前處理清潔度對涂裝維修后涂層附著力的影響

盛恩懷，金志剛，汪開喜，安云岐，李承宇，晁兵,*

（1.安徽省交通控股集團池州高速公路管理中心，安徽 池州 247099；2.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230011；3.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116；4.上海岐海防腐工程技術有限公司，上海 201914）

長期以來，橋梁鋼結構涂裝維修設計依據(jù)“經(jīng)濟合理、長效耐久、施工可行、符合環(huán)保”的原則，本著短期效益兼顧長期效益，達到合理、經(jīng)濟、耐久的目的，積極利用重防腐涂料、低表面處理涂料(帶銹涂料)等新材料、新工藝，重點解決橋梁功能需求，取得了一定的節(jié)能、環(huán)保效果?？赡苷驗榭紤]經(jīng)濟性、施工性與環(huán)保性，基體處理設計中清潔度已普遍降到Sa2級、St2級[1-4]。很多研究已表明底材處理質量對涂裝體系防腐性能與使用壽命的影響占比超過70%[5-7]，加上維修涂裝中其他質量因素的影響，因此不少橋梁鋼結構工程維修不久即面臨再度維修的問題，讓橋梁工程運營維保機構難以接受。另據(jù)調查，我國大型鋼結構橋梁防腐涂裝初次維修時間也比設計壽命大幅提前，如設計的初始維護壽命雖有15 a，但實際只有10 a[8]。鑒于橋梁鋼結構維修涂裝技術現(xiàn)狀及其市場正迅速擴大，工程維修現(xiàn)場因響應綠色環(huán)保政策前處理而主要采用打磨工藝。本文在現(xiàn)有研究成果基礎上，針對不同清潔度等級下涂層的附著力(劃格法及拉開法)及其耐腐蝕能力開展相關對比試驗研究，以期為橋梁鋼結構防腐涂裝維修工程中基體處理的設計提供參考。

1 實驗

1.1 主要原輔材料

環(huán)氧底漆(H)、低表面處理環(huán)氧底漆(D)，工業(yè)純，中遠關西涂料化工(天津)有限公司；異丙醇，化學純，徐州沃德化工有限公司；剛玉砂布、OP120，湖北玉立砂帶集團股份有限公司。

1.2 主要儀器設備

F108-2D/ND17783拉拔儀、F10713222-1劃格器、E125-1噴砂粗糙度比較樣板、456型電子涂層測厚儀，Elcometer；E123A型粗糙度儀，上海從盛涂裝設備有限公司；FQY010鹽霧腐蝕試驗箱，上海瑞穩(wěn)儀器設備廠。

1.3 制樣

1.3.1 標準試板(BZ)

馬口鐵板(0.28 mm × 120 mm × 50 mm)、鋼板(0.8 mm × 150 mm × 70 mm)，符合 GB/T 9271–2008《色漆和清漆 標準試板》的要求(如圖1a和1b所示)，東莞市大來儀器有限公司。

1.3.2 模擬銹蝕試板(MX)

蘸異丙醇清潔標準試板表面的油污，用砂紙打磨除去其表面氧化層，清潔后在鹽霧試驗箱中放置24 h，取出后用純凈水沖洗，去除表面鹽分，晾干后備用(見圖1c和1e)。

1.3.3 涂裝制樣

試板表面清潔除油、砂紙打磨處理后(見圖1d和1f)，按試驗設計及HG/T 3656–1999《鋼結構橋梁漆》的要求涂裝制樣，其中鹽霧試驗試板涂裝2道(下同)，標準環(huán)境下靜置14 d后測試。

圖1 模擬初始基體試板Figure 1 Artificial substrate test specimens in different initial conditions

1.3.4 模擬維修試板(MW)

選擇上述涂裝制樣，用砂紙打磨去掉試板表面局部涂層并露出基體，在鹽霧試驗箱中放置96 h后取出，用純凈水沖洗掉表面鹽分并晾干。按照試驗設計，銹蝕表面用砂紙打磨處理成P St2級或P St3級，粗糙度Rz為8～12 μm，鄰近涂層形成斜面過渡(見圖2)。模擬維修試板打磨合格后，采用3.5%的鹽水涂刷，通過加速銹蝕來制成模擬返銹試板(見圖3)，再按要求涂裝制樣，在標準環(huán)境下靜置14 d后測試。

