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化工学报|一种抑制隧道排水管道中结晶体形成的双层阻垢疏水涂层

发布时间：2025-08-15

一种抑制隧道排水管道中结晶体形成的双层阻垢疏水涂层

胡家玮王聪刘美婧

（兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州 730050）

DOI：10.11949/0438-1157.20241325

引言

在隧道建设与运维中，结晶堵塞是导致衬砌开裂、漏水等问题的主要原因之一，这严重影响了工程安全^[1]。结晶堵塞的诱因较为复杂，既有结晶物内部组分的因素，也有排水管中溶液特性、环境因素、工程因素等^[2]。当前，学者们已经针对隧道结晶问题进行了初步的研究。例如，于清浩^[3]通过建立实验模型对防排水系统的堵塞情况进行了预测，探讨了不同位置排水管的流速、流量和沉积情况等因素对结晶堵塞的影响。Hyuksang等^[4]提出，结晶堵塞问题可能是水中成垢离子导致的。田崇明等^[5]从结晶体生成和沉积堵塞的角度分析了隧道排水系统堵塞的成因，发现排水系统的结晶堵塞主要与地下水类型、工程因素、喷射混凝土的种类以及排水管内溶液的离子成分密切相关。

传统隧道排水管道阻垢方法存在成本高、时间消耗大、环境污染、难以长期维持和阻垢效果不佳等问题^[6-9]。如聚氨酯^[10]、硅橡胶和环氧树脂^[11]虽然具备防腐、耐磨和耐高温等优点，但仍存在一些不足之处，包括性能单一，无法有效解决结晶堵塞问题，以及易于腐蚀和结垢。这些缺点限制了其在实际应用中的效果，亟需开发更加多样化和高性能的材料，以提高其耐用性和适应性，从而更好地应对复杂的环境条件和挑战。

为解决这些问题，应探索经济、高效、环保的新技术，以有效降低成本、提升效率，减少对环境的影响，同时实现对管道的长期有效维护，确保其畅通无阻。近年来，疏水类材料^[12]在管道中的应用逐渐受到关注，有研究表明，疏水材料所形成的疏水基面，能在一定程度上缓解碳酸钙结晶体的附着^[13]。Huang等^[14]指出，增强材料的疏水性可以有效减少石膏结垢，这为研发以抑制碳酸钙为主要结晶体的疏水材料提供了理论基础。Wen等^[15]通过在低速水流的圆柱体中进行实验，得出在隧道中应用疏水材料可减少水流对管道的冲刷和侵蚀，有助于提高隧道运行安全性，为疏水材料引入隧道排水管道中提供了理论依据。Saji^[16]将疏水二氧化硅纳米颗粒喷涂在塑料基板上，基板表面均表现出超疏水性，因此可以考虑将疏水材料引入隧道排水高密度聚乙烯(HDPE)管内部，来减少结晶的附着。也有研究表明，引入具有缓释阻垢性能的材料能在抑制碳酸钙形成方面持续释放70 d以上，且具有持续阻垢的能力^[17]。其中，氨基磺酸作为一种强酸性物质，在工业清洗和水处理领域发挥着重要作用，其卓越的清洗效果使其备受青睐^[18]；EDTA在水处理和工业清洗中能够与金属离子形成稳定的络合物，尤其在控制钙、镁等二价金属离子方面表现出色^[19]；水解聚马来酸酐则因其在提升水处理效率和抑制碳酸盐垢形成方面的能力而备受关注^[20]。并且，有研究指出^[21]，通过添加功能性缓释磷脂膜，改善水性材料的阻隔性能，可以使材料具有优异的缓释和防垢性能，提高其功能性。目前，关于混凝土基面疏水和阻垢性能的研究已经取得了丰富的成果。例如，沪宁高速公路和沈阳至大连高速公路的隧道工程中，通过应用疏水材料有效减少了水分对结构的侵蚀，从而保障了交通安全。然而，针对排水管道内部抑制结晶体形成的双层阻垢疏水涂层^[22]的研究相对较少，这一领域仍有很大的探索空间。因此，考虑引入双层阻垢疏水涂层至隧道排水管道中，以抑制结晶体的形成，并利用Ansys fluent软件仿真模拟，根据磨损率判断在流体冲刷下该种材料是否同样具备效果^[23]。与传统的疏水材料相比，双层阻垢疏水涂层通过减少水分和杂质的积聚，可以解决单一材料性能的不足，显著提升管道对结晶体的阻垢性能和耐久性能。这种改进对于应对隧道排水管道内部的结晶堵塞问题至关重要，有助于保障隧道工程的长期稳定运行。

基于以上分析，本文研发了一种新型双层阻垢疏水涂层，旨在解决管道中因结晶堵塞导致的衬砌开裂和漏水问题。该种双层阻垢疏水涂层由两层组成，内层采用疏水涂层防止结晶附着，外层采用阻垢涂层抑制结晶体形成，这为开发一种更高效、环保且经济的隧道结晶控制技术提供了新思路。

1 依托工程概况

本研究的依托工程是甘肃省康略高速公路毛垭山隧道。隧址海拔为1209.5~1846.0 m，属构造剥蚀低中山区地貌；隧道为整体式明洞衬砌和复合式衬砌结合，初期支护和二次衬砌之间铺设排水管道和防水卷材，最大埋深约170 m，全长3180 m。实验样品取自毛垭山隧道LK3+080~+330段，分段长度250 m，埋深50~170 m。

