂层的耐候性能，纳米氧化硅和纳米氧化锆具有很强的化学活性，提高了涂层与红砂岩的粘结强度。同时纳米粒子随丙烯酸树脂渗入红砂岩内部后，提高了红砂岩的本体抗崩解能力。以上措施提高红砂岩的抗风化和抗腐蚀能力，红砂岩耐崩解能力提高55%以上。
具体实施方式
22.以下实施例中水性丙烯酸树脂为市售羟基含量3.0%-4.2%的水性羟基丙烯酸树脂。
23.实施例1红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料由a组分和b组分组成，成分分别见表1和表2所示。
24.表1：水性丙烯酸树脂为羟基含量3.0%的水性羟基丙烯酸树脂，纳米粒子是纳米氧化硅、纳米氧化锆和纳米氧化石墨烯按质量比3:1:1组成。
25.表2：a组分与b组分的质量比为5:1。
26.在高速分散机中加入去离子水、分散剂、纳米粒子，在转速5000转/分钟条件下分散30分钟，移出，超声空化10分钟，再加入水性丙烯酸树脂、成膜助剂和消泡剂，继续高速分散30分钟，得成品a组分；在分散机中加入b组分六亚甲基二异氰酸酯三聚体、丙二醇甲醚醋酸酯，在转速2000转/分钟条件下分散10分钟；
将a、b组分按比例混合搅匀，采用喷涂、滚涂或刷涂方式，在红砂岩表面涂装2-3道，涂层干膜总厚度50μm-80μm。
27.测试得出红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料性能如表3所示。涂料与红砂岩的粘结强度≥2.0mpa或大于红砂岩表层本体抗拉强度、耐盐雾3000小时无起泡剥落、渗入红砂岩内部后红砂岩耐崩解能力提高59%。
28.表3：红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料性实施例2红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料由a组分和b组分组成如表4和表5所示。
29.表4水性丙烯酸树脂为羟基含量4.2%的水性羟基丙烯酸树脂，
表5a组分与b组分的质量比为4:1。
30.在高速分散机中加入去离子水、分散剂、纳米粒子，在转速5000转/分钟条件下分散30分钟，移出，超声空化10分钟，再加入水性丙烯酸树脂、成膜助剂和消泡剂，继续高速分散30分钟，得成品a组分；在分散机中加入六亚甲基二异氰酸酯三聚体、丙二醇甲醚醋酸酯，在转速2000转/分钟条件下分散10分钟，得成品。
31.将a、b组分按比例混合搅匀，采用喷涂、滚涂或刷涂方式，在红砂岩表面涂装2-3道，涂层干膜总厚度50μm-80μm。测试得到，其与红砂岩的粘结强度≥2.0mpa或大于红砂岩表层本体抗拉强度、耐盐雾3000小时无起泡剥落、渗入红砂岩内部后红砂岩耐崩解能力提高55%。
32.实施例3红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料由a组分和b组分组成如表6和表7所示。
33.表6水性丙烯酸树脂为羟基含量4.2%的水性羟基丙烯酸树脂，表7a组分与b组分的质量比为4:1。
34.在高速分散机中加入去离子水、分散剂、纳米粒子，在转速5000转/分钟条件下分散30分钟，移出，超声空化10分钟，再加入水性丙烯酸树脂、成膜助剂和消泡剂，继续高速分散30分钟，得成品a组分；在分散机中加入六亚甲基二异氰酸酯三聚体、丙二醇甲醚醋酸酯，在转速2000转/分钟条件下分散10分钟，得成品。将a、b组分按比例混合搅匀，采用喷涂、滚涂或刷涂方式，在红砂岩表面涂装2-3道，涂层干膜总厚度50μm-80μm。测试得到，其与红砂岩的粘结强度≥2.0mpa或大于红砂岩表层本体抗拉强度、耐盐雾1000小时无起泡剥落、耐盐雾1500小时有鼓泡、渗入红砂岩内部后红砂岩耐崩解能力提高26%。
35.实施例4（无纳米粒子）红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料由a组分和b组分组成如表8和表9所示。
36.表8
水性丙烯酸树脂为羟基含量4.2%的水性羟基丙烯酸树脂，表9a组分与b组分的质量比为4:1在高速分散机中加入去离子水、分散剂、水性丙烯酸树脂、成膜助剂和消泡剂，高速分散30分钟，得成品a组分；在分散机中加入六亚甲基二异氰酸酯三聚体、丙二醇甲醚醋酸酯，在转速2000转/分钟条件下分散10分钟，得成品。将a、b组分按比例混合搅匀，采用喷涂、滚涂或刷涂方式，在红砂岩表面涂装2-3道，涂层干膜总厚度50μm-80μm。测试得到，其与红砂岩的粘结强度0.6mpa、耐盐雾1000小时起泡、渗入红砂岩内部后红砂岩耐崩解能力提高11%。
37.实施例5本实施例与实施例3除了纳米粒子成分不同，其他均相同，本实施例中，纳米粒子为：纳米氧化硅2.25份纳米氧化锆0.75份。
38.所得涂料与红砂岩的粘结强度≥2.0mpa或大于红砂岩表层本体抗拉强度、耐盐雾1500小时无起泡剥落、耐盐雾2000小时有鼓泡、渗入红砂岩内部后红砂岩耐崩解能力提高33%。
