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鑫鼎言关于桥梁钢结构防腐涂层体系设计研究
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鑫鼎言关于桥梁钢结构防腐涂层体系设计研究

鑫鼎言关于桥梁钢结构防腐涂层体系设计研究


    鑫鼎言关于桥梁钢结构防腐涂层体系设计研究
详细信息

鑫鼎言关于桥梁钢结构防腐涂层体系设计研究    

 



   

鑫鼎言防腐涂料:根据钢结构所处的腐蚀环境、涂装部位和预期使用寿命设计相应的涂层配套体系,是现代桥梁钢结构防腐涂层体系设计的基本原则。本文介绍了桥梁钢结构所处的腐蚀环境,JT/T722-2008标准对桥梁钢结构涂装部位和防腐年限的有关界定,不同腐蚀环境下桥梁钢结构防腐寿命和漆膜厚度的关系,以及长效型防腐涂层配套体系。论述了高性能防腐涂料在现代桥梁钢结构中的应用状况:底漆通常采用环氧富锌底漆、醇溶型无机富锌底漆、热喷铝/锌涂层和水性无机富锌底漆等,中间漆通常采用环氧云铁中间漆,耐候面漆普遍采用丙烯酸聚氨酯面漆和FEVE氟碳面漆。
 

 桥梁钢结构防腐涂层体系设计研究

    关键词:桥梁钢结构;防腐;钢结构防腐;桥梁防腐;涂层体系;设计
 
    1 前言
 
    近年来,随着大规模基础设施建设的发展,我国建设了一系列大型桥梁,如苏通长江公路大桥、舟山西堠门大桥、江苏润扬长江大桥、南京大胜关大桥、武汉天兴洲大桥、杭州湾跨海大桥、青岛海湾大桥等。这些大型桥梁的建设对防腐涂装技术提出了更高的要求,也为桥梁防腐涂装技术的发展提供了实践基础。
 
    为了规范桥梁防腐涂装,相关部门和单位制订了一系列标准和规范,如2004年修订了铁道行业标准TB/T1527-2004《铁路钢桥保护涂装》──该标准首次将氟碳涂料引入桥梁领域;2008年制订了交通行业标准JT/T722-2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》──该标准借鉴了ISO12944防腐涂层设计理念,归纳总结了现代化桥梁防腐涂装的最新成果,涂层材料的设计达到国际先进水平。而桥梁混凝土结构和悬索桥主缆防腐系统交通行业标准,即JT/T694-2007《悬索桥主缆系统防腐涂装技术条件》和JT/T695-2007《混凝土桥梁结构表面涂层防腐涂装技术条件》于2007年首次制订,它们有力地推动了桥梁防腐技术的发展。
 
    2 桥梁钢结构防腐涂层体系设计
 
    2.1 基本设计原则
 
    桥梁钢结构防腐涂层体系设计基本原则是:根据钢结构所处的腐蚀环境、涂装部位和预期使用寿命设计相应的涂层配套体系。涂层体系设计中还要考虑经济性,即不仅考虑首次涂装的经济性,而且考虑桥梁结构全寿命防腐周期的经济性,同时要考虑维修涂装给环境和桥梁运行造成的不利影响。
 
    2.1.1 腐蚀环境
 
    绝大部分桥梁钢结构处于大气区。钢铁的大气区腐蚀行为主要是电化学腐蚀,腐蚀过程发生在金属表面水分薄膜中(这层水分薄膜非常薄,以至于肉眼可能看不到它的存在)。导致钢铁腐蚀速率增加的因素包括:(1)相对湿度的增加;(2)冷凝的发生(当表面温度小于或等于露点);(3)大气污染的增加,即腐蚀性污染物与钢发生作用并且在表面形成沉积物。
 
    某个特定地区的大气温度和湿度取决于该地区的主要气候。考虑腐蚀因素时,除了关注该地区的气候特征外,还应关注钢结构所处的局部环境和微环境。局部环境是指一个结构的组成部件周围的大气条件,微环境是指在一个结构的组成部件和它周围交界的环境。明确的微环境的例子有桥梁的内侧(尤其在水上),室内游泳池的房顶和建筑物的阴阳面。
 
    腐蚀环境的分类见JT/T722-2008的附录A(等效采用ISO12944-2:1998)。目前,桥梁涂层设计主要参考其中的定性描述(典型环境实例),并且所考虑的腐蚀环境类型高于一般的定量测试结果。
 