1.1 结晶体成分分析

结晶体呈乳白色，表面光滑（图1）。结晶过程早期黏稠，呈条状或伞面状分布，主要出现在初期支护喷射混凝土排水管内；后期逐渐聚集并硬化，在排水管内部以块状形态堵塞排水管。对现场采集的结晶体样品进行了X射线光电子能谱（EDS）分析，检测结果见表1。

图1 现场取样Fig.1 On-site sampling

表1 结晶体样品元素种类Table 1 Crystal sample element species

使用Apreo S扫描电子显微镜（SEM）对结晶样品进行分析，观察其微观结构，结果如图2所示。图2显示，结晶形貌以不规则方形为主，还包含纺锤形、菱形和球形等，属于典型的方解石晶型。其积聚模式多为块状，且在不同隧道环境中，结晶材料的晶粒构造和积聚模式存在显著差异。

图2 结晶样品扫描电子显微镜照片Fig.2 Scanning electron microscope analysis of crystal sample

使用PANalytical Aeris台式X射线衍射仪对结晶样品进行X射线衍射谱图分析，确定了该样品的主要成分及其含量占比，结果如图3所示，表明其中绝大部分为碳酸盐结晶。

图3 结晶样品X射线衍射谱图分析Fig.3 X-ray diffraction analysis of crystal samples

如图3所示，结晶样品中主要成分是CaCO₃。根据Jong-Hwi等^[24]、Higashitani等^[25]的研究结果，碳酸钙晶体可分为球霰石、文石、方解石，因此需要继续分析样品。结合Nebel等^[26]的研究，文石的XRD衍射谱图会在衍射角为26°和46°时显示主峰峰值点，方解石则在29°时显示主峰峰值点，而图3中的XRD衍射谱图在29°时显示主峰峰值点，在26°和46°处均不显示峰值点，表明本文结晶样品以方解石为主。

结合前述，说明隧道排水管结晶堵塞物质主要是方解石型碳酸钙。

1.2 水样分析

根据现场实测，隧道排水管所在地区为非碳酸盐岩区，地下水属于基岩裂隙水（见表2）。其中，Ca²⁺和Mg²⁺的平均浓度分别为16.46 mg/L和8.67 mg/L，而

的平均浓度高达208 mg/L，这为结晶离子的接触提供了条件。

表2 毛垭山隧道排水管水样分析Table 2 Maoyashan tunnel drainage pipe water sample analysis

2 实验仪器和实验药剂

本实验所用主要实验药剂见表3，主要实验仪器见表4。

表3 实验药剂Table 3 Experimental reagents

表4 实验仪器Table 4 Experimental instruments

3 实验方法

3.1 研发思路

本研究致力于开发一种新型双层阻垢疏水涂层，目标是抑制隧道中以方解石型碳酸钙为主要成分的结晶体的形成。在管道应用中，阻垢外层首先通过化学作用抑制管道内结晶体的形成；当这一层的作用发挥完毕后，疏水内层通过物理作用防止细小结晶体附着于管壁。具体的开发方案包括以下几个步骤（图4）。

图4 双层阻垢疏水材料研发流程Fig.4 Double layer scale and hydrophobic material development flow chart

（1）制备疏水内层

将制备好的疏水内层黏附于管壁，以防止结晶体的附着。同时，观察液滴流经管壁接触面时是否能够带走细小结晶物。

（2）附着阻垢外层

在疏水内层表面附着具有缓释功能的阻垢外层。这一层在与管道中的水接触后，会逐渐释放阻垢剂，并与水中易于结晶的离子发生反应，有效防止碳酸钙类结晶体的形成。

（3）材料测试

最后，将单层和双层阻垢疏水涂层分别附着于管材内壁，并进行静态和动态模拟实验。

这些实验旨在验证双层阻垢疏水涂层在疏水性和阻垢性方面的效果是否达到预期目标，通过这种双层结构，期望实现一种既能有效阻垢又能保持疏水性能的新型管道涂层。

疏水内层具体原理：通过疏水内层表面呈现出对液滴较强的抗湿润性能，使液滴在其表面上几乎不展开，从而减小液滴与涂层表面的接触面积，阻碍液体的渗透，液滴在流动的同时带走管材内壁表面的细小结晶颗粒，即疏水的同时具有自清洁性能（图5）。

图5 疏水内层作用示意图Fig.5 Composite paint inner layer action diagram

阻垢外层具体原理：管道中的结晶体是由于碱性环境中的Ca²⁺和

发生反应生成的。通过选择适宜的阻垢剂，与具有缓释性能的胶材料进行充分混合，与水中的Ca²⁺和

反应，以达到缓慢且长期释放药剂、减少结晶体生成的作用（图6）。

图6 阻垢外层作用示意图Fig.6 Scale inhibition outer layer action diagram

3.2 实验方法

隧道排水管道的管材为HDPE管，内部凹面，这使得在材料研发过程中难以观察。因此，制作规格为30 mm × 60 mm × 5 mm的PE方片，并使用120目（0.12 mm）的砂纸进行打磨，以尽可能模拟实际工程中管材的粗糙度，用于后续研发过程中的实验基板。

3.2.1 疏水内层制备方法

通过增稠增强剂（纳米二氧化硅^[27]）提高材料的密度分布和黏度性能；使用稀释剂（四氢呋喃）调节材料流动性；利用溶剂挥发剂促进材料分散，并在材料成膜后挥发；使用界面活性剂提高材料的润湿性和涂覆性能，并通过与固化剂（有机锡）进行交联反应^[28]，形成耐久且高效的涂层。

