氟碳面漆在橋梁建造中的應(yīng)用

李敏風(fēng)，韓利世

（1.中國涂料工業(yè)協(xié)會專家委員會，北京　100079；2.河南省國益防腐有限公司，河南 新鄉(xiāng)　453000）

氟碳涂料是橋梁制造行業(yè)中的三大高性能面漆之一。自2005年7月我國頒布了HG/T 3792-2005《交聯(lián)型氟樹脂涂料》標(biāo)準(zhǔn)后，氟碳面漆在青島海灣大橋、南京大勝關(guān)大橋、杭州灣大橋、港珠澳大橋、龍江特大橋等橋梁的建造中均有應(yīng)用。其中，中遠(yuǎn)關(guān)西涂料公司從2005年南通通州世紀(jì)橋開始到在建的虎門二橋，一共施工了19座橋，均采用高性能的氟碳面漆(見表1)，對氟碳面漆在橋梁建造中的應(yīng)用起到了表率作用。

表1　中遠(yuǎn)關(guān)西涂料化工有限公司承建的氟碳面漆大橋案例Table 1　Some bridge construction cases using fluorocarbon topcoats from Kansai Paint & Chemicals Co., Ltd.

最近開始施工的北京長安街大橋和新疆頭屯河大橋的鋼箱梁(＞4.5萬t)中，外側(cè)的設(shè)計(jì)也指定采用2道氟碳面漆。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，氟碳面漆是橋梁行業(yè)中應(yīng)用最多的面漆(見表2)。

表2　我國橋梁用涂料品種和配套比例Table 2　Types of coating materials applied to bridges and their proportions in China

近幾年來，我國的橋梁紛紛進(jìn)入大修，各大設(shè)計(jì)院在制定大修方案時(shí)，也將氟碳面漆作為主要配套面漆(見表3)。

表3　幾座橋梁的大修參數(shù)Table 3　Parameters for overhaul of several bridges

綜上可知，氟碳面漆在橋梁中的應(yīng)用正迅速增長。但在施工過程中，若忽視涂裝技術(shù)，就很容易發(fā)生氟碳涂料、涂層的質(zhì)量事故。本文就氟碳涂料的涂裝技術(shù)提出一些建議，供同行參考。

1　提高氟碳面漆的性能

1.1　氟碳面漆的基本性能和環(huán)保弱點(diǎn)

在氟碳聚合物中，氟原子取代了氫原子并形成F─C鍵。F─C鍵的鍵能高(460.2 kJ/mol)，包圍在碳鏈外形成緊密的保護(hù)層，使材料不易受到來自外界的侵襲，因此氟碳面漆具有優(yōu)異的保光、保色、耐候、耐熱、耐腐蝕、耐化學(xué)品、耐沾污、耐摩擦等性能，在低溫下也可以固化。重防腐涂裝大多采用FEVE(氟烯烴-乙烯基醚共聚物)為主要成膜物質(zhì)，市售氟碳樹脂則常以氟乙烯或三氟乙烯為主要成分。

日本的大金、旭硝子等都有較好的氟碳樹脂，國內(nèi)的三愛富、東氟、華夏神州等都有生產(chǎn)高檔的氟碳樹脂，供全國重防腐涂料廠選擇。

但氟碳面漆有幾個(gè)環(huán)保上的弱點(diǎn)：一是VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)較高，常規(guī)氟碳面漆在施工狀態(tài)下的VOC多數(shù)高于420 g/L(此時(shí)需被征收4%消費(fèi)稅)；二是一些廠家的2道氟碳面漆涂裝間隔允許時(shí)間較短，一旦超過規(guī)定的涂裝間隔時(shí)間，需要打磨一次后再涂裝，這就增加了成本。當(dāng)然目前大多數(shù)廠家已做到了無涂裝間隔的要求(見表4)；三是氟碳面漆固化劑中含有毒的異氰酸酯。因此涂料廠家需要繼續(xù)努力以提高氟碳涂料的環(huán)保性能。

表4　幾種氟碳面漆的涂裝間隔時(shí)間Table 4　Interval time for spraying some fluorocarbon topcoats

