公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)專用重防腐底漆的制備及性能研究

喬 娟，苗建寶，李 京 （.陜西省公路局，陜西西安 7006；.西安公路研究院，陜西西安 70065）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高等級(jí)公路在經(jīng)濟(jì)建設(shè)與社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用。由于受到所處環(huán)境影響，運(yùn)營中的公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)承受著各種腐蝕作用，嚴(yán)重影響了其正常使用和耐久性，如何對(duì)公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效防護(hù)，使其免于腐蝕破壞并延長其使用壽命是公路橋梁從業(yè)者面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞是造成公路鋼橋失效的主要原因。在日本統(tǒng)計(jì)的104座懸索橋斷橋案例中，有19例與鋼結(jié)構(gòu)腐蝕有關(guān)［1-3］；斜拉橋中因斜拉索的腐蝕所引起的換索現(xiàn)象頻繁發(fā)生，美國路易斯安娜州新奧爾良的魯林橋、阿根廷的扎拉特布拉什拉橋、委內(nèi)瑞拉的馬拉開波橋和中國的濟(jì)南黃河大橋均進(jìn)行過換索工作；英國倫敦塔橋因主塔底下鋼橫梁腐蝕生銹無法支撐大橋自重，被迫關(guān)閉重建新橋［4-5］；我國建于2002年的武漢白沙洲大橋，在2006年就出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕問題，致使該橋不得不停止通車，重新進(jìn)行防腐涂裝，重新防腐維修投資近1億元；1999年和2002年重慶兩座大橋接連倒塌，其原因都與吊桿上部連接處發(fā)生嚴(yán)重腐蝕有關(guān)。除經(jīng)濟(jì)損失外，更重要的是腐蝕給公路橋梁的安全性能帶來隱患，甚至造成倒塌事故。

目前廣泛采用的公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層由于自身的性能缺陷以及在使用過程中受外界因素，如溫差、磨蝕、太陽曝曬、紫外線、風(fēng)雨、潮氣、化學(xué)品、煙霧、接觸腐蝕和微生物等的強(qiáng)烈影響，會(huì)造成涂層老化或產(chǎn)生缺陷，往往起不到保護(hù)作用，這是目前鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的重要原因［7-8］。除了涂層自身的性能外，對(duì)橋梁鋼結(jié)構(gòu)腐蝕與防護(hù)機(jī)制了解和掌握不夠也是重要原因。目前我國鋼橋和高速公路上鋼構(gòu)件設(shè)施所使用的涂料無論是涂層性能還是配套體系多數(shù)均存在缺陷，很多鋼結(jié)構(gòu)選用醇酸漆，使用半年至一年的時(shí)間里即出現(xiàn)變色、失光、漆膜開裂、脫落、銹蝕等現(xiàn)象。有些地方甚至出現(xiàn)采用水性乳膠漆作為防腐涂層，致使公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)面臨著嚴(yán)峻的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患［9-10］。

本研究制備的公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)專用重防腐底漆采用低相對(duì)分子質(zhì)量、低黏度樹脂為基料，盡量減少或完全消除涂料配方中的可揮發(fā)有機(jī)溶劑，采用活性稀釋劑，所有存在的稀釋成分盡量選擇無毒或低毒的成分，通過加入特種填料、偶聯(lián)劑、增韌劑等措施，解決了涂料在防腐性、環(huán)保性與和力學(xué)性能之間難以調(diào)和的矛盾，使涂料在使用中實(shí)現(xiàn)低VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）排放的目標(biāo)。同時(shí)，所研發(fā)的底漆采用電極電位低于鐵的材料，用犧牲陽極的陰極保護(hù)法，通過陰極保護(hù)原理防止鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，在此基礎(chǔ)上，通過在漆膜中添加少量低電位添加劑，進(jìn)一步提高了其抗腐蝕性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

雙酚A型環(huán)氧樹脂，南亞公司；聚四氫呋喃200，巴斯夫；低電位合成添加劑，自制；鋅粉，蘭州黃河鋅粉廠；分散助劑，美國海明斯化學(xué)公司；流平劑，畢克化學(xué)；硅烷偶聯(lián)劑，成都有機(jī)硅中心；有機(jī)鈦酸酯，曙光化工有限公司；聚酰胺，美國卡德萊公司；正丁醇（工業(yè)品），市售；二甲苯（一級(jí)品），市售。

1.2 試驗(yàn)儀器

IKA反應(yīng)器，艾卡（廣州）儀器設(shè)備有限公司；GFJ-0.4高速分散機(jī)，上海涂料工業(yè)機(jī)械廠；沖擊試驗(yàn)儀，天津試驗(yàn)儀器廠；PosiTest拉拔試驗(yàn)儀，美國DeFelsko公司；LYW-025N鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.3 制備工藝