（1）材料组分选择实验

①确定溶剂挥发剂。0.1 g的疏水纳米二氧化硅作为基础增稠增强剂，四氢呋喃作为稀释剂，乙醇、异丙醇和甲酸作为提高材料附着性和流动性的溶剂挥发剂。通过观察方片表面的状态以及在光学显微镜下材料颗粒和纹理的分布情况，确定稀释剂与溶剂挥发剂的最佳混合比例。

②确定界面活性剂^[29]。选择钛酸酯偶联剂和硅烷偶联剂作为界面活性剂的备选药剂。是因为这两种药剂可以与纳米二氧化硅表面的羟基反应，形成化学键，从而提高涂层的分散性和附着力，改善无机颗粒与有机聚合物之间的界面相容性，增强涂层的整体性能和稳定性。通过观察PE方片表面的分散情况，确定最佳界面活性剂。

③确定最佳增稠增强剂含量。在确定溶剂挥发剂和界面活性剂后，采用单因素实验法调整纳米二氧化硅的含量，并通过表面观察法和显微镜观察法来确定最佳增稠增强剂的含量。

（2）疏水内层性能检测

检测带有疏水内层材料的PE方片的接触角和滚动角（图7），是否满足接触角在90°~150°，滚动角在0°~30°，以判断是否满足疏水性能。

图7 接触角、滚动角测量过程Fig.7 Contact angle, rolling angle measurement process

3.2.2 阻垢外层制备方法

为抑制结晶体的形成，主要采用具有阻垢性能的功能药剂。这些药剂能够与水样中的Ca²⁺和

发生反应，从而阻止这两种离子结合，防止方解石型碳酸钙结晶体的生成。选择EDTA、氨基磺酸、水解聚马来酸酐、PVP和PEG作为备选阻垢剂，这些药剂的选择依据其特性和效果进行，如EDTA、PVP和PEG能与钙离子络合,防止结晶体生成，氨基磺酸能够预防且去除垢类物质，对生态具有安全性，水解聚马来酸酐不仅稳定且阻垢；选择聚乙烯醇、海藻酸钠和壳聚糖作为胶材料的备选药剂，聚乙烯醇因其优异的黏合性和水溶性而受到青睐，而海藻酸钠和壳聚糖则是天然来源的环保材料。此外，它们均具有良好的强度和耐水性，在胶材料领域被广泛应用。将阻垢溶剂与胶材料混合，保护疏水内层的同时发挥阻垢作用，提高材料的功能性。

（1）阻垢溶剂选择

分别测试氨基磺酸、EDTA^[30]、PEG、PVP和水解聚马来酸酐的阻垢效果，选择阻垢性能较好的几种药剂进行不同比例的混合实验，制备阻垢溶剂。评估每组阻垢溶剂的阻垢性能，并与单独测试的结果进行比较。根据阻垢性能的评估结果，选择具有最佳阻垢性能的阻垢溶剂。

（2）胶材料选择

在水浴锅中95℃加热40 min，将聚乙烯醇与壳聚糖和海藻酸钠以不同比例进行混合，待充分混合后通过拉伸实验计算其断裂伸长率，以确定胶材料的最佳配比。

断裂伸长率是指样品在断裂前的拉伸过程中延展的程度，性能好的胶断裂伸长率一般较高，通常在100%以上。计算断裂伸长率的公式如下：

(1)

式中，断裂长度是胶材料在拉伸测试中断裂时的长度；原始长度是胶材料的初始长度。

3.3 模拟实验

根据实测管道LK3+154中水样成分（放大100倍）配制500 ml模拟实验用水。根据实际工程中的环境进行为期30 d的模拟实验（静态+动态），以研究该双层材料在管道中抑制结晶体形成的效果。

3.3.1 双层阻垢疏水涂层静态模拟实验

双层阻垢疏水涂层的静态模拟实验旨在验证涂层在完全耗损前的有效性，并探讨阻垢外层对疏水内层的影响。实验在确保有足够易结晶离子的环境中进行，以评估涂层是否能达到预期的预防结晶效果。

具体方法为：将双层阻垢疏水涂层附着至PE方片表面（图8）。期间，用红色墨水点涂在已经制备好的疏水内层PE方片表面，如图8(a)所示，该疏水内层已经具备一定的物理涂层性能，并用烘箱进行烘干；之后附着阻垢外层，如图8(b)所示，烘干后固定于模拟管道环境中进行实验。

图8 PE方片附着情况Fig.8 PE square smear situation

通过观察水样中红色墨水的变化情况，以及接触角和滚动角度，判断阻垢外层是否会影响疏水内层的作用效果。

3.3.2 单层静态模拟实验

单层静态模拟实验旨在研究排水管道环境中，所选疏水内层和阻垢外层在完全截留水流中易结晶离子的情况下，是否具有优异的疏水和阻垢性能。

具体方法为：选用壁厚为2 cm、长15 cm的HDPE管。取三组并截开管道横截面的1/4处（便于观察管材内部结晶形成效果），留3/4进行模拟实验，并用硅橡胶（HG/T 3947—2007单包装室温固化硅橡胶）和胶带在两侧进行包封。

1号管材为原始界面；2号管材为附着有疏水内层的界面；3号管材为附着有阻垢外层的界面。向管段内添加500 ml的人工配制实验用水，观察疏水内层和阻垢外层相较于原始管材界面是否具有防结晶性能和阻垢性能。

疏水内层防结晶率和阻垢外层阻垢率计算公式如下：

(2)

