鐵路鋼橋超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系設(shè)計(jì)研究

李曉波

中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300308

近年來國家在沿海地區(qū)以及西部川藏地區(qū)規(guī)劃建設(shè)了多條鐵路，惡劣大氣腐蝕環(huán)境對(duì)鐵路鋼橋的耐久性設(shè)計(jì)提出嚴(yán)峻考驗(yàn)［1］。根據(jù)國內(nèi)外鋼橋防腐經(jīng)驗(yàn)，在保障涂料質(zhì)量和施工質(zhì)量的前提下，現(xiàn)有防腐涂裝體系的設(shè)計(jì)防護(hù)年限為15～25年，而橋梁的設(shè)計(jì)使用年限通常為100 年［2］。如果考慮防腐涂裝體系的設(shè)計(jì)防護(hù)年限為20 年，在鋼橋整個(gè)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，除了鋼橋的初始涂裝以外，還要進(jìn)行至少4 次以上的大修維護(hù)涂裝，大大增加了鋼橋全壽命周期涂裝費(fèi)用，而且重新維護(hù)涂裝對(duì)于施工環(huán)境和施工工藝要求極高。為此，在現(xiàn)有鐵路鋼橋防腐涂裝體系的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)了新型超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系。本文通過試驗(yàn)研究新型環(huán)氧烯鋅底漆以及石墨烯氟碳面漆的耐久性能。

1 新型超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系簡(jiǎn)介

石墨烯穩(wěn)定的sp2 雜化結(jié)構(gòu)能使其在金屬與腐蝕性介質(zhì)之間形成物理阻隔層，阻止擴(kuò)散滲透。不論是在1 500 ℃的高溫環(huán)境下，還是在具有腐蝕介質(zhì)條件下，石墨烯均能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定［3］。

現(xiàn)有鐵路鋼橋防腐涂裝采用Q/CR 749.1—2020《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護(hù)涂裝與涂料 第1部分：鋼梁》［4］中第 6 套或第 7 套涂裝體系。第 6 套和第 7 套防腐涂裝體系的主要差異是面漆，第6 套采用的是丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆，第7 套采用的耐老化性能更好的氟碳面漆。新型超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系（以下簡(jiǎn)稱新型涂裝體系）選擇在第7套防腐涂裝體系（環(huán)氧富鋅底漆+云鐵環(huán)氧中間漆+氟碳面漆）的基礎(chǔ)上利用石墨烯改性底漆和面漆，延長(zhǎng)設(shè)計(jì)防護(hù)年限，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼橋結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)效防護(hù)。

新型涂裝體系由三部分組成：①環(huán)氧烯鋅底漆。環(huán)氧富鋅底漆中摻入石墨烯，以提高涂層間的導(dǎo)電性能、鋅粉利用率，充分發(fā)揮陰極保護(hù)作用。石墨烯的疏水性能以及二維片層結(jié)構(gòu)形成的高屏蔽隔絕層，可大大減緩?fù)繉拥匿P蝕速率。②云鐵環(huán)氧中間漆。中間漆與鐵路第7套防腐涂裝體系相同。③石墨烯氟碳面漆。進(jìn)口高性能FEVE（fluoroethylene vinyl ether）氟碳樹脂摻入石墨烯，以提高氟碳面漆的耐光老化性能。

2 涂裝性能試驗(yàn)研究

2.1 底漆性能試驗(yàn)

1）疏水性能

涂層的疏水性能可用涂層與水的接觸角來表征。接觸角越大，涂層疏水性能越好。

試驗(yàn)測(cè)量了不同石墨烯摻量時(shí)環(huán)氧烯鋅底漆涂層與水的接觸角，結(jié)果見圖1?？梢姡弘S著石墨烯摻量增加，涂層與水的接觸角不斷增大，涂層疏水性能越來越好，但當(dāng)石墨烯摻量（石墨烯質(zhì)量/環(huán)氧烯鋅底漆質(zhì)量）大于0.5%時(shí)，涂層與水的接觸角開始減小。這是因?yàn)殡S著石墨烯摻量增加，底漆的顏料體積濃度升高，導(dǎo)致涂層表面不光滑，涂層的疏水性能下降。