將雙酚A型環(huán)氧樹脂、聚四氫呋喃、二甲苯、丁醇加入反應(yīng)器中，加熱攪拌，反應(yīng)一定時(shí)間后檢測其羥基含量，達(dá)標(biāo)后停止反應(yīng)，把產(chǎn)物倒出、降溫后，加入到高速分散機(jī)中，加入一定量的低電位合成添加劑、鋅粉、分散助劑、流平劑、硅烷偶聯(lián)劑、有機(jī)鈦酸酯等，保持轉(zhuǎn)速在1 500 r/min以上分散30 min，備用。將上述制備物與低相對(duì)分子質(zhì)量聚酰胺按一定比例混合，攪拌均勻后即可涂裝樣板。

2 性能測試

2.1 漆膜的制備

試驗(yàn)樣板制備按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9271—2008《色漆和清漆 標(biāo)準(zhǔn)試板》規(guī)定進(jìn)行。按要求處理馬口鐵板，輕輕打磨其表面的鍍錫層，用溶劑油清洗后晾干，用軟布擦拭干凈。用鋼板檢驗(yàn)的項(xiàng)目，要求鋼板經(jīng)噴、拋射處理，其除銹等級(jí)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8923—1988《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》中規(guī)定的Sa 2.5級(jí)，表面粗糙度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13288.1—2008《涂覆涂料前鋼材表面處理噴射清理后的鋼材表面粗糙度特性 第1部分：用于評(píng)定噴射清理后鋼材表面粗糙度的ISO表面粗糙度比較樣塊的技術(shù)要求和定義》中規(guī)定的中級(jí)，即丸狀磨料Ry（40~60 μm）、棱角狀磨料Ry（60~100 μm）。拉開法附著力測定、耐鹽水試驗(yàn)和耐鹽霧試驗(yàn)要求漆膜涂覆2道，2道漆膜之間間隔48 h，彎曲性能和沖擊強(qiáng)度測定應(yīng)在漆膜制備48 h后進(jìn)行，漆膜厚度要求（35±2）μm。拉開法附著力測定、耐鹽水試驗(yàn)和耐鹽霧試驗(yàn)測定應(yīng)在漆膜制備168 h后進(jìn)行。漆膜厚度測定按GB/T 13452.2—2008《色漆和清漆 漆膜厚度的測定》規(guī)定進(jìn)行。在測量噴、拋射處理鋼板上干涂層的厚度時(shí)，從試板的上部、中部和底部各取不少于2次讀數(shù)，讀數(shù)時(shí)距離邊緣至少10 mm，去掉任何異常高的或低的讀數(shù)，取6次讀數(shù)的平均值，以μm計(jì)。

2.2 主要性能指標(biāo)

根據(jù)產(chǎn)品的用途，產(chǎn)品性能應(yīng)滿足以下指標(biāo)要求：在容器中狀態(tài)（目測）、不揮發(fā)分（GB/T 1725—2007）、適用期、施工性、涂膜外觀、干燥時(shí)間（GB/T 1728—1989）、彎 曲 性 能（GB/T 6742—2007）、耐沖擊性（GB/T 1732—1993）、附著力（GB/T 6742—2007）、耐鹽水、耐鹽霧性能（GB/T 6742—2007）項(xiàng)目的試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)符合GB/T 9278—2008《涂料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的溫濕度》的規(guī)定，其它項(xiàng)目試驗(yàn)環(huán)境應(yīng)符合相關(guān)方法標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3 漆膜的主要性能影響因素分析

3.1 力學(xué)性能

對(duì)于陰極保護(hù)類漆而言，鋅粉是最主要的添加物，因此影響該底漆力學(xué)性能的主要因素是鋅粉含量。

鋅粉含量對(duì)涂膜性能的影響見圖1。由圖1可見，當(dāng)鋅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80 %以下時(shí)，涂層的彎曲性能、沖擊強(qiáng)度和附著力均變化不大，超過這個(gè)臨界值時(shí)，涂層的力學(xué)性能均有明顯下降。

圖1 鋅粉含量對(duì)涂膜力學(xué)性能的影響Figure 1 The influence of zinc powder content on the mechanical properties of the coating film

圖2是沖擊強(qiáng)度測試試樣在不同鋅粉含量下的測試結(jié)果，由圖2可見，當(dāng)鋅粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90 %時(shí)，涂層經(jīng)過50 cm高度落錘沖擊后有明顯脫落破壞。

圖2 沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)樣板Figure 2 Impact strength test samples

圖3是試樣的彎曲性能測試結(jié)果，左邊試板的漆膜中鋅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90 %，經(jīng)2 mm彎曲后，彎曲處漆膜有明顯開裂和脫落；右邊試板的漆膜中鋅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80 %，經(jīng)過2 mm彎曲后，彎曲處漆膜完好。