(3)

若防结晶率和阻垢率大于70%，则双层涂层的结晶和防垢效果性能优异，可用于后续双层材料的研究。

3.3.3 单层动态模拟实验

（1）装置模拟

动态模拟实验旨在尽可能真实地模拟工程应用条件，简易装置如图9。考虑到已测得的隧道排水管道流速为0.09 m/s和0.12 m/s，并且排水管全程存在较大误差，故选择0.2 m/s作为流速。此流速不仅高于已知数据，覆盖了潜在误差，还能评估管道在较高流速下的排水性能，预防堵塞问题。

图9 动态模拟实验装置Fig.9 Diagram of dynamic simulation experiment device

具体方法如下：将截取好的HDPE管放置于简易装置上，并在管壁上分别附着疏水内层和阻垢外层。经过一段时间的观察，分析管壁附着涂层的粗糙度和厚度变化，评估在水流冲刷作用下，含有疏水内层和阻垢外层管壁的损耗情况。

① 粗糙度测量。使用高精度便携式粗糙度仪检测涂层（疏水内层和阻垢外层）在模拟期内的粗糙度变化，以评估在水流冲刷下，含疏水内层和阻垢外层管材的粗糙度变化。

② 厚度测量。使用PosiTector 200超声波涂层测厚仪检测涂层（疏水内层和阻垢外层）的HDPE管段表面的厚度变化，以评估在水流冲刷下，含疏水内层和阻垢外层管材的损耗情况。

通过检测得到的表面粗糙度和厚度损耗，根据式（4）计算双层阻垢疏水的理论耐久时长（d）值。

(4)

式中，d为理论耐久时长，d。

（2）Ansys fluent软件模拟

根据所依托工程排水管道管材的实际情况，利用Ansys fluent软件仿真模拟一截长度为6 m的ϕ110 mm PE双壁波纹管（图10），其外径为110 mm，壁厚为7 mm。该管材的密度范围在0.91~ 0.96 g/cm³，具备3%的环刚度。在（23±2）℃的条件下，管材和熔接接头的拉伸强度均不低于20 MPa，断裂伸长率至少为350%，纵向回缩率不超过3%，氧化诱导时间在200℃下不少于20 min^[31]。管道的入口流速设定为0.2 m/s，流体由水和DPM颗粒（CaCO₃）组成，其中颗粒的最大直径为65.86 μm，最小直径为16.13 μm，平均直径为20.43 μm。管道（管长6 m×0.00002315 m³/s）的流量为0.0001389 m³/s（流速、流量为实际工程测定，流量、流速可调）。

图10 Ansys fluent管道结构示意图Fig.10 Ansys fluent pipe structural diagram

为评估双层阻垢疏水涂层的实际耐久性，依据实验室静态模拟实验中得到的粗糙度与厚度变化关系，仿真模拟管道在实际环境中的运行变化。图11所示为DPM侵蚀图^[32]，通过分析这些变化，计算管道的原始受损情况，并据此推算出平均磨损率。利用耐久时长计算公式[式(5)]，预测这种涂层在该种粗糙度和厚度情况下能坚持的最大模拟使用时长。

(5)

式中，d为模拟耐久时长，d；S为管道内壁磨损表面积，m²；

为疏水涂层厚度，m；ρ为涂层的密度（疏水内层密度为1.07836 kg/cm³，阻垢外层密度为1.47322 kg/cm³），kg/m³；δ为磨损率，kg/(m²·s)。通过比较理论耐久时长与模拟耐久时长，判断模型的预测误差[式(6)]。一般而言，计算和仿真的误差最大不超过20%，最佳误差一般控制在5%以下。

(6)

图11 DPM侵蚀率Fig.11 DPM erosion rate map

4 结果与讨论

4.1 疏水内层制备实验和结果

4.1.1 材料组分确定

（1）溶剂挥发剂的确定

通过在PE方片表面观察和光学显微镜下（10×/0.25）观察结果可知（表5），第1组四氢呋喃与异丙醇发生混合时，表面疏水效果良好、光学显微镜下物质分散均匀；第2组四氢呋喃与乙醇混合时虽然具有疏水效果，但在光学显微镜下存在物质重叠且分布不均匀的情况；第3组四氢呋喃与甲酸混合时不具有疏水效果。因而选择第1组作为溶剂挥发剂。

表5 溶剂挥发剂筛选Table 5 Solvent volatile screening

在确定溶剂挥发剂为异丙醇后，确定稀释剂与溶剂挥发剂配比，通过表6确定大致范围，可知第1组材料均匀分布；第2组材料同时存在均匀分布和堆积情况；第3组材料堆积现象明显，排除。在1~2组范围内进行精确用量，通过用接触角测量仪CA500测量滚动角大小（表7），得出当四氢呋喃∶异丙醇 = 5∶6时，液滴滚动速度最佳，故选择此用量配比。

表6 筛选稀释剂与溶剂挥发剂配比（一）Table 6 Screening diluent and solvent volatile ratio（Ⅰ）

表7 筛选稀释剂与溶剂挥发剂配比（二）Table 7 Screening diluent and solvent volatile ratio（Ⅱ）

（2）界面活性剂的确定

设置两组平行实验，分别滴加硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂约0.05 ml于两组配制好的混合溶液中，实验结果如表8所示。第1组静置24 h后具备优异疏水性能，并可长期保持；第2组仅在3 h内具有优异的疏水性能，随后疏水性能逐渐衰减，24 h后减弱至完全没有疏水性能。因此，选择硅烷偶联剂为界面活性剂。

