鋼結構在役涂層的配套性和再涂性研究

王洪倫，張東玖，楊華，涂齊勇

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌 615000）

涂層因其具有材料價格低廉、施工簡單、性能良好、裝飾性好等優(yōu)點，廣泛應用于金屬表面的防護[1-3]。實際服役環(huán)境中，在高溫、濕熱、光照等各種腐蝕因素的作用下，涂層會發(fā)生降解，出現(xiàn)粉化、失光、退色、開裂、脫落、起泡等現(xiàn)象，涂層的物理化學和力學性能引起不可逆的變化，最終導致涂層的破壞，則稱之為涂層失效[4-7]。涂層的失效分為物理失效和化學失效。物理失效是指涂層在服役過程中，在環(huán)境介質(zhì)和應力的作用下導致涂層溶脹、介質(zhì)滲入、涂層開裂等涂層使用性能的劣化現(xiàn)象?；瘜W失效是涂層在使用過程中，在熱、光、氧、酸和堿等化學介質(zhì)作用下，高分子鏈發(fā)生降解或重新錯誤交聯(lián)等化學反應，引起介質(zhì)滲入，涂層開裂、粉化等物理和化學性能劣化的現(xiàn)象[8-11]。

某瀕南海的大型工程的很多鋼架結構、平臺、大門等設施設備均采用了涂裝防護，隨著時間的推移，很多在役涂層出現(xiàn)了老化失效現(xiàn)象，宏觀上主要表現(xiàn)出2 種形式：一種是涂層開裂、脫落、生銹現(xiàn)象，很多設施設備的涂層局部或大面積返銹，涂層從基材到表面明顯得到破壞；另一種是面漆粉化、失光、變色現(xiàn)象，主要是體現(xiàn)在處于室外，長時間遭受強光照輻射的部位。針對2 種表現(xiàn)形式，進行防腐重涂時，為節(jié)省成本，可采取不同的重涂方式。第1 種腐蝕老化現(xiàn)象，涂層修復時需要將老化失效涂層全部打磨到基體材料后，重新按照施工工藝進行涂裝；而第2 種腐蝕老化現(xiàn)象，涂層修復時只需要將面漆打磨掉，重新涂裝面漆或涂裝連接漆后，再涂裝面漆即可。本文主要針對第2 種腐蝕老化現(xiàn)象，開展了主要在役涂層中間漆與新型面漆的配套性和再涂性測試和評價研究，為大型工程設施設備快速恢復表面外觀，增強涂層的防腐性能提供技術支撐[12-16]。

1 試驗

本研究試驗開展的流程如圖1 所示。在涂裝試件上進行涂層體系A 原始涂層的制備，在現(xiàn)場經(jīng)過一段時間的暴曬試驗，打磨掉面漆后，得到含有底漆和中間漆的涂層體系A。選擇耐候性好的涂料作為涂層B 涂覆在涂層體系A 上，制備成新的涂層體系。養(yǎng)護一段時間后，進行新涂層體系的配套性和再涂性能測試和評價。

圖1 試驗流程Fig.1 The process of experiment

1.1 涂層A 的制備

選用南海海洋大氣環(huán)境某瀕海大型工程有代表性的碳鋼/合金鋼結構在役防護涂層體系作為原始涂層（涂層A），暴曬試驗后，打磨涂層面漆進行涂層A 的制備。根據(jù)在役涂層使用情況，選用了5 種防護效果較好但面漆優(yōu)先發(fā)生涂層失效現(xiàn)象的在役涂層開展試驗，試件基材為Q345B，制作時按照5 種涂層的施工工藝，在現(xiàn)場采用噴涂的方法逐層施工，原始涂層體系設計見表1。為保證涂層的配套性和再涂性評價效果，本次試驗將面漆基本全部打磨掉（實際工程施工時可允許原面漆部分保留，只打磨掉失效涂層及表面污染物），采用60～80 目的植絨砂紙打磨，保證試件重涂前的表面粗糙度和清潔度。

表1 涂層A 的主要類型及特點Tab.1 Main types and characteristics of coating A

1.2 涂層B

涂層B 根據(jù)前期某大型工程涂裝防腐工藝檢測評估結果進行選擇。從現(xiàn)場試驗和實驗室加速試驗中表現(xiàn)良好的涂層體系中，優(yōu)選7 種涂層體系的面漆作為涂層B。表2 顯示了涂層B 的主要類型、厚度以及與面漆相關的同等加速試驗條件下的評級數(shù)據(jù)（循環(huán)鹽霧1 440 h，氙燈老化720 h）。