圖2 模擬維修基體試板(左：鹽霧處理后；右：表面清潔處理后)Figure 2 Artificial substrate test specimens needing repair(Left: after salt spray corrosion; Right: after surface cleaning treatment)

圖3 模擬維修基體返銹試板MW3(左：鹽霧處理后；中：表面清潔處理St3級；右：再度鹽霧處理后)Figure 3 Artificial repaired and re-rusted substrate test specimens MW3(Left: after salt spray treatment; Middle: after St3-level surface cleaning treatment; Right: after salt spray treatment again)

1.4 性能測試

涂層厚度測量按照GB/T 4956–2003《磁性基體上非磁性覆蓋層 覆蓋層厚度測量 磁性法》進行。

附著力測試按照GB/T 9286–1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》或GB/T 5210–2006《色漆和清漆 拉開法附著力試驗》進行。

鹽霧試驗按照GB/T 1771–2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測定》進行，評價參照GB/T 1766–2008《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》。

2 結果與討論

表1為試樣涂層附著力測試結果，其中相對破壞強度是以同類底漆、相同清潔度等級的標準試樣的破壞強度為基準進行測評。

表1 鹽霧試驗不同時間后涂層的附著力測試數(shù)據(jù)Table 1 Adhesion test result of different coating specimens after salt spray corrosion at the same time

2.1 標準環(huán)境下14 d后涂層的附著力

根據(jù)表1，除返銹試樣外，涂裝14 d后涂層試樣的附著力檢測結果均達到現(xiàn)有標準規(guī)范1級或不低于3 MPa的技術要求，其中St3級類試樣均達到0級與4 MPa以上，St2級類試樣達到1級與3 MPa以上，St3級的涂層附著力(劃格法)比St2級的超出1個等級，破壞強度普遍提高了30%以上，個別超過了50%。模擬銹蝕及模擬維修試樣涂層的相對破壞強度在St3級的情況下達到90%以上，St2級時達到80%以上，表明清潔度St3級下可保證涂層獲得更可靠的附著力；而返銹試樣H-MW-3、D-MW-3的附著力下降接近70%，只有2級，沒有達到現(xiàn)有標準規(guī)范的技術要求，屬于不合格。在常規(guī)表面前處理等級下以及返銹試驗中，低表面處理環(huán)氧底漆的附著力略優(yōu)于環(huán)氧底漆，但沒有表現(xiàn)出更優(yōu)的提升效果。

維修試樣附著力試驗表明，St2級下存在的附著牢固的氧化皮、鐵銹、涂層或外來雜質等對涂層附著力造成了明顯的不良影響，而即使前處理達到過St3級，如果表面返銹后不按規(guī)范要求重新清潔處理而野蠻涂裝，涂層附著力將無法滿足涂裝防護的基本要求。

2.2 中性鹽霧試驗后不同清潔度的涂層附著力

2.2.1 144 h鹽霧試驗后的涂層附著力

經(jīng)過144 h中性鹽霧試驗后，所有試樣涂層的附著力都比試驗前大幅下降，只有清潔度St3級(返銹除外)試樣的涂層附著力合格，其余均不合格，其中模擬銹蝕及模擬維修試樣中，St3級類涂層相對破壞強度下降到70%左右，低于環(huán)氧底漆標準試樣的76%，與低表面處理環(huán)氧底漆標準試樣71%相當，而St2級類下降到60%以下。144 h鹽霧試驗后，St3級的涂層附著力(劃格法)比St2級的超出1個等級，破壞強度普遍超出70%，表明采用同樣涂料涂裝的情況下，抵抗腐蝕介質過程中清潔度St3級涂裝試樣的附著力保持能力明顯優(yōu)于St2級的試樣。