表8 筛选界面活性剂Table 8 Screening interface active agent

（3）增稠增强剂用量的确定

如表9所示，通过调整纳米二氧化硅的含量来确定其最佳用量，并结合表面观察法和光学显微镜进行分析。第1组，材料分布均匀且分散，添加的增稠增强剂过少；第2组，材料分布均匀，无明显凹凸纹理；第3~5组，材料重叠和堆积情况依次明显。能够确定当纳米二氧化硅含量为0.1 g时，疏水材料表面物质分散均匀且无黏结现象，没有明显的凹凸纹理，更有利于液滴滚动不停留于接触面，故选择0.1 g的纳米二氧化硅为增稠增强剂含量。

表9 确定最佳纳米填充剂用量Table 9 Determine the optimal nano filler dosage

4.1.2 疏水内层性能检验

在室温下，将0.1 g的纳米二氧化硅添加到5 ml的四氢呋喃和6 ml的异丙醇混合溶液中均匀搅拌5 min，随后添加0.05 ml的硅烷偶联剂并搅拌5 min，加入1 g的RTV-2硅橡胶搅拌10 min后，滴加0.02 ml的固化剂，将混合溶液在室温下搅拌10 min后附着至PE方片表面。静置24 h后，测得接触角为130.563°，滚动角为8.110°（图12），表明疏水内层具有优异的疏水性能。

图12 疏水内层表面接触角的测量Fig.12 Hydrophobic layer detection

4.2 阻垢外层制备实验和结果

4.2.1 阻垢溶剂成分的选择结果

（1）成分确定结果

初期单因素实验结果如图13(a)、(b)，氨基磺酸、水解聚马来酸酐和EDTA的预防结晶效果随着投加量的增加而显著增强；如图13(c)，随着PEG和PVP的投加量增加，其预防结晶效果并未显著改善，因此被排除。

图13 阻垢剂筛选情况Fig.13 Screening of scale inhibitors

（2）响应面法验证结果

①响应面实验设计。依据Box-Behnke实验设计原则，同时结合单因素实验结果，选取对碳酸钙的结晶量影响较大的3个因素：EDTA（A）、水解聚马来酸酐（B）和氨基磺酸（C），各取3个水平分别记为水平-1、0、1，进行因素水平共17个实验点的响应曲面分析实验，并运用数据统计分析软件进行数据分析，进而得到最佳工艺配方（表10、表11）。

表10 三因素水平响应曲面分析实验设计Table 10 Three factor horizontal response surface analysis experimental design

表11 响应曲面优化碳酸钙的结晶量实验设计与结果Table 11 Experimental design and results of response surface optimization for calcium carbonate crystallization

通过对实验数据进行二次回归方程分析，将响应变量与实验变量联系起来。遵循二阶多项式方程，运用Design expert 13数据分析软件对表11实验数据进行多元回归拟合，设EDTA、水解聚马来酸酐、氨基磺酸分别为A、B、C，以碳酸钙的结晶量为响应值进行多元回归拟合，得到如下二次多项回归方程：

(7)

以碳酸钙的结晶量为响应值进行多元回归拟合，回归模型系数及显著性检验结果见表12。

表12 碳酸钙的结晶量模型及回归系数的回归分析结果Table 12 The results of regression analysis of calcium carbonate crystal volume model and regression coefficient

注：P ＜ 0.0001为极显著，用**表示，P ＜ 0.05为显著，用*表示，P ＞ 0.05为不显著，用ns表示；F 值的大小是评价各变量对响应值影响程度的重要指标，F 值越大，表明有关模型分量对响应影响贡献度越高。

进一步对该模型及回归系数进行回归分析，从表12可以看出该回归模型P ＜ 0.0001（极显著），其失拟项 P = 0.5716 > 0.05（不显著），说明模型拟合程度良好，可以对回归方程相应的回归值进行预测，同时模型回归系数R² = 0.9884，调节后的R² = 0.9735，表明97.35%的数据可用该模型解释，说明方程可靠性较高。

显著性检验概率P < 0.05时，揭示了该变量对响应值影响显著，具有数理统计意义。通过分析相关数据可以看出，一次项EDTA、水解聚马来酸酐、氨基磺酸对碳酸钙的结晶量均具有极显著影响（P< 0.0001），分析各因素的主效应关系为：C > A > B，即氨基磺酸 >EDTA > 水解聚马来酸酐。其二次项交互作用AC 对碳酸钙的结晶量具有极显著的影响（P < 0.05），AB、BC 对碳酸钙的结晶量的影响不显著（P > 0.05）。

失拟项的P 值不显著，说明方程拟合程度较好。预测值R²为0.9884，调整R²为0.9735，差值小于0.2，说明实际值与预测值具有较高的相关性，如图14所示。

图14 阻垢效果实际值与预测值关系Fig.14 Relationship between actual value and predicted value of scale inhibition effect

②各因素的交互作用。EDTA（A）、水解聚马来酸酐（B）、氨基磺酸（C）对碳酸钙的结晶量的影响如图15所示。

图15 各因素的3D曲面图和等高线图Fig.15 3D surface and contour maps for each factor

如图15(a)所示，AB交互曲面中，碳酸钙的结晶量的变化坡度随EDTA、水解聚马来酸酐的增加呈先降低后增加的趋势。仅考虑二者交互作用的条件下，当EDTA为3.75~4.00 ml、水解聚马来酸酐在2.75~3.00 ml范围内时，碳酸钙的结晶量达到最小值，且碳酸钙的结晶量随EDTA的变化坡度大于水解聚马来酸酐，说明EDTA对碳酸钙的结晶量的影响大于水解聚马来酸酐。曲面图与表12方差分析的结果也是相符合的。