表2 涂層B 的主要類型和特點Tab.2 Main types and characteristics of coating B

1.3 新涂層體系制備

涂層A 和涂層B 配合，制備成新的涂層體系，涂層A 和涂層B 進行重涂施工的組合方法如圖2 所示。5 種涂層A、7 種涂層B 按照涂層組合共制備30種試驗件（本文主要研究涂層配套性及再涂性，原涂層體系不制備）。每種組合制作試驗件3 個，其中，Q345B 底材試樣2 塊，外形尺寸為100 mm×50 mm×3 mm；馬口鐵板底材試樣1 塊，外形尺寸為120 mm×50 mm×0.28 mm，馬口鐵板底材用于杯突試驗。

圖2 新涂層體系組合Fig.2 Schematic diagram of new coating system combination

按1.1 節(jié)制備涂層A 后，按涂層B 的施工工藝噴涂在涂層A 上，得到新配套涂層體系試驗件。涂層B厚度按照表2 進行施工，施工時控制厚度為設計厚度的90%～150%，施工過程無溶脹、咬底、滲色、起皺等缺陷。涂裝后的涂層樣板，養(yǎng)護時間超過7 d 后，再開展檢測評價。

2 涂層體系的檢測評價

2.1 檢測方法

參照GB/T 34681—2017《色漆和清漆涂料配套性和再涂性的測定》的規(guī)定開展附著力、杯突和壓痕試驗。由于此次參加檢測的樣板涂層厚度大，本研究中采用拉拔法進行附著力測試。為了更好地檢測每道涂層間的附著力，參照GB/T 5210—2006 的規(guī)定，使用MTS 拉力試驗機，采用拉拔法進行附著力測試[17]；參照GB/T 9275—2008/ISO 2815 的規(guī)定，使用BGD 510 型巴克霍爾茲壓痕試驗儀進行巴克霍爾茲壓痕試驗[18]；參照GB/T 9753—2007/ISO 1520 的規(guī)定，使用 760N 型杯突試驗儀進行杯突試驗[19]；參照GB/T13452.2—2008 的規(guī)定，使用MINITest600FN2涂層測厚儀進行涂層厚度的測定[20]。

2.2 檢測結果

涂層體系配套性和再涂性試驗各項測試的測定結果見表3，其中涂層組合以涂層A–涂層B 命名。例如，1 號涂層A 涂覆2 號涂層B，涂層組合為1-2。

3 結果分析

3.1 附著力

從表3 中拉拔測試值和涂層破壞形式來看，不同涂層A 與涂層B 配合后呈現(xiàn)不同的特性：

表3 涂層體系配套性和再涂性試驗結果Tab.3 Test results of compatibility and recoating of coating system

1）1 號涂層A 和其他6 種重涂面漆的組合，拉拔破壞形式均是底漆內(nèi)聚破壞，且拉拔值較一致。這說明試件重涂面漆與涂層A 環(huán)氧云鐵中間漆層的結合均較好，層間粘合力的弱點在于環(huán)氧封閉底漆的強度。

2）2 號涂層A 和其他6 種重涂面漆的組合，拉拔破壞形式主要是涂層與底材間破壞，且拉拔值較高。雖然2 號涂層A 與6 號涂層B 組合發(fā)生面漆內(nèi)聚破壞，但拉拔力已達到12.8 MPa。這說明2 號涂層A 環(huán)氧屏蔽漆層與其他6 種重涂面漆層間結合力非常優(yōu)異。

3）3 號涂層A 和其他6 種重涂面漆的組合，拉拔破壞形式主要是底漆內(nèi)聚破壞或底漆/中間漆層間破壞，但是3-5 組合為面漆與中間漆間破壞，3-6 組合為面漆內(nèi)聚破壞，且這2 種組合拉拔值相對較低。這說明環(huán)氧云鐵中間漆層與個別氟碳面漆層間結合力，天冬聚脲高耐候面漆涂層本身結合力相對較弱。

4）4 號涂層A 和其他6 種重涂面漆的組合，拉拔破壞呈現(xiàn)多種形式，但總體來看，4-6 組合為面漆內(nèi)聚破壞，且拉拔值低于其他組合，天冬聚脲高耐候面漆涂層本身結合力較差。

5）5 號涂層A 和其他6 種重涂面漆的組合，拉拔破壞基本呈現(xiàn)中間漆內(nèi)聚破壞，無面漆/中間漆或面漆內(nèi)聚破壞形式，6 種組合總體配套性較好。

從表3 可以看出，在涂層體系的配套性和重涂性試驗中，所有試驗件的涂層拉拔附著力測試均大于5 MPa，滿足涂裝防護涂層附著力的一般要求，說明所選新面漆涂層與舊涂層之間的附著力較好。表3中，附著力值低于10 MPa 的涂層，基本是因為涂層A 原涂層層間或本身結合力相對較低。天冬聚脲高耐候面漆附著力相對較低，可能的原因是由于漆膜相對較厚，影響了涂層內(nèi)結合力。另外，相同種類的中間漆與面漆結合，層間結合力不同，可能是由于不同品牌涂料成分略有不同，造成結合力有所差別。

