水工金屬防腐涂裝的設(shè)計與實踐

趙言凱，朱 琳，馬彩霞

(山東省水利勘測設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250000)

閘門、啟閉機等水工建筑長期在水流沖刷、干濕交替等惡劣的環(huán)境下運行，因此很容易出現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)的氣蝕、腐蝕以及磨損等結(jié)構(gòu)病害[1]。其中，腐蝕會增加金屬表面的粗糙度，再由于金屬組織結(jié)構(gòu)的不均勻性，腐蝕會破壞晶界、相界或其它組織的完整性，降低其結(jié)合強度。如果發(fā)生組織的選擇性腐蝕，大多是合金基體溶解(屬陽極相)，而在表面殘留碳化物或其他第二相顆粒(屬陰極相)，當磨頭滑過或粒子沖擊時很容易被剝落而增加磨損量[2]。針對水工工作環(huán)境下的金屬部件防腐蝕問題，工程通常采用的防腐蝕技術(shù)是覆蓋層保護結(jié)合非金屬噴涂技術(shù)或金屬電鍍技術(shù)。其中，金屬覆蓋法是在金屬表面覆蓋一層耐腐蝕性強的金屬或合金，常用的噴涂技術(shù)包括金屬涂層、碳化鎢金屬陶瓷等，該方法防護效果相對較好，但其抗磨性能不佳，覆蓋層容易遭到破壞。非金屬覆蓋法是將滲透效果比較好的非金屬物質(zhì)噴涂在金屬表面，常用的非金屬涂料包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯等，該方法施工簡單，但其存在耐久性不強、易褪色等問題[3]。因此，研究選取了納米鈦復(fù)合重防腐涂料作為底涂材料，并與1085A固化劑按4∶1的比例配置。同時，選用陶瓷防腐抗沖磨涂料作為面涂材料，并與1085NH按照100∶8的比例配制，從而形成了“納米鈦復(fù)合重防腐涂料+陶瓷防腐抗沖磨涂料”的復(fù)合防護涂層材料，以期在水工建筑的金屬防護上取得一定成效。

1 試驗制備與測試

1.1 試驗材料與設(shè)備

要實現(xiàn)對水工建筑金屬結(jié)構(gòu)的有效保護，必須滿足材料的性能要求，其中包括抗沖磨性能、變形協(xié)調(diào)性、粘結(jié)性能以及耐腐蝕性[4]。其中，抗沖磨性主要是為了防止金屬結(jié)構(gòu)因水流與泥沙的沖刷而導(dǎo)致防護涂層失效。變形協(xié)調(diào)性主要為了保證金屬涂層具有一定的柔韌性與收縮率以更好地適應(yīng)金屬材料因溫度改變造成的體積變化。粘結(jié)性能是為了防止金屬結(jié)構(gòu)涂層因附著力差而造成的起皮脫落現(xiàn)象，而金屬的耐腐蝕性則是確保防護涂層不容易被腐蝕性介質(zhì)破壞以達到更好的耐久性。常見的金屬防護涂層材料包括鋅、鋁以及其合金等，其防護性能相對較好，但存在抗沖磨性差的問題，水工金屬結(jié)構(gòu)很容易受水流與泥沙的沖擊的影響，導(dǎo)致防護覆蓋層被破壞從而造成腐蝕。而聚氨酯和環(huán)氧等非金屬涂層材料具有施工方便、涂層粘結(jié)性好等優(yōu)勢，因此研究選用環(huán)氧防腐材料進行配比試驗以測試材料的防護效果。試驗將采用改性環(huán)氧樹脂作為涂層基料，其具有相對較好的防腐性、粘結(jié)性和變形協(xié)調(diào)性等[5-6]。其中，環(huán)氧樹脂與稀釋劑的技術(shù)指標見表1。