    2.1.2 涂装部位
 
    一个结构组成部分所处位置也会影响腐蚀。当结构暴露于户外时,如雨水、日照和以气体或气溶胶形式存在的污染物等气候因素都影响腐蚀。在结构内部,虽然通风差、湿度高或冷凝引起的局部高腐蚀速率可能发生,但大气污染物的作用降低了。
 
    JT/T722-2008标准将桥梁钢结构涂装部位分为7类:(1)外表面;(2)非封闭环境内表面;(3)封闭环境内表面;(4)钢桥面;(5)干湿交替区和水下区;(6)防滑摩擦面;(7)附属钢构件,包括防撞护栏、扶手护栏及底座、灯座、泄水管、钢路缘石等。其中,外表面的典型结构为钢箱梁外壁,除了防腐性能设计满足要求外,要考虑面涂层的耐候性。非封闭环境内表面(如风嘴部位)主要考虑防腐蚀要求,不一定采用耐候面漆。钢桁架梁主结构分类较复杂,但主体上类似于结构外表面,也有非封闭环境内表面的特征,涂层体系设计上一般采用与钢结构外表面相同的体系。封闭环境内表面的典型部位为钢箱梁内壁,如果配置除湿系统,腐蚀环境大大降低(相当于C2腐蚀环境)。没有除湿系统的,腐蚀环境较恶劣,但一般会等同或略低于结构外表面的腐蚀情况。干湿交替区和水下区的代表结构有钢管桩,腐蚀环境特别恶劣,尤其是在海洋腐蚀环境下。
 
    2.1.3 防腐寿命
 
    (1)ISO12944对涂层体系耐久性(防腐寿命)的解释。耐久性是指某防护涂层体系从涂装后到第一次大修时的预期时间。一旦涂层腐蚀达到ISO4628.3定义的Ri3级(锈蚀面积1%,见图1),则通常需要第1次大修。基于此前提条件,ISO12944将涂层配套体系规定的耐久性分为以下3个范围:(a)低(L),2~5年;(b)中(M),5~15年;(c)高(H),15年以上。

 图1 钢结构锈蚀等级为Ri3级时的照片

图1 钢结构锈蚀等级为Ri3级时的照片

 
    涂层保护体系的耐久性取决于多种因素,例如涂层体系类型、钢结构设计、涂装前基体状态、表面处理质量、施工标准、施工条件和施工后的暴露条件等。
 
    耐久性范围不是“保证时间”。耐久性是为业主制定维修程序时提供技术上的参考。保证时间属于合同条款,不在ISO12944标准考虑的范围,二者之间没有联系规则。保证时间通常比耐久性要短。
 
    (2)JT/T722-2008对涂层体系防腐寿命的界定。标准JT/T722规定,在涂层体系保护年限内,涂层95%以上区域的锈蚀等级不大于ISO4628规定的Ri2级(锈蚀面积0.5%,见图2),无气泡、剥落和开裂现象。界定防腐年限要明确涂层体系使用寿命的定义,否则界定的防腐寿命类型将失去意义。由于结构原因或施工难以完全避免的因素,钢结构的小部分区域(不大于5%)可能会在使用寿命终结前出现较大程度的劣化。因此,标准考虑的主体为大部分区域,规定钢结构95%的区域达到ISO4628-3规定的Ri2级。

 图2 钢结构锈蚀等级为Ri2级时的照片

图2 钢结构锈蚀等级为Ri2级时的照片

 
    涂层体系按保护年限分为2类,即普通型(10~15年)和长效型(15~25年)。
 
    随着高性能富锌底漆,热喷锌、喷铝技术,高性能氟碳面漆和聚硅氧烷面漆的出现以及涂装工艺技术的发展,市场对桥梁涂层防腐设计寿命趋向于更高的要求,可达20~25年。实际上,现代化大型桥梁防腐涂装设计均按照长效型涂层体系设计。实践中,许多桥梁的防腐涂层设计寿命已达到25年。现代桥梁高性能防腐涂层体系经过1~2次大的维修涂装,可以达到30~50年的寿命。但是有些涂料供应商采取了不负责任的态度,鼓吹涂层体系防腐年限可达30~50年,甚至提出与桥梁同寿命的防腐概念。这一方面是纯粹的概念性炒作,另一方面是把重新涂装作为防腐寿命的定义,而不是把第一次大修作为防腐寿命的定义。
 