1.2　提高氟碳面漆的節(jié)能性和環(huán)保性的相關(guān)設(shè)計(jì)

我國重防腐涂料技術(shù)必須遵循環(huán)保、節(jié)能的理念，實(shí)現(xiàn)良性發(fā)展。筆者認(rèn)為，可采用全壽命周期費(fèi)用分析法(LCCA)的理念對涂料涂裝進(jìn)行全面的成本分析和評估，它可以糾正某些橋梁涂裝工程一次性投資低而全壽命支出高的問題。充分利用LCCA進(jìn)行設(shè)計(jì)，有利于延長涂層的維修周期，以及提高涂層的服役年限，這對于材料、人工和能源而言是最大的節(jié)約，也最環(huán)保。

1.2.1規(guī)范設(shè)計(jì)

近年來，隨著ISO 12944：2008的修訂，特別是GB/T 30790-2014《色漆和清漆 防護(hù)涂料體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)》制訂后，涂裝質(zhì)量管理規(guī)范有了顯著改進(jìn)。關(guān)于VOC排放和節(jié)能環(huán)保的政策也相繼出臺，在重防腐涂裝行業(yè)中發(fā)揮了積極的作用，有力地促進(jìn)了涂裝水平的提高。

在涂層保護(hù)年限上，GB/T 30790-2014標(biāo)準(zhǔn)的第1部分對涂料耐久性(即使用壽命)給出了明確定義，即“防護(hù)涂料體系從涂裝完工后到第一次主要維護(hù)涂裝前的預(yù)期使用期限”，并將涂料的耐久性劃分為低(2 ～ 5 a)、中(5 ～ 15 a)、高(＞15 a)3類。如今大型工程的設(shè)計(jì)單位對涂層防腐年限的規(guī)定中已不允許出現(xiàn)“大于30年”或“大于50年”的字樣了。失效評估則根據(jù)ISO 4628中的規(guī)定，當(dāng)涂層銹蝕程度為Ri3級，即銹蝕面積達(dá)到1%時(shí)，就要進(jìn)行第一次大修。也就是說，涂層的使用壽命既不是結(jié)構(gòu)的壽命，也不是涂料制造商對涂料質(zhì)量的商業(yè)保證期，只是涂料配套設(shè)計(jì)中的一個(gè)技術(shù)考慮，承建者必須遵照LCCA的原理，對工程的“全壽命”負(fù)責(zé)，合理設(shè)計(jì)涂層配套，避免“短期行為”帶來的損失。

1.2.2氟碳面漆的膜厚設(shè)計(jì)

氟碳面漆價(jià)格昂貴，因此在保證涂料性能符合要求的前提下，應(yīng)合理設(shè)計(jì)膜厚，盡量降低成本。一般2道氟碳面漆總厚80 μm就已經(jīng)是過厚了。從表1可見，中遠(yuǎn)關(guān)西涂料公司的橋梁面漆已從2005年時(shí)的55 μm上升到目前的80 μm，提高了22%，這不利于節(jié)能環(huán)保。

1.2.3橋梁面漆的品種設(shè)計(jì)

從表2可見，中遠(yuǎn)關(guān)西在2012年馬鞍山長江大橋上采用的面漆配套是聚氨酯面漆+氟碳面漆。近期剛完工的云南龍江特大橋是寶騰高速公路上的一座單跨雙塔鋼箱梁懸索橋，該橋工程技術(shù)含量高，景觀功能強(qiáng)，在行業(yè)中首屈一指。該橋由中鐵寶橋公司建造，其中的鋼箱梁外側(cè)涂層配套由中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，江蘇大正承擔(dān)涂裝施工，采用重慶阿麗斯科關(guān)西涂料產(chǎn)品，具體見表5。

表5　云南龍江特大橋的鋼箱梁外側(cè)涂層配套Table 5　Coating system for the outside of steel box girder on Yunnan Longjiang Grand Bridge

該工程已通車1年多，涂層狀況良好。這種配套方案有以下4個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