H-MW-3和D-MW-3的附著力在144 h鹽霧試驗后下降超過60%，表明基體表面返銹加速了涂層附著力的下降。

2.2.2 240 h鹽霧試驗后的涂層附著力

240 h中性鹽霧試驗后，所有試樣涂層的附著力都比144 h時同類試樣出現(xiàn)了更大幅度的下降。模擬銹蝕及模擬維修試樣中，St3級類的涂層附著力(劃格法)雖然都能達到1級的合格要求，但其相對破壞強度已下降到60%左右，與環(huán)氧底漆標準試樣71%的差距進一步拉大，比低表面處理環(huán)氧底漆標準試樣的67%差；St2級類則下降到40%以下，下降幅度明顯大于St3級試樣，除標準試樣外，St2級試樣涂層附著力均不合格。St3級涂層的破壞強度普遍比St2級超出1倍，而模擬St3級清理后返銹的H-MW-3和D-MW-3試樣的附著力下降了接近90%。

在維修涂裝中，表面清潔度St3級與St2級的區(qū)別見表2。上述試驗結果表明，St2級下殘存的氧化皮、鐵銹等將會引起涂層附著力的快速下降，導致涂層防護體系加速失效。董佳晨等通過測量不同表面預處理的金屬/有機涂層體系的莫特肖特基曲線，研究了不處理、除油、鹽酸侵蝕、鹽水浸蝕等4組不同體系的半導體性質和電容行為，證明了基體表面污染會促進界面電化學腐蝕，削弱有機涂層的防護性能[9]。從表3也可知，僅除去5%氧化皮和除去所有氧化皮時鋼板的腐蝕速率相差近10倍[7]。上述研究成果為橋梁鋼結構涂裝維修前處理設計提供了良好借鑒。

表2 采用手工和動力工具對未涂與已涂鋼材表面進行清潔處理的等級要求Table 2 Hand and power tool cleaning grades for uncoated and coated steel substrates

表3 氧化皮去除程度對鋼鐵腐蝕速率的影響[7]Table 3 Effect of the degree of scale removal on corrosion rate of steel [7]

2.3 對橋梁鋼結構涂裝維修前處理設計的建議

目前，我國交通路橋養(yǎng)護行業(yè)正積極推進全壽命周期成本管理理念。針對橋梁運營管理，以預防性養(yǎng)護為基本，運用資產(chǎn)管理理念，以生命周期成本最小化為目標，提高養(yǎng)護效率，保證橋梁工程安全、高效和長期使用。而“長效耐久”將大幅減少維修頻次，形成巨大的社會、經(jīng)濟與節(jié)能、環(huán)保等綜合效益。

雖然現(xiàn)有研究表明，涂裝維修時將前處理清潔度降到St2級并采用低表面處理環(huán)氧底漆，可在一定程度上減少涂裝作業(yè)成本，但本試驗結果表明這種設計即使維修時涂層性能通過了技術驗收，隨著工程的繼續(xù)運行，涂裝維修時存在的設計隱患將快速體現(xiàn)，如涂層局部起泡、滲銹甚至開裂、剝落，并持續(xù)蔓延，導致維修工程達不到預期使用壽命，將不得不提前再次維修，不僅造成直接的經(jīng)濟損失，還因頻繁維修而給交通運輸、節(jié)能環(huán)保等方面造成極大損害。

基于全壽命周期成本管理理念，涂裝維修設計時應針對現(xiàn)有工程類型、工況、余壽等技術參數(shù)，在科學決策本次涂裝維修涂層體系的使用壽命的基礎上，選擇相應的涂層配套體系，其中前處理設計清潔度優(yōu)選St3級。

3 結論

(1) 維修涂裝前處理清潔度對涂層附著力有明顯影響，St3級試樣顯著優(yōu)于St2級試樣。

(2) 維修涂裝前處理清潔度對涂層附著力的耐久性有極大影響，St2級試樣涂層的失效速度顯著大于St3級試樣涂層。

(3) 維修涂裝前處理后出現(xiàn)返銹的話，涂層的附著力及耐久性將受到嚴重破壞，必須重新清潔合格后方可涂裝。