表1 環(huán)氧樹脂與稀釋劑的技術(shù)指標

為提升材料的各項性能，試驗利用陶瓷類無機物、硫酸鋇、鈦粉以及納米氫化鈦等顏填料進行改性。其中，硫酸鋇能夠在金屬表面形成一層鈍化膜，進而使得透水率降低，達到很好的物理雙重防護效果。鈦粉能夠有效填補材料的結(jié)構(gòu)微孔，從而達到降低防護涂層滲透性的效果。同時研究運用超聲波球磨法接枝改性技術(shù)對環(huán)氧樹脂和納米鈦進行接枝處理，并按比例其他助劑混合以形成納米鈦復(fù)合重防腐涂料。此外，試驗將陶瓷類無機物與樹脂單體鍵合相結(jié)合制成了多官能團有機樹脂成膜物，同時連同其它助劑一起按照比例混合生成陶瓷防腐抗沖磨涂料[7]。另外，試驗選取了3種固化劑作為配備組分，其中包括1085A、1085NH以及復(fù)合2。確定好了試驗的材料，接著需要選用合適的實驗設(shè)備，防腐蝕材料性能試驗配備的設(shè)備見表2。

表2 防腐蝕材料性能試驗設(shè)備

由于底層涂膜直接與金屬結(jié)構(gòu)接觸，其粘結(jié)性能直接關(guān)乎到涂層的防護效果，而面層涂膜容易受到外界固體顆粒的磨損以及腐蝕性物質(zhì)的腐蝕，并且直接影響到金屬結(jié)構(gòu)的外觀。因此，試驗設(shè)計了雙重防護結(jié)構(gòu)，將陶瓷防腐抗沖磨涂料作為面層涂料，并以納米鈦復(fù)合重防腐涂料作為底層涂膜[8]。研究綜合考量涂層的粘結(jié)性、抗沖磨性、耐腐蝕性以及耐久性等，結(jié)合不同種類的固化劑配比，設(shè)計出了相對完善的復(fù)合防護材料試驗方案，具體方案見表3。

表3 復(fù)合防護材料的試驗搭配方案

1.2 試驗方法及性能測試

研究將對配備的金屬防護涂層材料進行一系列的性能測試，包括耐候性試驗、抗沖磨性能測試、柔韌性測試、耐水性測試、耐鹽霧性測試以及附著力測試。耐候性測試能夠?qū)Ψ雷o材料在光照與濕潤環(huán)境下的抗老化能力進行測試，研究選用尺寸為150mm×60mm×0.3mm的馬口鐵板當作實驗底材，先采用砂紙打磨鐵板表面，再使用丙酮對表面進行擦拭，然后將配備的防護涂層材料均勻地涂抹馬口鐵板表面，最后在設(shè)定的實驗環(huán)境中養(yǎng)護7d。研究主要通過紫外線加速耐候試驗箱對材料進行耐候性測試，試驗的程序設(shè)定為先在溫度為550℃的環(huán)境下進行8h的紫外輻射，接著再冷凝4h并淋雨20min，重復(fù)以上操作80次后將馬口鐵板取出并觀察涂層是否存在剝落與起泡等現(xiàn)象[9]。此外，抗沖磨性能測試主要是為了測試外層涂膜的長期防護效果，實驗首先準備的基底塊按水泥∶砂∶水泥=1∶0.6∶3配置，并選用內(nèi)徑為300mm，高為150mm的金屬圓模內(nèi)涂刷脫模劑，然后將配置的水泥采用分層的方式倒入圓模中。接著用實驗器材將表面的空氣排出并把多余的水泥抹平，試驗一共制備3個圓模，靜置24h后拆模，并在養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護30d以上。隨后使用手磨機對基底塊上表面進行打磨，同時在基地塊的表面涂抹配制的底層涂層材料，當出現(xiàn)待拔絲現(xiàn)象后繼續(xù)涂抹面層涂料，涂層的總厚度控制在1～1.5mm[10-11]。最后在養(yǎng)護環(huán)境下養(yǎng)護7d，并放入水中浸泡48h，抗沖磨性能測試的具體流程如圖1所示。

