氟樹脂涂料在鋼箱梁防腐修復(fù)上的應(yīng)用

汪 鋒 王震宇

(1.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司，江蘇 靖江 214500;2.中涂化工(上海)有限公司，上海 200063)

1 概述

1.1 問(wèn)題的提出

鋼結(jié)構(gòu)橋梁在中國(guó)的大量使用距今已有近15年以上的歷史，我國(guó)最早的一批鋼結(jié)構(gòu)橋梁代表有虎門大橋、西陵大橋、楊浦大橋、江陰大橋。當(dāng)時(shí)，這些橋梁的鋼結(jié)構(gòu)防腐多采用聚氨酯的防腐配套體系，按照通常的概念，這樣的配套體系在設(shè)計(jì)當(dāng)初，可以滿足15年左右的防腐年限要求。實(shí)際的涂料防腐壽命不僅和涂裝材料、配套體系有關(guān)，同時(shí)和我國(guó)的氣候環(huán)境、空氣污染程度、橋梁的使用頻率等方面的因素有關(guān)。所以，這些早期的橋梁，首次維修期均沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，如:上海楊浦大橋，1993年建成通車，鋼結(jié)構(gòu)迭合梁斜拉橋，2007年進(jìn)行防腐重涂改造;徐浦大橋，1997年建成通車，從2006年開始，防腐涂裝就開始維修;宜昌長(zhǎng)江公路大橋，雙塔單跨960 m鋼箱梁懸索橋，2001年建成通車，2007年開始防腐涂裝改造。

江陰大橋位于長(zhǎng)江三角洲地段的中部，是黑龍江省同江至海南省三亞國(guó)道主干線以及北京至上海國(guó)道主干線的跨江工程，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中占有比較重要的地位。主橋系懸索橋結(jié)構(gòu)，主跨鋼箱梁跨徑為1 385 m，橋塔為門式鋼筋混凝土塔柱，柱高為193 m，中設(shè)橫梁三道。大橋1994年開工建設(shè)，1999年10月建成通車。

經(jīng)過(guò)9年多的運(yùn)營(yíng)和管理，江陰大橋促進(jìn)了當(dāng)?shù)啬酥粮浇》莸慕?jīng)濟(jì)建設(shè)，但是在日常的橋梁養(yǎng)護(hù)和檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鋼箱梁涂層中出現(xiàn)大量點(diǎn)狀銹蝕，且發(fā)展較快，其中嚴(yán)重的腐蝕深度達(dá)2 mm～3 mm(見圖1)。為保證鋼箱梁結(jié)構(gòu)的耐久性和美觀，有必要對(duì)鋼箱梁進(jìn)行防護(hù)涂裝。

圖1 鋼箱梁銹蝕圖

1.2 鋼箱梁腐蝕分析

要提高鋼結(jié)構(gòu)的耐久性，就必須在防腐方面進(jìn)行充分的對(duì)策考慮，基于這點(diǎn)，就需要首先了解鋼結(jié)構(gòu)橋梁的腐蝕特點(diǎn)。

江蘇江陰市，地處我國(guó)北亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，日照充足，雨量豐沛，加之江陰長(zhǎng)江公路大橋地處長(zhǎng)江之上，濕度更大。

江陰市地處我國(guó)較為富裕的長(zhǎng)三角地帶，工業(yè)發(fā)達(dá)，大氣污染狀況嚴(yán)重，根據(jù)2011年無(wú)錫市環(huán)保局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2011年，江陰市的酸雨頻率為40.7%。這樣的酸雨對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕非常嚴(yán)重。

同時(shí)，江陰長(zhǎng)江公路大橋日均通車量約60 000輛，是我國(guó)比較繁忙的長(zhǎng)江大橋，這樣的車流量導(dǎo)致橋上車輛尾氣集中，大量通行的車輛集中排放尾氣，導(dǎo)致橋面的二氧化硫的含量急劇升高，在高濕度的氣候條件下，這些二氧化硫吸附在鋼鐵表面，形成硫酸亞鐵，這樣的弱酸性環(huán)境，加劇了腐蝕的發(fā)生。