39.实施例6本实施例与实施例3除了纳米粒子成分不同，其他均相同，本对比例中，纳米粒子为：纳米氧化锆2.25份纳米氧化石墨烯0.75份。
40.所得涂料与红砂岩的粘结强度≥2.0mpa或大于红砂岩表层本体抗拉强度、耐盐雾1500小时无起泡剥落、耐盐雾2000小时有鼓泡、渗入红砂岩内部后红砂岩耐崩解能力提高37%。
41.实施例7本实施例与实施例3除了纳米粒子成分不同，其他均相同，本对比例中，纳米粒子为：纳米氧化硅 2.25份纳米氧化石墨烯0.75份。
42.所得涂料与红砂岩的粘结强度≥2.0mpa或大于红砂岩表层本体抗拉强度、耐盐雾1500小时无起泡剥落、耐盐雾2000小时有鼓泡、渗入红砂岩内部后红砂岩耐崩解能力提高36%。
43.综上可见，纳米氧化硅、纳米氧化锆、纳米氧化石墨烯成片状和层状分散于丙烯酸树脂基体中，三者协同作用，共同提高涂层的致密性，有效阻止了水、二氧化碳、微生物等小分子的侵入，纳米氧化石墨烯具有优异的耐紫外能力，提高了涂层的耐候性能，纳米氧化硅
和纳米氧化锆具有很强的化学活性，提高了涂层与红砂岩的粘结强度。同时纳米粒子随丙烯酸树脂深入红砂岩内部后，提高了红砂岩的本体抗崩解能力。以上措施提高红砂岩的抗风化和抗腐蚀能力。
技术特征：
1.一种红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料，其特征在于，所述涂料由a组分与b组分按质量比4:1-5:1组合而成，其中a组分由以下质量份的各物质组成：水性丙烯酸树脂60-90份，去离子水10-15份，成膜助剂3-9份，纳米粒子 1-3份，消泡剂0.05-0.2份，分散剂0.2-0.6份；b组分由以下质量份的各物质组成:六亚甲基二异氰酸酯三聚体70-90份，丙二醇甲醚醋酸酯10-30份。2.根据权利要求1所述的一种红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料，其特征在于，所述纳米粒子为纳米氧化硅、纳米氧化锆和纳米氧化石墨烯，纳米粒子中三种纳米粒子按如下质量份组成：纳米氧化硅20-60份，纳米氧化锆20-60份，纳米氧化石墨烯20-60份。3.根据权利要求1所述的一种红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料，其特征在于，所述消泡剂为甲基硅油。4.根据权利要求1所述的一种红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料，其特征在于，所述分散剂为硅烷类偶联剂。5.根据权利要求1所述的一种红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料，其特征在于，所述成膜助剂为乙二醇丁醚和二乙二醇丁醚中的至少一种。6.根据权利要求1所述的一种红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料，其特征在于，所述水性丙烯酸树脂为羟基含量3.0%-4.2%的水性羟基丙烯酸树脂。7.根据权利要求2所述的一种红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料，其特征在于，所述纳米粒子中纳米氧化硅：纳米氧化锆：纳米氧化石墨烯的质量比为3:1:1组成。8.权利要求1所述红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料的制备方法，其特征在于，在高速分散机中加入去离子水、分散剂、纳米粒子，在转速4000~6000转/分钟条件下分散20~40分钟，移出，超声空化5~15分钟，再加入水性丙烯酸树脂、成膜助剂和消泡剂，继续高速分散30分钟，得成品a组分；然后在分散机中加入b组分六亚甲基二异氰酸酯三聚体、丙二醇甲醚醋酸酯，在转速1000~3000转/分钟条件下分散5~15分钟，得成品。9.权利要求1所述红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料在水利工程红砂岩防风化防腐蚀中的应用。10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，采用喷涂、滚涂或刷涂方式，在红砂岩表面涂装2-3道，涂层干膜总厚度50μm-80μm。
技术总结
本发明公开了一种红砂岩防风化防腐蚀保护纳米涂料，所述涂料由A组分与B组分按质量比4:1-5:1组合而成，其中A组分由以下质量份的各物质组成：水性丙烯酸树脂60-90份，去离子水10-15份，成膜助剂3-9份，纳米粒子1-3份，消泡剂0.05-0.2份，分散剂0.2-0.6份；B组分由以下质量份的各物质组成:六亚甲基二异氰酸酯三聚体70-90份，丙二醇甲醚醋酸酯10-30份。本发明中纳米氧化硅、纳米氧化锆、纳米氧化石墨烯成片状和层状分散于丙烯酸树脂基体中，提高了涂层的致密性，有效阻止了水、二氧化碳、微生物等小分子的侵入，提高了红砂岩的抗风化和抗腐蚀能力。能力。