圖1 底漆涂層與水的接觸角隨石墨烯摻量變化曲線

2）耐濕熱性能

設(shè)計(jì)了不摻、摻入0.5%石墨烯的環(huán)氧富鋅底漆樣板，樣板涂層厚度均為25 μm，干膜鋅含量均為60%，進(jìn)行耐濕熱性能對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見圖2?？梢?，石墨烯摻量0.5%的環(huán)氧烯鋅底漆具有很好的耐濕熱性能。其耐濕熱500 h 后樣板表面無明顯銹蝕、起泡等現(xiàn)象，而不摻石墨烯的環(huán)氧富鋅底漆耐濕熱500 h后涂層樣板出現(xiàn)了明顯的銹蝕。

圖2 底漆樣板耐濕熱性能對(duì)比

3）耐鹽霧性能

環(huán)氧烯鋅底漆樣板涂層厚度為80 μm，干膜鋅含量大于60%，石墨烯摻量為0.5%。耐鹽霧性能試驗(yàn)的測(cè)定方法和技術(shù)要求按照Q/CR 749.1—2020執(zhí)行。

環(huán)氧烯鋅底漆耐鹽霧4 500 h后樣板表面無起泡、無生銹、無開裂、無剝落（圖3），劃痕處24 h無紅銹，明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求（環(huán)氧富鋅底漆樣板耐鹽霧1 000 h后表面可以有輕微起泡，無紅銹，劃痕處24 h無紅銹）。

4）其他技術(shù)指標(biāo)

委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)氧烯鋅底漆的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。送檢樣板底漆厚度80 μm，石墨烯摻量0.5%，檢測(cè)方法和技術(shù)要求按照Q/CR 749.1—2020 執(zhí)行。檢測(cè)結(jié)果表明，環(huán)氧烯鋅底漆不揮發(fā)物中金屬鋅含量為71%，略低于標(biāo)準(zhǔn)75%要求。這是由于摻加石墨烯提高了底漆的導(dǎo)電性能和鋅粉利用率，因此環(huán)氧烯鋅底漆減少了金屬鋅的含量，其比環(huán)氧富鋅底漆更加環(huán)保。環(huán)氧烯鋅底漆其余各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上，環(huán)氧烯鋅底漆的疏水性能、耐濕熱性能均較環(huán)氧富鋅底漆更加優(yōu)異，耐鹽霧時(shí)間（4 500 h）更是達(dá)到環(huán)氧富鋅底漆（1 000 h）的4.5 倍以上，其他各項(xiàng)性能指標(biāo)也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 面漆性能試驗(yàn)

1）耐老化性能

防腐涂裝體系中面漆的主要功能為耐老化［5］，因此對(duì)未摻石墨烯的氟碳面漆和石墨烯氟碳面漆開展人工加速老化試驗(yàn)。試驗(yàn)方法參照Q/CR 749.1—2020執(zhí)行。兩種面漆樣板保光率對(duì)比見圖4。

圖4 兩種面漆樣板保光率對(duì)比

由圖4 可見：耐人工加速老化時(shí)間小于5 000 h時(shí)，兩種面漆樣板的保光率差異較小且均大于90%；老化時(shí)間大于5 000 h時(shí)，未摻石墨烯的氟碳面漆樣板保光率開始減小，老化6 000 h 時(shí)其保光率僅有75%，而石墨烯氟碳面漆樣板在老化6 800 h 時(shí)保光率仍高達(dá)93%，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求（老化3 000 h 時(shí)保光率不小于80%）。

2）其他技術(shù)指標(biāo)

委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)石墨烯氟碳面漆的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。送檢樣板面漆厚度70 μm，同標(biāo)準(zhǔn)中第7 套防腐涂裝體系面漆厚度一致，檢測(cè)方法和技術(shù)要求按照Q/CR 749.1—2020 執(zhí)行。檢測(cè)結(jié)果表明：石墨烯氟碳面漆各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)均滿足或優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求；石墨烯氟碳面漆耐人工加速老化6 800 h 時(shí)保光率大于90%，且其人工加速老化性能還有進(jìn)一步提高的空間。