綜上所述，江陰長(zhǎng)江公路大橋處于C4級(jí)偏重腐蝕環(huán)境。

2 氟樹脂涂料及其防腐性能

2.1 氟樹脂涂料及應(yīng)用

氟樹脂涂料自發(fā)明以來(lái)，在防腐方面得到了廣泛的推廣和運(yùn)用，近20年來(lái)，在日本的新干線項(xiàng)目、阪神高速公路、東京灣工程、本四聯(lián)絡(luò)橋工程等都普遍采用該體系替代原有的聚氨酯配套體系，氟樹脂涂料優(yōu)越的防腐性能得到了充分體現(xiàn)。

日本早期使用聚氨酯配套體系或氯化橡膠配套體系的橋梁分別在1985年～1988年之間采用氟樹脂涂料進(jìn)行維修改造，在2007年進(jìn)行的跟蹤回訪，實(shí)際情況證明，經(jīng)過(guò)了約20年的時(shí)間，這些橋梁的防腐體系依然完好無(wú)損。

2.2 氟樹脂涂料在鋼結(jié)構(gòu)表面防腐性能

氟樹脂涂料的優(yōu)異性能來(lái)自于氟樹脂中分子結(jié)構(gòu)的氟原子，它和碳原子之間形成的C—F鍵極短、鍵能高，因此分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，可以滿足長(zhǎng)效防腐的要求。由于碳—氟原子是由比紫外線能量大的鍵合強(qiáng)度連接，所以不易受陽(yáng)光中紫外線照射而斷裂，因此耐紫外線性能優(yōu)異。另外在其分子鏈中，每一個(gè)C—C鍵都被螺旋式的三維列氟原子緊緊包圍，這種結(jié)構(gòu)能保護(hù)其免受紫外線、熱和其他化學(xué)物質(zhì)的侵害，因此透氧性極小，所以能很好地防止底材銹蝕。

在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，氟樹脂涂料的優(yōu)異性能還體現(xiàn)在:

1)保光保色性好;

2)自潔功能。由于漆膜光滑、結(jié)構(gòu)致密，因此涂層表面不利于污漬的附著，即使有少量的油性物質(zhì)，也比其他涂料更容易擦洗干凈。

在美國(guó)的加利福尼亞光照最強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)地，針對(duì)4種表面涂裝材料延續(xù)進(jìn)行了6 000 h的試驗(yàn)，從如圖2所示的曲線上可以看出，氟碳樹脂涂料的抗紫外線能力是普通聚氨酯涂料的3倍～4倍。

因此，氟樹脂涂料是一種非常優(yōu)異的新型防腐材料。

一種涂料的應(yīng)用，除了大量的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)以外，還需要具體的實(shí)際比較，圖3是幾種面漆涂料在實(shí)際氣候條件下，經(jīng)過(guò)15年暴曬后的實(shí)際表現(xiàn)情況，在膠帶上沾染的涂料越少，說(shuō)明該涂料漆膜完整，沒(méi)有出現(xiàn)粉化脫落等狀況。

圖2 涂料耐紫外線對(duì)比試驗(yàn)

圖3 15年暴曬后漆膜狀況

3 江陰大橋主橋鋼箱梁銹蝕分析及設(shè)計(jì)

運(yùn)營(yíng)中的江陰大橋長(zhǎng)期暴露于各種天氣中，處于中等偏重的大氣及化學(xué)腐蝕環(huán)境。周邊的工廠、民用設(shè)施排放的廢氣、過(guò)往的船只排放的廢氣等含有硫磷等污染物質(zhì)，而且大橋處于江面之上，鋼箱梁長(zhǎng)期處于濕度較高環(huán)境，這些都會(huì)影響橋梁的安全及其使用壽命。

綜合上述分析，決定在江陰長(zhǎng)江公路大橋鋼箱梁防腐改造上，使用氟樹脂涂層替代原有的聚氨酯涂層。

3.1 設(shè)計(jì)要求

江陰大橋原有防腐配套體系為80 μm醇溶性無(wú)機(jī)富鋅底漆+15 μm環(huán)氧封閉漆+(80×2)μm環(huán)氧云鐵中間漆+30 μm丙烯酸聚氨酯面漆+25 μm丙烯酸聚氨酯面漆。

3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

江陰大橋鋼箱梁位于江面上，風(fēng)大維修不易，應(yīng)選擇性能優(yōu)異的涂料產(chǎn)品，最大限度的減少在重新涂裝后的維修頻率。

3.3 防腐設(shè)計(jì)

鑒于以上分析，決定使用氟樹脂涂料作為維修的替代原聚氨酯涂層的新防腐面漆層，具體新的配套體系如下:

1)原配套體系完好部分的修補(bǔ)配套如表1所示。

表1 原配套體系完好部分的修補(bǔ)配套表

2)原配套涂層中出現(xiàn)嚴(yán)重劣化，銹蝕等涂層缺陷，并暴露出母材的部位的改造配套如表2所示。

4 江陰大橋鋼箱梁維修施工工藝

對(duì)于維修施工，噴砂的表面處理方式?jīng)]有辦法實(shí)現(xiàn)，但是表面的粗糙度和清潔度仍是重要的問(wèn)題，否則嚴(yán)重影響涂料的附著力和維修效果。

表面處理，采用動(dòng)力磨具，對(duì)原有聚氨酯涂層表面進(jìn)行整體拉毛處理，如局部出現(xiàn)銹蝕到底材的情況，需要徹底打磨到底材，表面處理級(jí)別需要達(dá)到St2.5的水平，并增大打磨面積兩倍;如遇銹蝕坑洞低于底材表面，需徹底打磨，需要將銹坑中的鐵銹完全除盡;去除表面局部的油污和其他污染物，用專用清潔劑，稀釋劑進(jìn)行低壓噴洗或刷洗;全部的表面處理完成后，用高壓淡水槍沖洗掉所有殘余物，檢查表面的pH值，pH值必須低于9;干燥后經(jīng)檢驗(yàn)合格后才進(jìn)行噴漆。

表2 改造配套表

4.1 表面處理

對(duì)原有的聚氨酯涂層進(jìn)行拉毛處理，徹底清除粉化層，并對(duì)原配套體系的中間漆涂層進(jìn)行附著力測(cè)試，確保改造后的涂層完整，并有良好的附著力，拉毛采用電動(dòng)碗型鋼絲刷，徹底處理后，用高壓淡水沖洗，確保表面無(wú)污染。

對(duì)點(diǎn)銹造成的坑洞需要電動(dòng)砂輪機(jī)徹底打磨，深至母材，并根據(jù)銹蝕坑洞的大小，擴(kuò)大打磨的面積，使用環(huán)氧富鋅，從底漆開始修補(bǔ)，確保新涂層整體膜厚不低于300 μm。

4.2 涂裝施工

1)環(huán)氧富鋅底漆的涂裝。

即針對(duì)已經(jīng)銹蝕到母材的部分，底涂層涂裝。富鋅底漆施工時(shí)，使用短羊毛刷，施工方法與大面積鋼結(jié)構(gòu)的預(yù)涂施工類似，注意控制膜厚，需要徹底涂布均勻，無(wú)流掛，龜裂，漏涂等表面施工缺陷。

2)環(huán)氧中間漆的涂裝。

中間層漆施工時(shí)要求在油漆混合的使用期內(nèi)進(jìn)行涂裝，同時(shí)注意和前道油漆的涂裝間隔期，該涂層的目的在于增加涂層的整體強(qiáng)度并為新涂層提供良好的聯(lián)結(jié)附著力，因此膜厚的控制也很重要。

3)氟碳面漆的涂裝。

面漆涂層是最后的涂層，除了注意膜厚，防止漏涂，控制施工環(huán)境等因素外，在全部施工完成后，需要進(jìn)行附著力試驗(yàn)，測(cè)試整個(gè)新的涂層在江陰大橋鋼箱梁外表面的整體附著力，確保新涂層發(fā)揮效果。

經(jīng)測(cè)試，完工后的整體漆膜采用拉開法測(cè)試附著力，均在8.5 MPa以上，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的5 MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

江陰大橋主橋鋼箱梁防腐處理是國(guó)內(nèi)橋梁維護(hù)過(guò)程中首次大面積使用氟樹脂配套體系修補(bǔ)聚氨酯防腐體系的典例，方案的設(shè)計(jì)和施工方法基本上都是遵從最新的防腐設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合了江陰大橋?qū)嶋H的防腐環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后優(yōu)化而成，代表了當(dāng)今世界上最先進(jìn)的防腐理念和涂料發(fā)展技術(shù)，在未來(lái)投入使用的幾十年內(nèi)，我們將對(duì)該涂層的使用狀況進(jìn)行監(jiān)控，確保涂料的防腐性能最大程度的發(fā)揮。

［1］楊卓如.氟樹脂涂料及其應(yīng)用［J］.合成材料老化與應(yīng)用，2003(3):10-12.

［2］潘文艷.氟樹脂涂料耐腐蝕及耐老化性能［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2004(3):41-43.