   2.2 涂层配套体系设计
 
    涂层配套体系设计一般包括涂层配套体系的选择和涂层厚度(含涂装道数)的设计。现代化桥梁钢结构主体一般采用底–中–面配套的长寿命防腐涂层体系,底涂层选用具有电化学保护功能的涂层(包括富锌底漆和热喷金属涂层),中间涂层选用环氧云铁中间漆,面涂层选用高性能耐候面漆(包括丙烯酸聚氨酯面漆和FEVE氟碳面漆)。在涂层配套体系选定的情况下,涂层厚度与涂层防腐年限呈正相关。单纯选用好的涂层材料而涂层厚度不够,防腐年限不可能达到要求。
 
    JT/T722标准给出了在相应腐蚀环境下的涂层配套及厚度设计值,并指出用于高腐蚀等级的涂层方案也可用于较低的腐蚀等级,并可适当降低厚度值。厚度的设计还可参考ISO12944-5。表1给出了腐蚀环境、防腐寿命和漆膜厚度的关系。
 
    涂层厚度设计时,有2点需要说明:
 
    (1)富锌底漆的厚度问题。我国桥梁钢结构富锌底漆的厚度一般在80或75μm,按照2007版ISO12944标准,富锌底漆的厚度设计值范围为40~80μm,因此,对桥梁钢结构富锌底漆厚度设计值并非越高越好,特别是对一些中等以下的腐蚀环境,可适当降低富锌层的设计厚度。降低的富锌层厚度可用中间层厚度弥补,这样设计符合国家节能减排的产业政策。
 
    (2)每道涂层厚度。每道涂层膜厚大,施工效率高。但是涂膜过厚时,增大了涂层出现针孔等缺陷的危险,并且导致涂层内应力增大。在ISO12944-5的设计原则中,为达到同样的防腐年限,多道涂层总干膜厚度的设计值要远低于道数少的涂层。如C5-M环境下的环氧–聚氨酯体系,2道400μm只能达到中等防腐年限;

 表1 腐蚀环境、防腐寿命和漆膜厚度的关系

表1 腐蚀环境、防腐寿命和漆膜厚度的关系

 
    而4~5道总干膜厚度320μm,可达到长寿命体系,3道体系涂膜厚度达到500μm,才能达到长寿命体系。
    对于桥梁富锌底漆,目前大多采用1道涂装方式,但2道涂装也是可以接受的。中间漆采用厚浆型的,当涂膜厚度小于100μm时,可一道涂装;大于100μm,可采用1道或2道涂装。但是涂层厚度达到150μm时,采用2道涂装更好。涂层涂装道数的选择还与涂料自身的工艺性能有一定关系。面漆一般为两道涂装:工厂涂装1道,现场涂装1道。如果是现场维修或重涂涂装,可以采用高固体分耐候面漆,1道完成。
 
    表2是JT/T722标准给出的钢结构外表面长寿命防腐涂层体系,适用于大部分钢梁主体结构。氟碳面涂层设计为2道氟碳涂层,主要是考虑到第1道面漆和第2道面漆承担不同的功能。
 
    (1)第1道面涂层采用丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆或过渡氟碳树脂漆,以保证涂层体系更好地匹配,并具有更好的附着力和重涂性;而第2道氟碳面涂层在配方设计中主要考虑耐候性、自洁性和装饰性。
 
    (2)采用过渡的丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆,每平方米可节约4~8元,节省社会资源;而高性能氟碳面漆粉化减薄速度为0.5μm/年,30~40μm的面涂层足以保证25年的保护寿命。
 
    (3)日本《钢质公路桥梁涂装便览》和《铁路桥涂装及防腐蚀便览》以及日本在桥梁领域20多年的涂装实践,均将氟碳面涂层设计为氟碳中涂和氟碳面涂。

 表2 钢结构外表面长寿命防腐涂层体系

表2 桥梁钢结构外表面涂层配套体系(长效型)

 
   3 桥梁用高性能防腐涂料
    3.1 底漆
 
    现代化桥梁钢结构主体基本上采用属电化学保护类型的底涂层,如富锌底涂层和热喷涂金属底涂层。富锌底涂层分为环氧富锌底漆和无机富锌底漆,而无机富锌底漆又分为醇溶型无机富锌底漆和水性无机富锌底漆。电化学保护类底涂层依靠电化学保护机理保护钢铁基材,避免锈蚀发生。
 
    这几类电化学保护底涂层的特点比较如下:
 