如图15(b)所示，AC交互曲面中，碳酸钙的结晶量的变化坡度随氨基磺酸的增加呈降低的趋势。当氨基磺酸较低时，碳酸钙的结晶量随EDTA的增加呈先降低后平缓的趋势，当氨基磺酸较高时，碳酸钙的结晶量随氨基磺酸的增加呈降低的趋势，说明EDTA和氨基磺酸存在显著的交互作用。仅考虑二者交互作用的条件下，当EDTA为3.75~4.00 ml、氨基磺酸为0.55~0.60 g范围内，碳酸钙的结晶量达到最小值，且碳酸钙的结晶量随氨基磺酸的变化坡度大于EDTA，说明氨基磺酸对碳酸钙的结晶量的影响大于EDTA。曲面图与表12方差分析的结果也是相符合的。

如图15(c)所示，BC交互曲面中，碳酸钙的结晶量的变化坡度随氨基磺酸、水解聚马来酸酐的增加呈降低的趋势。仅考虑二者交互作用的条件下，当水解聚马来酸酐为2.75~3.00 ml、氨基磺酸为0.55~0.60 g范围内，其碳酸钙的结晶量取得最小值，且碳酸钙的结晶量随氨基磺酸的变化坡度大于水解聚马来酸酐，说明氨基磺酸对碳酸钙的结晶量的影响大于水解聚马来酸酐。曲面图与表12方差分析的结果也是相符合的。

③验证实验结果。根据回归方程模型，以碳酸钙的结晶量最小值为优化目标，得到预测的最优条件为：EDTA为4.0 ml、水解聚马来酸酐为3.0 ml、氨基磺酸为0.575 g。根据实验实际条件，将条件修正为EDTA为4.0 ml、水解聚马来酸酐为3.0 ml、氨基磺酸为0.6 g（即体积比为4∶3∶0.3）。在此最优条件下经3次平行实验，得到其碳酸钙的结晶量为（0.0124±0.0014） g，与预测总碳酸钙的结晶量为0.011 g相差在5%范围内，证实了预测值和实验值之间的良好相关性。

4.2.2 胶材料成分的确定

计算聚乙烯醇与壳聚糖和海藻酸钠混合时的断裂伸长率[根据式（1）计算]，发现聚乙烯醇与壳聚糖混合时其断裂伸长率均不超过50%，缺乏具备良好胶性能的可能性，故排除（表13）；与海藻酸钠混合时具有更稳定的相容性和溶解性，不会造成额外的结晶负担，并且断裂伸长率接近100%（表14）。能够发现聚乙烯醇与海藻酸钠在第1~2组范围内存在最优性能，故在此范围内进行更精确的配比筛选（表15），可知当聚乙烯醇∶海藻酸钠=1.0∶0.1时，断裂伸长率最大，即1.0∶0.1为此胶材料的最佳配比。

表13 聚乙烯醇与壳聚糖混合胶材料Table 13 Mixed rubber materials of polyvinyl alcohol and chitosan

表14 聚乙烯醇和海藻酸钠混合胶材料（一）Table 14 Polyvinyl alcohol and sodium alginate mixed rubber material（Ⅰ）

表15 聚乙烯醇和海藻酸钠混合胶材料（二）Table 15 Polyvinyl alcohol and chitosan mixed rubber material（Ⅱ）

因此，胶材料选择海藻酸钠和聚乙烯醇[型号1788，规格100目（0.15 mm）]以1.0∶0.1配制。将筛选好的阻垢溶剂与胶材料进行物理混合改性，得到均匀的黄色黏稠液体，即为制备好的阻垢外层材料。

4.3 模拟实验结果

本研究旨在通过双层阻垢疏水涂层静态模拟实验证明这种形式的涂层具备应用的可行性，后通过单层（静态+动态）实验评估在含有疏水界面管道和阻垢界面管道的预防结晶和耐久性能方面是否优于原始管道。在单层静态实验中，通过精确称量在溶液中易结晶离子完全发生反应时，三种管道中过滤后的垢量，对比分析它们在预防结晶方面的效果。在单层动态模拟实验中，通过特定装置和软件进行仿真模拟，以模拟水流在动态条件下的流动特性。通过这种方法，能够精确测量不同管道界面的粗糙度和厚度变化。这一实验的目的是评估管道材料在长期运行中是否能够保持其耐久性能，从而确认其在实际应用中的可靠性和优势。

4.3.1 双层阻垢疏水涂层静态模拟实验结果

图16所示为第10 d、第20 d和第30 d的模拟情况，此时的PE方片表面疏水涂层已经具备一定的物理涂层性能，能够预防红色墨水侵入，并且在第30 d能够看到有部分疏水内层表露，且没有红色浸染，表明疏水内层与阻垢外层能够分别发挥各自的性能，分步预防结晶体的形成。

图16 测试外层药效发挥时间Fig.16 Test the outer layer for duration of action

随后对PE方片表面疏水内层进行观测，发现疏水内层没有发生脱落现象，检测其接触角为130.518°，滚动角为8.096°（图17）。与4.1.2节中疏水内层检测结果相差甚微，可以得出疏水内层没有受到阻垢外层附着的影响，仍能够稳定发挥疏水效果。

