鋼結(jié)構(gòu)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(jià)格低廉、施工簡(jiǎn)單、性能良好、裝飾性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于金屬表面的防護(hù)[1-3]。實(shí)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(huì)發(fā)生降解，出現(xiàn)粉化、失光、退色、開(kāi)裂、脫落、起泡等現(xiàn)象，涂層的物理化學(xué)和力學(xué)性能引起不可逆的變化，最終導(dǎo)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(xué)失效。物理失效是指涂層在服役過(guò)程中，在環(huán)境介質(zhì)和應(yīng)力的作用下導(dǎo)致涂層溶脹、介質(zhì)滲入、涂層開(kāi)裂等涂層使用性能的劣化現(xiàn)象?；瘜W(xué)失效是涂層在使用過(guò)程中，在熱、光、氧、酸和堿等化學(xué)介質(zhì)作用下，高分子鏈發(fā)生降解或重新錯(cuò)誤交聯(lián)等化學(xué)反應(yīng)，引起介質(zhì)滲入，涂層開(kāi)裂、粉化等物理和化學(xué)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(jié)構(gòu)、平臺(tái)、大門等設(shè)施設(shè)備均采用了涂裝防護(hù)，隨著時(shí)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(kāi)裂、脫落、生銹現(xiàn)象，很多設(shè)施設(shè)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(zhǎng)時(shí)間遭受強(qiáng)光照輻射的部位。針對(duì)2 種表現(xiàn)形式，進(jìn)行防腐重涂時(shí)，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(fù)時(shí)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(jìn)行涂裝；而第2 種腐蝕老化現(xiàn)象，涂層修復(fù)時(shí)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(duì)第2 種腐蝕老化現(xiàn)象，開(kāi)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(cè)試和評(píng)價(jià)研究，為大型工程設(shè)施設(shè)備快速恢復(fù)表面外觀，增強(qiáng)涂層的防腐性能提供技術(shù)支撐[12-16]。

1 試驗(yàn)

本研究試驗(yàn)開(kāi)展的流程如圖1 所示。在涂裝試件上進(jìn)行涂層體系A(chǔ) 原始涂層的制備，在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的暴曬試驗(yàn)，打磨掉面漆后，得到含有底漆和中間漆的涂層體系A(chǔ)。選擇耐候性好的涂料作為涂層B 涂覆在涂層體系A(chǔ) 上，制備成新的涂層體系。養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后，進(jìn)行新涂層體系的配套性和再涂性能測(cè)試和評(píng)價(jià)。

圖1 試驗(yàn)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(jié)構(gòu)在役防護(hù)涂層體系作為原始涂層（涂層A），暴曬試驗(yàn)后，打磨涂層面漆進(jìn)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(hù)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(kāi)展試驗(yàn)，試件基材為Q345B，制作時(shí)按照5 種涂層的施工工藝，在現(xiàn)場(chǎng)采用噴涂的方法逐層施工，原始涂層體系設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。為保證涂層的配套性和再涂性評(píng)價(jià)效果，本次試驗(yàn)將面漆基本全部打磨掉（實(shí)際工程施工時(shí)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(diǎn)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(cè)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行選擇。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)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(guān)的同等加速試驗(yàn)條件下的評(píng)級(jí)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(diǎn)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(jìn)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(yàn)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(yàn)件3 個(gè)，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(yàn)。

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(yàn)件。涂層B厚度按照表2 進(jìn)行施工，施工時(shí)控制厚度為設(shè)計(jì)厚度的90%～150%，施工過(guò)程無(wú)溶脹、咬底、滲色、起皺等缺陷。涂裝后的涂層樣板，養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過(guò)7 d 后，再開(kāi)展檢測(cè)評(píng)價(jià)。

2 涂層體系的檢測(cè)評(píng)價(jià)

2.1 檢測(cè)方法

參照GB/T 34681—2017《色漆和清漆涂料配套性和再涂性的測(cè)定》的規(guī)定開(kāi)展附著力、杯突和壓痕試驗(yàn)。由于此次參加檢測(cè)的樣板涂層厚度大，本研究中采用拉拔法進(jìn)行附著力測(cè)試。為了更好地檢測(cè)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(yàn)機(jī)，采用拉拔法進(jìn)行附著力測(cè)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(yàn)儀進(jìn)行巴克霍爾茲壓痕試驗(yàn)[18]；參照GB/T 9753—2007/ISO 1520 的規(guī)定，使用 760N 型杯突試驗(yàn)儀進(jìn)行杯突試驗(yàn)[19]；參照GB/T13452.2—2008 的規(guī)定，使用MINITest600FN2涂層測(cè)厚儀進(jìn)行涂層厚度的測(cè)定[20]。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

涂層體系配套性和再涂性試驗(yàn)各項(xiàng)測(cè)試的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3，其中涂層組合以涂層A–涂層B 命名。例如，1 號(hào)涂層A 涂覆2 號(hào)涂層B，涂層組合為1-2。

3 結(jié)果分析

3.1 附著力

從表3 中拉拔測(cè)試值和涂層破壞形式來(lái)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(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of compatibility and recoating of coating system

1）1 號(hào)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(shuō)明試件重涂面漆與涂層A 環(huán)氧云鐵中間漆層的結(jié)合均較好，層間粘合力的弱點(diǎn)在于環(huán)氧封閉底漆的強(qiáng)度。