    (1)环氧富锌涂料对表面处理及施工环境的要求相对宽松,涂料涂层的力学性能好,具有良好的电化学保护性能,但湿度高不适用,高温高湿和低温高湿环境更不适用。
 
    (2)醇溶型无机富锌涂料与水性无机富锌涂料对表面处理、施工环境要求较高,在严格控制施工质量的前提下,可获得比环氧富锌更好的防腐性能,同时具有优良的耐介质腐蚀性能和耐温性能。醇溶型无机富锌底漆需要在较高湿度(≥60%)下、较长时间(1~3d)内完成固化;水性无机富锌涂料对表面处理要求极高,清洁度需达到Sa3级,湿度较高的涂装环境对涂膜固化不利。
 
    (3)热喷金属涂层电化学保护性能优异,与长效型涂层体系配套构成最长效的防腐体系。但热喷金属涂层对表面处理的要求严格,并且热喷金属涂层还存在环境污染、职业危害和高耗能等弊端,不符合节能减排的大趋势。同时,金属热喷涂复合涂层的性能很大一部分还取决于封闭涂层及配套涂层的性能及施工工艺,而配套和施工不到位引起的涂料涂层早期失效的现象时有发生。
 
    上述4类底漆在现代化桥梁建设中均有使用。目前,铁路桥梁基本上采用环氧富锌底漆,如武汉天兴洲大桥、南京大胜关大桥等,只有少量采用水性无机富锌底漆。对于公路桥梁,环氧富锌底漆、醇溶型无机富锌底漆及热喷金属涂层均有采用,也有少量采用水性无机富锌底漆。
 
    对于富锌涂料有以下几点说明:
 
    (1)无机富锌涂料由于孔隙度大,直接喷涂厚浆型环氧云铁中间漆容易产生针孔等涂层缺陷,所以一般要采用过渡型封闭底漆。
 
    (2)经典的醇溶型无机富锌底漆施工后,漆膜干燥很快,表观上漆膜已经固化,但是涂膜的完全固化需要在相对湿度大于60%的环境下,养护1~3d才能完成。
 
    (3)干膜中锌粉含量和干膜中金属锌含量的区别。干膜中锌粉含量是配方设计值,是锌粉含量与涂料所有成膜组分质量的比值;不挥发分中金属锌含量是试验值,是指配方中单质金属锌与涂料不挥发分的比值。不挥发分中金属锌含量与锌粉的纯度和实验误差有关。通常情况下,环氧富锌涂料干膜中锌粉含量大于80%时,干膜中金属锌含量才能达到70%。
 
    (4)鳞片状富锌底漆的锌粉含量要求。采用鳞片状锌粉制备的富锌底漆比一般纯球型锌粉制备的富锌底漆锌粉含量要低,一般规定:纯鳞片状锌粉的不挥发分中金属锌含量≥40%,球/片结合型的不挥发分中金属锌含量≥60%。虽然鳞片状富锌底漆锌粉含量大大降低,但漆膜的电流导通性大大加强(漆膜表面电阻率≤1×105)。这是由于涂膜中鳞片状锌粉的面接触代替了球状锌粉的点接触所致,过高的鳞片状锌粉含量反而使片状锌粉难以平行搭接,孔隙度增大,防腐性能下降。
 
    除了电化学保护底漆外,还有一类钝化缓蚀型底漆。铁路桥上普遍采用醇酸红丹防锈底漆,但由于红丹防锈漆对人体有极大的危害,在欧美已被禁用。我国2009年制订的《石油和化工产业结构调整指导意见》中明确指出,要加快淘汰红丹防锈漆。为适应环保和职业健康要求,JT/T722推荐了环保型的钝化缓蚀型环氧磷酸锌防腐底漆。
 
    3.2 中间漆
 
    目前,桥梁用中间涂层基本上都是环氧云铁中间漆。片状云母氧化铁延长了腐蚀介质的渗透路径,提高了涂层的屏蔽效果,并且片状结构填料吸收内应力,增强了涂层的力学性能。与成膜环氧树脂优异的力学性能和防腐性能相匹配形成的环氧云铁中间漆,是目前最常用的长效型防腐涂层体系中间涂层。市场上的环氧云铁中间漆有几个类型:按涂装厚度可分为薄涂型和厚涂型,薄涂型一道40~60μm,厚涂型一道100~150μm;按云铁灰的加入量和制备工艺可分为两大类,一类以云铁灰为主要填料,复配少量的铝粉、硫酸钡等填料搅拌而成;另一类是选择其他颜填料研磨至规定细度后,再加入云铁灰搅拌而成。环氧云铁的质量与固化剂的品质,云铁灰、铝粉的含量和片状结构以及颜填料的分散性有关。
 