(1) 聚氨酯面漆不僅與氟碳面漆間有良好的附著力，而且沒有最大涂裝間隔時(shí)間限制，避免了5年造橋時(shí)間帶來的涂裝間隔麻煩。

(2) 聚氨酯面漆價(jià)格低廉，節(jié)能、環(huán)保。

(3) 能夠很好地適應(yīng)寶雞橋梁廠的涂裝流水線工藝流程。

(4) 按ISO 12944-5、JT/T 722-2008《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，上述配套在C4、C5高腐蝕環(huán)境下的防腐壽命超過15 a。

1.2.4配套設(shè)計(jì)方案中，底、中面漆必須是同家產(chǎn)品

杭州灣大橋在2006年興修時(shí)，對大橋扶欄設(shè)計(jì)了赤、橙、黃、綠、青、紫、藍(lán)7種顏色，分南岸和北岸兩種配套方案，由4家涂料商負(fù)責(zé)涂裝施工(見表6)。在施工過程中，4家涂料商負(fù)責(zé)各自的產(chǎn)品，互不聯(lián)系，結(jié)果未形成系統(tǒng)的涂裝工藝，涂裝質(zhì)量極差，原定50 a的涂層壽命，到2011年就不得不進(jìn)行大修，教訓(xùn)極為深刻。

表6　杭州灣大橋扶欄涂層配套方案Table 6　Coating system for guardrails of Hangzhou Bay Bridge

2　氟碳面漆的涂裝應(yīng)逐步規(guī)范化

2.1　涂裝的涵義

我國重防腐涂料的研發(fā)水平并不落后，但在涂裝技術(shù)和涂裝管理方面與國際先進(jìn)水平存在很大的差距。“三分涂料，七分涂裝”的觀念已逐漸在行業(yè)中形成共識，防腐涂裝工程越來越受重視。通常論及的“涂裝”主要包含3個(gè)方面。

(1) 涂裝材料：主要包括由重防腐底(中)漆和高耐候性面漆配套構(gòu)成的防護(hù)體系，以及由電弧噴鋅(鋁)、陰極保護(hù)材料等構(gòu)成的重防腐材料層與高耐候性面漆配套構(gòu)成的防護(hù)體系。

(2) 系統(tǒng)的涂裝工藝工程：不僅僅是涂裝過程中工藝技術(shù)參數(shù)的控制過程，而是對與底材處理和防護(hù)層的形成密切相關(guān)的所有影響要素進(jìn)行全面控制的過程。

(3) 過程管理(人、機(jī)、料、法、環(huán)、測)：涉及膜厚質(zhì)量管理、耗漆量管理、涂裝技術(shù)、工藝條件管理等等，是節(jié)能環(huán)保的關(guān)鍵。

2.2　建立正確的涂裝工藝流程

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造前，業(yè)主一般會召集設(shè)計(jì)、監(jiān)理、總包、涂裝分包及涂裝專家，組織對整個(gè)涂裝工藝和施工的評價(jià)會議，逐步形成規(guī)范的涂裝工藝流程(見圖1)。

圖1　橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝工藝流程Figure 1　Process flow of spraying the steel structures of a bridge

在重防腐制造中，涂裝是關(guān)鍵工藝，它貫穿整個(gè)制造過程。必須依據(jù)業(yè)主和設(shè)計(jì)規(guī)定的配套方案，涂料公司提供的產(chǎn)品施工性能，制造工廠涂裝流水線的實(shí)際情況，等等，設(shè)計(jì)切實(shí)可行的涂裝工藝流程，這是保證涂層質(zhì)量的關(guān)鍵。

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的常規(guī)涂裝流程中，預(yù)涂裝和第二道氟碳面漆的噴涂時(shí)間往往會被忽視。然而，不認(rèn)真預(yù)涂，或施工第二道氟碳面漆時(shí)超過了最大涂裝間隔時(shí)間，都會導(dǎo)致涂層早期腐蝕和脫落。如建造港珠澳大橋時(shí)出于環(huán)保的目的，將兩道面漆的噴涂改在車間內(nèi)進(jìn)行，雖然重視了兩道氟碳面漆的涂裝間隔，但忽視了預(yù)涂裝的重要性，導(dǎo)致部分工段不得不返工回修，教訓(xùn)深刻。