圖1 抗沖磨性能測試流程

耐水性測試主要是評估涂層材料的耐水能力，試驗選用的底材是尺寸為150mm×60mm×0.3mm的馬口鐵板，將其打磨后均勻涂上配置的防護涂層材料，一共制作了3個試件并在養(yǎng)護環(huán)境下養(yǎng)護7天。在測試時，先將馬口鐵板放入裝有純凈水的容器內(nèi)水位在試板的2/3位置，接著浸泡7d后取出[12-13]。耐鹽霧性測試中，先在試驗件的測試面劃出2道劃痕，接著使用鹽霧試驗機進行測試，試驗溫度為350℃，同時用50g/L的NaCl溶液進行噴淋，試驗時間為300h。測試完畢后，觀察涂層劃痕周圍的銹蝕程度[14]。柔韌性測試主要為了測試防護涂層的抗開裂性，試驗選用軟鋁板作為試驗底材，其尺寸為150mm×50mm×0.2mm，試驗先對其進行打磨并用丙酮進行清洗，再將配制好的涂層材料均勻涂抹在底材表面，涂層厚度為100±15μm，接著在標準養(yǎng)護環(huán)境下養(yǎng)護7d。在試驗測試中，先將試驗材料圍繞漆膜彈性試驗儀的軸棒勻速彎曲180°，再取下觀察涂層是否存在裂紋，如果尚未出現(xiàn)裂紋則繼續(xù)采用下一根軸棒測試直到涂層開裂。然后記錄當前導(dǎo)致開裂的軸棒直徑，具體的測試過程如圖2所示。

圖2 柔韌性測試過程

附著力測試主要評估涂層材料的粘結(jié)性能，試驗使用的底材是噴砂鋼板，其尺寸為150mm×60mm×0.3mm，試驗先將鋼板表面清洗干凈，再將準備好的涂層材料均勻地涂抹在底材表面，然后在標準養(yǎng)護環(huán)境中養(yǎng)護7d。在測試前一天，先在鋼板的涂層上切割出4個直徑為20mm的圓形拉拔區(qū)，再使用高強結(jié)構(gòu)膠將拉拔區(qū)與20mm的錠子粘結(jié)緊密，并靜置24h。測試時先將數(shù)顯拉開法附著力測試儀的套筒安裝在儀器的錠子上，接著下壓壓桿將錠子勻速拉升至涂層與鐵板脫離，然后讀取測試儀的粘結(jié)強度數(shù)據(jù)并記錄被測涂層破壞情況。

2 試驗結(jié)果與分析

為驗證不同固化劑與底涂和面涂的配合對防護涂層各個性能的影響效果，試驗采用了5種不同的組合方式進行性能測試。其中，組合方式見表4。

表4 不同固化劑與底涂和面涂的搭配方案

由于水流和砂粒首先會對涂層表面造成破壞，因此抗沖磨試驗的作用面設(shè)為基地塊的表面涂層。結(jié)果顯示組合1的磨損量最小，僅為8g，相比于其余兩種組合分別降低了2、12g。同時組合1的抗沖磨強度比其余兩種組合更高，且高達636.48h/(kg/m2)，相比于組合2、組合3，分別提升了129.07、381.7h/(kg/m2)，說明按照組合1的比例配備的防護涂層材料抗沖磨性能最佳，能夠很好地抵御水流及泥沙的沖蝕破壞。

試驗分別對5種組合進行4次附著力測試，并選取有效的試驗數(shù)據(jù)作為最終結(jié)果，測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，對于面涂材料，相比于組合2，組合1的有效平均附著力強度提升了0.38MPa，且達到了10.21MPa，同時其破壞狀態(tài)均為正常破壞。而組合3的防護涂層的附著力有效平均強度高達15.02MPa，但其破壞狀態(tài)全為非正常破壞，說明該組合的涂層和錠子之間的粘結(jié)強度小于基材和固化涂層之間的附著力。就底涂材料而言，組合5的防護涂層附著力強度更高，其有效平均強度比組合4高了0.44MPa。