图17 疏水内层接触角、滚动角测量Fig.17 Hydrophobic inner layer contact angle and rolling angle measurement

根据双层静态模拟实验可知，该双层阻垢疏水涂层具有优异的疏水性能和阻垢性能，并且阻垢外层对疏水内层不会产生影响，疏水内层仍能够稳定发挥疏水性能。基于双层静态模拟实验可知，这种双层涂层形式能够发挥一定的效果，因此分别对单层涂层进行后续实验。

4.3.2 单层静态性能测试结果

图18(a)为原始管材内部情况，图18(b)为涂有疏水内层界面的管材内部情况，图18(c)为涂有阻垢外层界面的管材内部情况。

图18 三种不同界面的管材的内部成垢情况Fig.18 Internal scaling of pipes with three different interfaces

通过30 d的静态模拟实验，原始管材结晶现象明显[图18(a)]，过滤时已发现部分结晶体黏附于管壁，滤后结晶垢量明显少于疏水界面和阻垢界面；疏水内层能够有效抑制管材表面结晶物的形成，同时发挥稳定的疏水性能[图18(b)]；涂有阻垢外层界面的管材内部表面仍留有部分阻垢外层[图18(c)]，表明阻垢外层具有缓释性。

通过比较原始管材与两种不同界面管材在结晶量上的差异（表16），判断在实验室模拟条件下，疏水内层的防结晶率以及阻垢外层的阻垢率。

表16 实验室模拟结晶情况Table 16 Laboratory simulation of crystallization

计算结果表明，该双层阻垢疏水涂层的疏水内层防结晶率为82.30%[根据式（2）计算]，阻垢外层阻垢率为93.27%[根据式（3）计算]。含有疏水内层的界面相比于原始界面，结晶量减少了69.88%；而含有阻垢外层的界面在原始界面管道中的结晶量则减少了83.67%。

由此可见，疏水内层有效防止了结晶物在内壁表面的沉积，并具备一定的自清洁性能，使得结晶物更易随水流被带走；而阻垢外层则在防止结晶物形成方面表现突出，显著减少了管道内部的结晶生成。因此，单层静态模拟实验中，两种涂层展现出优异的疏水性能和阻垢性能，可用于后续的实验研究。

4.3.3 单层动态性能测试结果

（1）装置模拟结果

①粗糙度结果。用高精度便携式粗糙度仪测量疏水内层和阻垢外层粗糙度变化（表17、表18）。

表17 涂覆有疏水内层的管壁粗糙度测量（30 d）Table 17 Wall roughness measurement with a hydrophobic inner coating （30 d）

表18 涂覆有阻垢外层的管壁粗糙度测量（30 d）Table 18 Wall roughness measurement with a hydrophobic inner coating （30 d）

如表17所示，原始管材内壁的粗糙度为11.920 μm，而涂有疏水内层的管材内壁粗糙度为7.303 μm。实验数据揭示了管材表面粗糙度随时间的变化趋势：在最初的0~10 d，粗糙度显著下降至6.864 μm，这是由于初始磨损和缺陷填充，提高了表面平滑度；接下来的10~20 d，粗糙度进一步减少至6.707 μm，减小幅度有所减缓，这是由于固化和保护膜的形成，形成了稳定的屏障；最后，在20~30 d，粗糙度保持在相对稳定的6.645 μm水平，表明表面特性趋于稳定，反映了管材在使用过程中性能的增强和耐用性的提升。

如表18所示，原始管材内壁的粗糙度为11.920 μm，涂有阻垢外层的粗糙度为4.214 μm，后经过一段时间变化为4.212 μm，因阻垢外层为胶材料成分，表面较光滑且均匀，不易发生变化，仅考虑在这两种粗糙度下涂层的耐久情况。

②厚度结果。用超声波测量仪测量疏水内层和阻垢外层厚度变化，判断损耗情况（表19、表20）。

表19 涂覆有疏水内层的管壁厚度测量（30 d）Table 19 Wall thickness measurement with a hydrophobic inner coating （30 d）

表20 涂覆有阻垢外层的管壁厚度测量（30 d）Table 20 Wall thickness measurement with scale resistant coating （30 d）

如表19所示，疏水涂层在隧道排水管道中的损耗呈现出先减缓后稳定的趋势，并且30 d的厚度变化率为7.00%。在0~10 d，厚度降至34.21 μm，损耗2.21 μm，占初始厚度的6.07%；10~20 d，厚度降至33.93 μm，损耗减缓至0.28 μm，显示材料稳定性提高；20~30 d，厚度降至33.87 μm，损耗仅为0.06 μm，几乎可以忽略。这表明材料初期损耗较大，但随着时间推移，损耗速度显著减缓，最终趋于稳定。

疏水内层耐久时长d₁根据式（4）计算，为428.47 d。

如表20所示，在30 d的动态模拟实验中，阻垢外层的厚度从0 d的987.30 μm减少至30 d的830.23 μm，显示出材料的损耗，并且30 d的厚度变化率为15.91%。在0~10 d内，材料厚度从987.30 μm降至867.51 μm，减少了119.79 μm，这一显著减少主要是由于活性成分在高浓度和饱和度下的快速释放，以及管道内冲刷作用的影响。随着时间的推移，材料浓度降低，释放速率也逐渐减缓；在10~20 d，材料厚度减少至843.72 μm，减幅为23.79 μm，显示出材料缓释效果的稳定性。这表明材料的释放机制已经转向更稳定的状态，有效成分均匀释放，形成了持续的低浓度环境，有利于维持阻垢效果；在20~30 d，材料厚度降至830.23 μm，相比前一阶段仅减少了13.49 μm，表明活性成分几乎已经完全释放，剩余成分以极慢的速率继续释放，保持了胶材料的稳定性能和管道的防护效果。