2）2 號(hào)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(hào)涂層A 與6 號(hào)涂層B 組合發(fā)生面漆內(nèi)聚破壞，但拉拔力已達(dá)到12.8 MPa。這說(shuō)明2 號(hào)涂層A 環(huán)氧屏蔽漆層與其他6 種重涂面漆層間結(jié)合力非常優(yōu)異。

3）3 號(hào)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(duì)較低。這說(shuō)明環(huán)氧云鐵中間漆層與個(gè)別氟碳面漆層間結(jié)合力，天冬聚脲高耐候面漆涂層本身結(jié)合力相對(duì)較弱。

4）4 號(hào)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(lái)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(jié)合力較差。

5）5 號(hào)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(wú)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(yàn)中，所有試驗(yàn)件的涂層拉拔附著力測(cè)試均大于5 MPa，滿足涂裝防護(hù)涂層附著力的一般要求，說(shuō)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?yàn)橥繉覣 原涂層層間或本身結(jié)合力相對(duì)較低。天冬聚脲高耐候面漆附著力相對(duì)較低，可能的原因是由于漆膜相對(duì)較厚，影響了涂層內(nèi)結(jié)合力。另外，相同種類的中間漆與面漆結(jié)合，層間結(jié)合力不同，可能是由于不同品牌涂料成分略有不同，造成結(jié)合力有所差別。

3.2 壓痕試驗(yàn)結(jié)果

從表3 可以看出，在涂層體系的配套性和重涂性試驗(yàn)中，涂層體系再涂后壓痕與原涂層壓痕相比，壓痕長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度來(lái)看，1 號(hào)涂層A 采用1-2 或1-4組合，2 號(hào)涂層A 采用2-7 組合，3 號(hào)涂層A 采用3-2組合，4 號(hào)涂層A 采用4-2 組合，5 號(hào)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(zhǎng)度與面漆種類關(guān)系很大，同種面漆涂覆在不同涂層A 上，壓痕長(zhǎng)度變化趨勢(shì)基本一致。例如，2 號(hào)涂層B 涂覆到涂層A 后，壓痕長(zhǎng)度與原涂層體系相比，均有不同程度的降低。

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

3.3 杯突試驗(yàn)結(jié)果

從表3 還可以看出，杯突試驗(yàn)測(cè)試值多在1.5～4.5 mm，分析可知：

1）從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，5 種在役涂層中，1 號(hào)涂層A 采用1-7 組合，2 號(hào)涂層A 采用2-5 組合，3 號(hào)涂層A 采用3-1 組合，4 號(hào)涂層A 采用4-2 或4-6 組合，5 號(hào)涂層A 采用5-7 組合，再涂后涂層的延展性較好。

2）國(guó)內(nèi)少數(shù)汽車廠家針對(duì)汽車涂層的杯突試驗(yàn)合格評(píng)判企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，杯突試驗(yàn)測(cè)試值5 mm 為合格。此時(shí)由于汽車涂層通常在100 μm 左右，而此次進(jìn)行杯突試驗(yàn)的涂層體系厚度均超過(guò)300 μm，涂層厚度增加導(dǎo)致漆膜的延展性必然明顯下降。

3）對(duì)于不同厚度的涂層體系，可分段設(shè)置合格標(biāo)準(zhǔn)。例如，涂層厚度為120 μm 時(shí)，杯突試驗(yàn)測(cè)試值≥5 mm 為合格；而300 μm≤涂層厚度≤400 μm時(shí)，杯突試驗(yàn)測(cè)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(qiáng)光照環(huán)境下設(shè)施設(shè)備的表面防護(hù)，旨在提高面漆耐候性能，增強(qiáng)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(hù)能力。因此，在進(jìn)行涂層再涂性和配套性評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)參照防護(hù)性涂層標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)考慮附著力滿足使用要求，提高涂層體系涂層的粘結(jié)力[21]，其次才是考慮硬度和延展性。

結(jié)合表2 中面漆的加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合分析新配套涂層的性能，重點(diǎn)考慮涂層結(jié)合力以及面漆抗粉化、變色、失光能力，涂層面漆修復(fù)時(shí)配套建議見(jiàn)表4。

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

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

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)瀕海鋼架結(jié)構(gòu)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(lái)修復(fù)設(shè)施設(shè)備的防腐性能，既能降低成本，又能縮短工期。

1）通過(guò)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(fù)時(shí)的涂層配套方案，可為大型鋼結(jié)構(gòu)工程面漆的重涂防腐施工提供重要參考和技術(shù)支撐。

2）在涂層配套性及再涂性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)中，施工過(guò)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(diǎn)測(cè)試涂層間結(jié)合力。由于施工工藝和涂料品牌的影響，涂層結(jié)合力有較大不同，但附著力均應(yīng)滿足工藝要求。

3）本試驗(yàn)是在常用成熟的涂層上進(jìn)行，壓痕試驗(yàn)與杯突試驗(yàn)結(jié)果與原涂層相差不大，只是參考因素。對(duì)于其他特殊用途的新型涂層配套試驗(yàn)，例如汽車涂層，壓痕試驗(yàn)與杯突試驗(yàn)仍是重要參考因素。