圖3 彎曲試驗(yàn)樣板Figure 3 Bend test samples

3.2 耐鹽霧性能

作為底漆使用的陽極類涂料必須具備良好的陰極保護(hù)功能，底漆的陰極保護(hù)性能可通過涂層的耐鹽霧性表征。欲使涂膜導(dǎo)電發(fā)揮犧牲陽極的作用，就要求涂膜中含有大量的鋅粉粒子和其他具有陰極保護(hù)功能的材料，它們互相接觸，并和鋼材基體也保持電接觸，才能起到保護(hù)陰極的作用，鋅粉含量對(duì)涂層耐鹽霧性的影響見表1和圖4。

表1 鋅粉含量對(duì)涂膜耐鹽霧性能的影響Table 1 The influence of zinc powder content on the salt spray resistance of the coating film

圖4 耐鹽霧試驗(yàn)1 000 h后不同含鋅量的涂層的銹蝕結(jié)果Figure 4 Corrosion results of coating with different zinc content after 1 000 hours of salt spray resistance test

由表1和圖4可以看出，隨著鋅粉含量的增加，涂膜的耐鹽霧性能提高，含鋅量越高，耐鹽霧時(shí)間越長。雖然提高鋅粉含量可以增加耐鹽霧性能，但是當(dāng)鋅含量達(dá)到一定值時(shí)，涂層的柔韌性、耐沖擊性、附著力都會(huì)下降，所以不能只靠增加鋅粉含量來提高底漆的防銹性能。

經(jīng)過研究分析和試驗(yàn)，合成了一種新型低電位添加劑，它可以有效降低涂層的電極電位，將少量該添加劑與鋅粉復(fù)配后，涂層的耐鹽霧性能會(huì)大大提高。圖5是當(dāng)鋅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80 %時(shí)，低電位添加劑的加入量對(duì)涂層耐鹽霧性的影響。由圖5可以看出，在鋅粉含量保持不變的情況下，加入3 %~5 %的低電位添加劑時(shí)，涂膜的耐鹽霧性能可以大大提高；當(dāng)涂膜中鋅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80 %時(shí)，添加5 %的低電位添加劑，涂層的耐鹽霧性能從原來的1 200 h提高到1 500 h，涂層無銹蝕、起泡現(xiàn)象，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵標(biāo)TB/T 2772—1997《鐵路鋼橋用防銹底漆供貨技術(shù)條件》耐鹽霧1 000 h的要求。

圖5 低電位添加劑加入量對(duì)涂層耐鹽霧性的影響Figure 5 The effect of the low-potential additive addition on the salt spray resistance of the coating

圖6是兩種涂層試樣經(jīng)耐鹽霧試驗(yàn)1 500 h后的腐蝕狀況，其中干膜中鋅粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80 %。從圖6可以看出，含低電位添加劑的涂層表面比不含低電位添加劑的表面在銹蝕方面有明顯改善。

圖6 低電位添加劑對(duì)涂層耐鹽霧性的影響Figure 6 The effect of the low-potential additive on the salt spray resistance of coating

由于低電位添加劑的添加量很少，因此它的加入對(duì)涂層的力學(xué)性能無明顯影響。通過此方法可保證在涂層的抗沖擊、柔韌性和附著力等力學(xué)性能基本不變的前提下，顯著提高其耐鹽霧性能，克服了涂層的綜合性能與耐鹽霧性能進(jìn)一步提高之間的矛盾，使所研制的專用底漆的防銹性能明顯高于普通底漆。

4 結(jié)語

（1） 對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)材料而言，采用電極電位低于鐵的涂料，用犧牲陽極的陰極保護(hù)法，通過陰極保護(hù)原理防止鋼結(jié)構(gòu)腐蝕。采用這種原理研制出公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)專用重防腐底漆，通過添加少量低電位添加劑有效提高了漆膜的耐鹽霧性能，提高了底漆的防銹能力。

（2） 漆膜中鋅粉含量對(duì)涂層性能有很大影響，鋅粉含量越高，涂層的耐鹽霧性越好，但當(dāng)鋅粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過80 %時(shí)，涂層力學(xué)強(qiáng)度下降。當(dāng)涂層中鋅粉含量一定時(shí)，添加少量的低電位添加劑能有效提高涂層的耐鹽霧性能，此方法既可使漆膜保持良好物理機(jī)械性能，又能明顯地提高涂層的耐鹽霧性能。

（3） 在配方設(shè)計(jì)中，采用低相對(duì)分子質(zhì)量、低黏度樹脂，盡量減少或完全消除涂料配方中的可揮發(fā)有機(jī)溶劑；采用活性稀釋劑時(shí)，所有稀釋成分盡量選擇無毒或低毒的成分，通過加入特種填料、偶聯(lián)劑、增韌劑等措施，解決了涂料在防腐性、環(huán)保性與和力學(xué)性能之間難以調(diào)和的矛盾。