綜上，石墨烯氟碳面漆耐老化性能優(yōu)異，耐人工加速老化時(shí)間（6 800 h）是標(biāo)準(zhǔn)中氟碳面漆指標(biāo)要求（3 000 h）的2.2 倍以上，其他各項(xiàng)性能指標(biāo)也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 防護(hù)年限

新型涂裝體系設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 新型涂裝體系設(shè)計(jì)參數(shù)

超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系各涂層厚度與第7套防腐涂裝體系均保持一致。環(huán)氧烯鋅底漆層耐鹽霧時(shí)間是第7 套防腐涂裝體系的4.5 倍以上，面漆層耐人工加速老化時(shí)間是第7 套防腐涂裝體系的2.2 倍以上，可見新型涂裝體系的設(shè)計(jì)防護(hù)年限是鐵路鋼橋第7套防腐涂裝體系的2倍以上。

根據(jù)國內(nèi)外鋼橋防腐涂裝經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)防腐涂裝體系設(shè)計(jì)防護(hù)年限通常為15 ～25年，因此可推算新型涂裝體系的設(shè)計(jì)防護(hù)年限至少可以達(dá)到30 ～50 年。如果質(zhì)量控制措施得當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的防護(hù)年限。

3 檢驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)

環(huán)氧烯鋅底漆和石墨烯氟碳面漆均含有石墨烯，Q/CR 749.1—2020 中沒有專門針對(duì)石墨烯的檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。因此環(huán)氧烯鋅底漆、石墨烯氟碳面漆除了須滿足Q/CR 749.1—2020 中要求的檢驗(yàn)項(xiàng)目以及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)按下列檢驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)，以保證其質(zhì)量和性能。

3.1 環(huán)氧烯鋅底漆進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)

環(huán)氧烯鋅底漆進(jìn)場(chǎng)須檢驗(yàn)：①按照HG/T 5573—2019《石墨烯鋅粉涂料》［6］核實(shí)是否含有石墨烯材料。樣品經(jīng)高速離心處理完畢后，采用掃描電鏡能譜法檢測(cè)。該方法適用于石墨烯摻量不低于2‰的石墨烯材料。②按照GB/T 1771—2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測(cè)定》［7］測(cè)試96 h 耐鹽霧腐蝕性能。涂層要求涂裝2 道，涂層總厚度80 μm，在試板上劃一道平行于試板長(zhǎng)邊的劃痕進(jìn)行試驗(yàn)。性能要求為鹽霧腐蝕96 h 樣板劃痕處無紅銹，遠(yuǎn)高于Q/CR 749.1—2020中24 h劃痕處無紅銹的要求。

3.2 石墨烯氟碳面漆進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)

石墨烯氟碳面漆進(jìn)場(chǎng)須檢驗(yàn)：①核實(shí)是否含有石墨烯。石墨烯氟碳面漆中石墨烯摻量在0.1‰ ～0.5‰，摻量較少，采用現(xiàn)有離心電鏡掃描法無法檢測(cè)，因此只能檢查石墨烯原材料廠家提供的證明文件，確保進(jìn)場(chǎng)面漆中含有石墨烯。②檢查進(jìn)口高性能FEVE 氟碳樹脂廠家提供的證明文件，須氟碳樹脂在基料組分中含量不小于63%。

4 施工工藝

4.1 表面預(yù)處理

1）鋼構(gòu)件表面噴砂除銹前應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，粗糙焊縫打磨平順，銳邊用砂輪打磨成曲率半徑不小于2 mm的圓角，表面層疊、裂縫、夾雜物須打磨處理，必要時(shí)補(bǔ)焊。表面油污應(yīng)采用專用清潔劑進(jìn)行低壓噴洗或軟刷刷洗，鹽分超標(biāo)時(shí)應(yīng)采用高壓淡水沖洗。