3.2 壓痕試驗結果

從表3 可以看出，在涂層體系的配套性和重涂性試驗中，涂層體系再涂后壓痕與原涂層壓痕相比，壓痕長度有所變化，30 組涂層體系組合中有9 組（占30%）再涂涂層壓痕長度降低，抗壓痕性能有所提高。這表明再涂后涂層硬度有所增加，1 組合壓痕長度與再涂前持平，20 組抗壓痕性能有所降低。分析可知：

1）從壓痕長度來看，1 號涂層A 采用1-2 或1-4組合，2 號涂層A 采用2-7 組合，3 號涂層A 采用3-2組合，4 號涂層A 采用4-2 組合，5 號涂層A 采用5-4組合，可使再涂后的新涂層抗壓痕性能最好。

2）壓痕長度與面漆種類關系很大，同種面漆涂覆在不同涂層A 上，壓痕長度變化趨勢基本一致。例如，2 號涂層B 涂覆到涂層A 后，壓痕長度與原涂層體系相比，均有不同程度的降低。

3）壓痕長度與同種面漆的厚度有較大的關系，厚度越小，壓痕長度越短。例如，4 號涂層B 涂覆到涂層A 后，壓痕長度與1、3、5 號涂層B 相比，壓痕長度要短得多。

3.3 杯突試驗結果

從表3 還可以看出，杯突試驗測試值多在1.5～4.5 mm，分析可知：

1）從試驗結果來看，5 種在役涂層中，1 號涂層A 采用1-7 組合，2 號涂層A 采用2-5 組合，3 號涂層A 采用3-1 組合，4 號涂層A 采用4-2 或4-6 組合，5 號涂層A 采用5-7 組合，再涂后涂層的延展性較好。

2）國內(nèi)少數(shù)汽車廠家針對汽車涂層的杯突試驗合格評判企業(yè)標準中，杯突試驗測試值5 mm 為合格。此時由于汽車涂層通常在100 μm 左右，而此次進行杯突試驗的涂層體系厚度均超過300 μm，涂層厚度增加導致漆膜的延展性必然明顯下降。

3）對于不同厚度的涂層體系，可分段設置合格標準。例如，涂層厚度為120 μm 時，杯突試驗測試值≥5 mm 為合格；而300 μm≤涂層厚度≤400 μm時，杯突試驗測試值≥1.5 mm 為合格。

3.4 綜合分析

本文研究的涂層體系均用于瀕海高溫、高濕、高鹽霧、強光照環(huán)境下設施設備的表面防護，旨在提高面漆耐候性能，增強其在該環(huán)境下得抗粉化、失光、變色能力及整體涂層體系的防護能力。因此，在進行涂層再涂性和配套性評價時，應參照防護性涂層標準，重點考慮附著力滿足使用要求，提高涂層體系涂層的粘結力[21]，其次才是考慮硬度和延展性。

結合表2 中面漆的加速試驗數(shù)據(jù)，綜合分析新配套涂層的性能，重點考慮涂層結合力以及面漆抗粉化、變色、失光能力，涂層面漆修復時配套建議見表4。

表4 在役涂層面漆修復配套建議Tab.4 Suggestions for coating paint repair

續(xù)表4 在役涂層面漆修復配套建議Tab.4 Suggestions for coating paint repair (continued)

4 結語

針對瀕海鋼架結構涂層面漆大面積粉化、失光、變色現(xiàn)象，只去除舊面漆后重涂新面漆的施工工藝來修復設施設備的防腐性能，既能降低成本，又能縮短工期。

1）通過某大型工程5 種常用在役涂層30 組涂層組合的配套性及再涂性研究，提出了瀕海環(huán)境在役涂層面漆修復時的涂層配套方案，可為大型鋼結構工程面漆的重涂防腐施工提供重要參考和技術支撐。

2）在涂層配套性及再涂性試驗與評價中，施工過程不能出現(xiàn)咬底、滲色等涂層相容性不良的缺陷，施工后重點測試涂層間結合力。由于施工工藝和涂料品牌的影響，涂層結合力有較大不同，但附著力均應滿足工藝要求。

3）本試驗是在常用成熟的涂層上進行，壓痕試驗與杯突試驗結果與原涂層相差不大，只是參考因素。對于其他特殊用途的新型涂層配套試驗，例如汽車涂層，壓痕試驗與杯突試驗仍是重要參考因素。