阻垢外层耐久时长d₂根据式（4）计算，为188.57 d。根据厚度变化情况，这种双层涂层的耐久时长为

。

（2）Ansys fluent软件模拟结果

Ansys fluent软件模拟疏水内层和阻垢外层结果如表21、表22所示。

表21 Ansys fluent软件模拟疏水内层耐久时长Table 21 Ansys fluent software simulates the duration of coating

表22 Ansys fluent软件模拟阻垢外层耐久时长Table 22 Ansys fluent software simulates the duration of coating

根据模拟结果可知，该种双层阻垢疏水涂层的耐久时长为

d。

误差率根据式（6）计算，为2.87%，低于5%，验证了理论值与模拟值的一致性。通过Ansys fluent仿真模拟，可以预测涂层在不同环境变化下的耐久时长。涂层厚度每增加0.01 mm，阻垢性能可延长3~5 d。具体来说，1.0237 mm厚的涂层（包含0.9873 mm和0.03642 mm两层）能保持617 d的预防结晶作用。这是因为较厚的涂层提供了更强的物理屏障，减缓了污垢和水分子的穿透，为保持附着力和力学性能，涂层厚度需适度控制。但实验室模拟和软件模拟仅考虑的是在一种平均磨损状态下某种粗糙度在一定厚度能坚持的耐久时长，因此，应依据实际工程需求和现场测试来确定最佳涂层厚度，以平衡性能与稳定性。

5 结论

本文基于隧道结晶中以方解石型碳酸钙为主要成分的结晶体，研发了一种新型双层阻垢疏水涂层，旨在解决因隧道排水管道结晶问题所引发的衬砌开裂、漏水等问题。主要结论如下。

（1）疏水内层选择纳米二氧化硅为增稠增强剂、异丙醇为稀释剂、四氢呋喃为溶剂挥发剂、硅烷偶联剂为界面活性剂和RTV-2硅橡胶进行交联，阻垢外层材料选择 EDTA、水解聚马来酸酐和氨基磺酸，由疏水内层和阻垢外层所组成的双层阻垢疏水涂层具有优异的疏水性能和阻垢性能。

（2）经过30 d的单层静态性能测试，均表现出可观的疏水性能和耐久性能，并且防结晶率达到82.30%，阻垢率达到93.27%，具有优异的预防结晶体形成的性能；经过30 d的单层动态性能测试，发现疏水内层能有效改善管壁的高粗糙度，并且随着水流冲刷，粗糙度呈现下降趋势，疏水内层厚度变化率为7.00%，阻垢外层的厚度变化率为15.91%，在一定时期内能够维持粗糙度和厚度的稳定。

（3）通过实验室模拟和Ansys fluent 模拟的方式计算该双层阻垢疏水涂层耐久性能时长分别为617.04 d和634.72 d，误差率为2.87%，具备应用于实际工程的潜力。

双层阻垢疏水涂层在隧道排水管道中的应用具有延长管道寿命和降低维护成本等优势。然而，耐久性、施工难度、环境适应性及缺乏统一技术标准等问题仍然存在，制约了其工程化研究。因此，需要加强对该类涂层的研究与改进，以提高其性能和适用性，满足隧道排水系统对于抑制结晶体形成的需求。

Utility model relates to double - layer anti - scale and hydrophobic coating that inhibits crystal formation in tunnel drainage pipe

HU Jiawei WANG CongLIU Meijing

（School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu, China）

Abstract: This study successfully developed a new double-layer scale-inhibiting hydrophobic coating, the purpose of which is to effectively inhibit the formation of crystals in tunnel drainage pipes. The coating is composed of nano-silica, sulfamic acid, hydrolyzed maleic anhydride and EDTA, and is designed as a hydrophobic inner layer and a scale-resistant outer layer. The function of the hydrophobic inner layer is to prevent the crystallization particles from adhering to the inner wall of the pipe, while the scale inhibition outer layer protects the inner layer and prevents the formation of crystals. Through the static and dynamic simulation experiments in the laboratory, it is found that the anti-crystallization rate of the hydrophobic inner layer is stable over 82%, and the scale inhibition rate of the outer layer is stable over 93%. In the dynamic simulation experiment, the theory predicts that the hydrophobic inner layer can maintain 428.47 d, the scale inhibition outer layer can maintain 188.57 d, and the total of the two can maintain 617.04 d. Through simulation calculations using Ansys fluent software, the results show that the double-layer scale and hydrophobic coating can maintain its performance for up to 634.72 d. The error rate between the verification experiment and the simulation results is 2.87%, it is proved that the simulation model is consistent with the coating performance and can adapt to different flow and velocity conditions, which provides a reference for simulation under various working conditions. This double-layer coating not only realizes the dual functions of hydrophobic and scale inhibition, but also shows excellent durability and slow release performance, which has a remarkable effect on inhibiting the formation of crystals in tunnel drainage pipes, providing an innovative solution for the maintenance of tunnel drainage systems.

Keywords: tunnel drainage system；crystal blockage；scale inhibitor；silica；hydrophobic coating；simulation

通讯作者及第一作者：胡家玮（1982—），男，博士，副教授，hujiawei@lut.edu.cn