2）鋼構(gòu)件表面噴砂除銹用磨料應(yīng)滿足Q/CR 749.1—2020 的要求，噴砂氣體壓力值應(yīng)不小于0.5 MPa，且應(yīng)無油無水無雜質(zhì)。

3）鋼表面除銹等級(jí)應(yīng)達(dá)到GB/T 8923.1—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理》規(guī)定的Sa3.0 級(jí)，鋼表面粗糙度要求在25～70 μm。采用車間底漆的鋼構(gòu)件外表面在涂裝底漆前應(yīng)采用噴砂方法進(jìn)行處理。

4.2 涂層施工

1）表面預(yù)處理與噴涂底漆之間的間隔時(shí)間應(yīng)盡可能縮短。晴天或濕度不大的條件下間隔時(shí)間最長(zhǎng)不宜超過4 h。底漆層、中間層最長(zhǎng)暴露時(shí)間不應(yīng)超過7 d，兩道面漆噴涂間隔若超過7 d 須用細(xì)砂紙打磨成細(xì)微毛面。

2）對(duì)構(gòu)件的粗糙表面、不平整焊縫表面、板邊、彎角、流水孔等不易噴涂部位或難以保證厚度的部位用刷子進(jìn)行預(yù)涂。涂裝應(yīng)均勻，不得漏涂。預(yù)涂既要保證厚度，又要避免流掛。

3）大面積區(qū)域采用高壓無氣噴涂方式施工。施工時(shí)應(yīng)均勻涂覆在鋼構(gòu)件表面，壓蓋1/3 至1/2，壓蓋要均勻，先難后易，分片涂裝。噴涂時(shí)行槍速度要均勻，噴槍與工作面保持垂直，兩者距離以350 ～400 mm為宜。

4）噴涂末道面漆前應(yīng)首先對(duì)吊裝及運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的局部破損處、吊耳切面等部位進(jìn)行修復(fù)。先清理破損區(qū)周圍涂層，延伸至未破損區(qū)50 ～80 mm，并修復(fù)成階梯狀。表面先處理至達(dá)到GB/T 8923.1—2011規(guī)定的Sa2.5級(jí)或St3.0級(jí)以后，再噴涂與鄰接部位相同的涂層，不得漏涂。最后再整體噴涂末道面漆。

5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

統(tǒng)籌考慮材料+施工費(fèi)用，超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系造價(jià)比第7套防腐涂裝體系高16%。

新型涂裝體系設(shè)計(jì)防護(hù)年限保守取30年，全壽命周期內(nèi)至多需進(jìn)行3 次大修涂裝，采用新型涂裝體系（累計(jì)涂裝4次）鋼橋全壽命周期防腐涂裝成本比采用第7 套防腐涂裝體系（累計(jì)涂裝5 次）降低7%以上，且采用新型涂裝體系可以有效減少鋼橋大修涂裝對(duì)于交通運(yùn)輸?shù)母蓴_。

6 結(jié)論

1）環(huán)氧烯鋅底漆的疏水性能、耐濕熱性能比鐵路鋼橋第7 套防腐涂裝體系的環(huán)氧富鋅底漆優(yōu)異，耐鹽霧時(shí)間是環(huán)氧富鋅底漆的4.5 倍以上，其他各項(xiàng)性能指標(biāo)也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）石墨烯氟碳面漆耐老化性能優(yōu)異，其耐人工加速老化時(shí)間是鐵路標(biāo)準(zhǔn)中氟碳面漆的2.2 倍以上，其他各項(xiàng)性能指標(biāo)也滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）制定的環(huán)氧烯鋅底漆、石墨烯氟碳面漆涂料的進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)項(xiàng)目、技術(shù)要求和施工工藝，可確保其質(zhì)量和性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）新型涂裝體系設(shè)計(jì)防護(hù)年限是第7套防腐涂裝體系的2 倍以上，可達(dá)30 ～50 年，可有效減少鋼橋服役期間涂裝大修次數(shù)。與采用第7套防腐涂裝體系相比，采用新型涂裝體系鋼橋全壽命周期防腐涂裝成本可節(jié)約7%以上，具有廣闊的應(yīng)用前景。