2.3　逐步提高氟碳涂料的涂裝施工性能

近幾年來，國內(nèi)外涂料廠家都十分重視涂料施工性能的提高，但這方面國外明顯占優(yōu)，這也是近幾年來重防腐涂料被國外品牌占領(lǐng)的主要原因之一。他們的說明書中，除了對氟碳涂料的樹脂類型和規(guī)定膜厚作了詳細(xì)說明外，還會對每種涂料的表面處理要求、體積固含量、推薦干膜厚度、混合使用期、表干時(shí)間、復(fù)涂間隔、環(huán)境條件要求、無氣噴涂施工指標(biāo)、涂層角隅結(jié)構(gòu)的覆蓋率等給出詳細(xì)的說明，幾乎可稱為涂裝施工說明書?，F(xiàn)以SIGMA DUR 2800為例加以介紹。

2.3.1混合與稀釋

不同廠家的氟碳面漆產(chǎn)品在混合和稀釋方面的參數(shù)不同。雙組分氟碳面漆必須采用風(fēng)動(dòng)攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?，只使用專用稀釋?1-88，添加量為0% ～ 5%，具體依施工條件和膜厚要求而定。稀釋劑必須在面漆成分混合后添加，稀釋劑過量會導(dǎo)致氟碳面漆的抗流掛性能降低，固化緩慢。超過混合使用期(20 °C下5 h)的氟碳面漆必須丟棄。一些大型施工單位為節(jié)省成本，會采購其他稀釋劑來代替專用稀釋劑，如此不僅適得其反，甚至嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能。

2.3.2無氣噴漆技術(shù)條件

除預(yù)涂采用刷涂之外，其余必須用無氣噴漆法(具體參數(shù)見表7)，無氣噴涂是提高施工效率、優(yōu)良率，以及降低成本的有效措施。

表7　常規(guī)氟碳面漆無氣噴涂的條件Table 7　Conditions of airless spraying for common fluorocarbon topcoats

2.3.3推薦底材狀況及環(huán)境溫度

氟碳面漆的前期涂層(環(huán)氧或聚氨酯漆)應(yīng)干燥且無任何污物，并需要對其進(jìn)行拉毛處理至一定的粗糙度；底材無水或冰；施工和固化溫度允許低至-5 °C；底材溫度必須比露點(diǎn)溫度高3 °C。

在涂層施工和涂層固化期間的相對濕度最大應(yīng)為85%；涂層不可過早接觸雨水或出現(xiàn)表面結(jié)露，以免影響氟碳面漆的顏色和光澤。

2.4　增派技術(shù)服務(wù)人員，提高技術(shù)服務(wù)人員的素質(zhì)

這是保證涂料施工性能的關(guān)鍵。除了堅(jiān)持在施工現(xiàn)場外，他們還必須協(xié)調(diào)好與設(shè)計(jì)、業(yè)主、總包、涂裝分包的關(guān)系，保證工程進(jìn)度和涂裝質(zhì)量。

3　涂裝人才隊(duì)伍建設(shè)

在我國重防腐涂料與涂裝技術(shù)的發(fā)展歷程中，往往重視涂料，忽視涂裝，造成目前涂料制造人才濟(jì)濟(jì)，而涂裝技術(shù)人才貧乏。涂裝高級工程師以上的技術(shù)人員明顯斷層，以至于國內(nèi)從設(shè)計(jì)院到鋼結(jié)構(gòu)廠，再到二級以上涂裝工程公司，都無法正常開展涂層配套和涂裝工藝設(shè)計(jì)。這很難與我國的先進(jìn)工程技術(shù)相匹配，嚴(yán)重影響了工程質(zhì)量與安全。因此，培養(yǎng)涂裝技術(shù)人才和提高涂裝技術(shù)水平勢在必行，可以借鑒國外涂裝技術(shù)人員需通過NACE和FROSIO之類的等級考試后持證上崗的方法。

4　結(jié)語

氟碳面漆是我國應(yīng)用最多的高性能面漆。從涂料廠到涂裝施工單位，均應(yīng)將提高氟碳面漆的涂裝性能放在第一位。延長氟碳面漆的使用壽命，是最大的節(jié)能與環(huán)保。而培養(yǎng)涂裝技術(shù)人才刻不容緩。