圖3 不同組合的附著力測試結(jié)果

綜合耐候性、抗沖磨性以及附著力檢測結(jié)果，試驗確定選取納米鈦復(fù)合重防腐涂料作為底涂材料，并采用1085A作為固化劑，兩者的配置比例為4∶1。同時，將陶瓷防腐抗沖磨涂料作為面涂材料，并選取1085NH作為固化劑，兩者配制比例為100∶8。根據(jù)此配方配制的復(fù)合防護涂層的綜合防護性能測試結(jié)果見表5。由表5可知，該防護材料的耐鹽霧性、柔韌性以及附著力均優(yōu)于標準要求，說明該防護涂層材料具有十分優(yōu)異的性能，能夠滿足實際的防腐蝕需求。

表5 復(fù)合防護涂層的防護性能試驗結(jié)果

為進一步探究該復(fù)合防護材料的防護性能，研究設(shè)計了模擬防護涂層涂裝試驗，觀察面涂與底涂的參數(shù)隨一次混合量與溫度的變化情況，并分析涂層的厚度與流掛性之間的關(guān)系。試驗先對尺寸為200mm×80mm×10mm的圓柱形底板進行預(yù)處理，其中包括脫漆、打磨和清潔，然后使用油漆對底板進行區(qū)域劃分。接著在不同的溫度下，將防護材料涂抹到劃分好的區(qū)域中，并使用實驗工具記錄每個步驟的時間、材料混合量以及環(huán)境溫度等參數(shù)。另外，試驗使用涂層測厚儀對固化后的涂層厚度進行測量。其中，時間參數(shù)測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，底層涂料在溫度為10～20℃、一次混合量為200～500g時的可操作時間以及表干時間更符合實際需求。同時，涂層材料的表干時間與可操作時間隨溫度的升高而降低，且一次混合量越多，溫度上升越迅速，從而導(dǎo)致可操作時間急劇下降。因此，底涂材料的最佳施工溫度為10～20℃，并且一次混合量應(yīng)該控制在800g以內(nèi)。而面涂材料在溫度為10～20℃、一次混合量為200～500g時的可操作時間以及表干時間相對較長，因此在溫度合適的環(huán)境中可以適當增加一次混合量以加快其反應(yīng)速度。

圖4 底涂與面涂的時間參數(shù)測試結(jié)果

固化涂層厚度對流掛程度的影響效果如圖5所示。由圖5可知，當?shù)淄客繉雍穸炔怀^100μm、面涂涂層不超過200μm時，不會產(chǎn)生流掛現(xiàn)象，但對于基材的防護效果無法得以保證；當?shù)淄客繉雍穸瘸^100μm、面涂涂層超過200μm時，將發(fā)生明顯的流掛現(xiàn)象，同時可以看到當?shù)淄客繉雍穸瘸^250μm、面涂涂層超過500μm時，會出現(xiàn)嚴重的流掛現(xiàn)象。因此，綜合考慮材料的美觀性以及基材的防護效果，建議工程的底涂涂層厚度控制在100～200μm，面涂涂層的厚度控制在200～300μm。

圖5 涂層厚度對流掛程度的影響效果

3 結(jié)語

針對水工建筑的金屬部件容易出現(xiàn)腐蝕、磨損等病害問題，研究選取納米鈦復(fù)合重防腐涂料作為底涂材料，并與1085A固化劑按4∶l的比例配置。同時，選用陶瓷防腐抗沖磨涂料作為面涂材料，并與1085NH按照100∶8的比例配制。結(jié)果顯示，該材料的底涂柔韌性不超過1mm，面涂柔韌性不超過1.5mm。此外，底涂材料的最佳施工溫度為10～20℃，且一次混合量應(yīng)該控制在800g以內(nèi)，并且底涂涂層的最佳厚度為100～200μm，面涂涂層為200～300μm。說明研究采用的復(fù)合防護涂層材料能夠起到很好的應(yīng)用效果。但試驗只進行了耐候、耐鹽霧和附著力等單一環(huán)境下的性能測試，因此有待探究多因素共同影響下的材料防護性能。