    3.3 面漆
 
    当前国内桥梁钢结构主体工程基本上采用高耐候性面漆。由于氯化橡胶在生产过程中污染环境,国外已逐步淘汰。虽然丙烯酸面漆单组分施工方便,但固体含量低、VOC含量高,不符合国家环保政策导向。上述两种涂料在现代桥梁钢结构防腐中很少使用。现代化桥梁面漆主要采用丙烯酸聚氨酯面漆,但国内桥梁逐步采用耐候性更加突出的FEVE氟碳面漆代替丙烯酸聚氨酯面漆。大型铁路桥梁的主体结构基本上采用氟碳涂层,有少部分采用灰铝粉石墨醇酸面漆。而大型公路桥梁氟碳漆也占到接近一半的市场份额,并有扩大的趋势。国内也有少部分公路桥梁采用耐候性同样突出、更加环保的聚硅氧烷面漆。虽然氟碳面漆的应用在逐步扩大,但并不是说丙烯酸聚氨酯涂料已经过时,质量优良的丙烯酸聚氨酯涂料也可以维持15年甚至20年以上的使用寿命,国外有很多这样的实例。实际上,欧美国家还在普遍采用丙烯酸聚氨酯涂料。
 
    常温固化FEVE氟碳涂料用树脂是由三氟氯乙烯或四氟乙烯与乙烯基醚或乙烯基酯单体共聚而成,并复配带羟基和羧基的乙烯基功能单体。按照单体共聚的类型,目前国内市场化的FEVE产品包括3类:三氟氯乙烯–醋酸乙烯酯共聚物、四氟乙烯–乙烯基醚共聚物、三氟氯乙烯–乙烯基醚共聚物。目前,由于价格问题和市场竞争的不规范,导致三氟氯乙烯–醋酸乙烯酯类型用量最大,四氟乙烯–乙烯基醚也有一定的市场,三氟氯乙烯–乙烯基醚的用量较少。
 
    工程聚硅氧烷涂料采用有机改性聚硅氧烷树脂作为成膜物,结构上的显著特点是有机–无机混接杂化,有机硅成分最少在50%以上,最好的达到70%。以有机硅成分为主体保证其耐候性,拼入一定的丙烯酸或环氧改性树脂以提高其成膜性能和力学性能。工程聚硅氧烷涂料分为环氧聚硅氧烷和丙烯酸聚硅氧烷两大类。聚硅氧烷涂料为外资企业所垄断,在桥梁领域有少量应用,它的最大优势是环保,但是施工环境、施工工艺条件对其涂膜质量的影响较大,使其使用受到一定的限制。
 
    几类耐候面漆的综合性能比较见表3。

 表3 几类耐候面漆的综合性能比较

几类耐候面漆的综合性能比较

 
    乙烯基醚型FEVE氟碳树脂具有最优异的耐候性能,丙烯酸聚硅氧烷的耐候性与醋酸乙烯酯型FEVE的耐候性相当,而环氧聚硅氧烷的耐候性稍微差一些,但也明显好于丙烯酸聚氨酯面漆。从防腐蚀性能上考察,环氧聚硅氧烷和乙烯基醚型FEVE树脂最优,而丙烯酸聚硅氧烷和醋酸乙烯酯型FEVE要稍弱一些。
 
    从施工工艺性能上,丙烯酸聚氨酯最优,聚硅氧烷涂料对施工环境的敏感性较高。聚硅氧烷涂料最大的施工优点是厚膜施工,但现代化桥梁一般需要2道施工;因此,它在这方面的施工优越性无法体现。从环保性能方面考虑,聚硅氧烷涂料以高的体积固含量、不含异氰酸酯固化剂而具有明显的环保优势。
 
    4 结语
 
    鑫鼎言防腐涂料建议桥梁防腐涂层体系设计可按照标准JT/T722-2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》的规定进行。涂层设计的核心思想是分析构件所处的腐蚀环境、涂装部位和预期防腐年限来设计涂层配套体系。JT/T722已经给出了比较全面的涂层配套体系,涂层厚度的设计还可参照ISO12944-5。
 
    现代化桥梁长效防腐涂层体系均采用高性能防腐涂层体系。底涂层普遍采用电化学类保护底涂层,包括环氧富锌底漆、醇溶型无机富锌底漆、热喷铝/锌涂层和水性无机富锌底漆等。各类底漆各有自身特点,可根据施工工艺和施工环境条件作出选择;中间漆普遍采用环氧云铁中间漆;耐候面漆中普遍采用丙烯酸聚氨酯面漆和FEVE氟碳面漆。
 
    关于桥梁钢结构防腐涂层体系设计问题可以致电鑫鼎言防腐涂料研究中心咨询探讨。

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