前處理清潔度對涂裝維修后涂層附著力的影響

盛恩懷，金志剛，汪開喜，安云岐，李承宇，晁兵,*

（1.安徽省交通控股集團(tuán)池州高速公路管理中心，安徽 池州 247099；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230011；3.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；4.上海岐海防腐工程技術(shù)有限公司，上海 201914）

長期以來，橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝維修設(shè)計(jì)依據(jù)“經(jīng)濟(jì)合理、長效耐久、施工可行、符合環(huán)保”的原則，本著短期效益兼顧長期效益，達(dá)到合理、經(jīng)濟(jì)、耐久的目的，積極利用重防腐涂料、低表面處理涂料(帶銹涂料)等新材料、新工藝，重點(diǎn)解決橋梁功能需求，取得了一定的節(jié)能、環(huán)保效果。可能正因?yàn)榭紤]經(jīng)濟(jì)性、施工性與環(huán)保性，基體處理設(shè)計(jì)中清潔度已普遍降到Sa2級、St2級[1-4]。很多研究已表明底材處理質(zhì)量對涂裝體系防腐性能與使用壽命的影響占比超過70%[5-7]，加上維修涂裝中其他質(zhì)量因素的影響，因此不少橋梁鋼結(jié)構(gòu)工程維修不久即面臨再度維修的問題，讓橋梁工程運(yùn)營維保機(jī)構(gòu)難以接受。另據(jù)調(diào)查，我國大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁防腐涂裝初次維修時間也比設(shè)計(jì)壽命大幅提前，如設(shè)計(jì)的初始維護(hù)壽命雖有15 a，但實(shí)際只有10 a[8]。鑒于橋梁鋼結(jié)構(gòu)維修涂裝技術(shù)現(xiàn)狀及其市場正迅速擴(kuò)大，工程維修現(xiàn)場因響應(yīng)綠色環(huán)保政策前處理而主要采用打磨工藝。本文在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，針對不同清潔度等級下涂層的附著力(劃格法及拉開法)及其耐腐蝕能力開展相關(guān)對比試驗(yàn)研究，以期為橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝維修工程中基體處理的設(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原輔材料

環(huán)氧底漆(H)、低表面處理環(huán)氧底漆(D)，工業(yè)純，中遠(yuǎn)關(guān)西涂料化工(天津)有限公司；異丙醇，化學(xué)純，徐州沃德化工有限公司；剛玉砂布、OP120，湖北玉立砂帶集團(tuán)股份有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

F108-2D/ND17783拉拔儀、F10713222-1劃格器、E125-1噴砂粗糙度比較樣板、456型電子涂層測厚儀，Elcometer；E123A型粗糙度儀，上海從盛涂裝設(shè)備有限公司；FQY010鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，上海瑞穩(wěn)儀器設(shè)備廠。

1.3 制樣

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)試板(BZ)

馬口鐵板(0.28 mm × 120 mm × 50 mm)、鋼板(0.8 mm × 150 mm × 70 mm)，符合 GB/T 9271–2008《色漆和清漆 標(biāo)準(zhǔn)試板》的要求(如圖1a和1b所示)，東莞市大來儀器有限公司。

1.3.2 模擬銹蝕試板(MX)

蘸異丙醇清潔標(biāo)準(zhǔn)試板表面的油污，用砂紙打磨除去其表面氧化層，清潔后在鹽霧試驗(yàn)箱中放置24 h，取出后用純凈水沖洗，去除表面鹽分，晾干后備用(見圖1c和1e)。

1.3.3 涂裝制樣

試板表面清潔除油、砂紙打磨處理后(見圖1d和1f)，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)及HG/T 3656–1999《鋼結(jié)構(gòu)橋梁漆》的要求涂裝制樣，其中鹽霧試驗(yàn)試板涂裝2道(下同)，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置14 d后測試。

圖1 模擬初始基體試板Figure 1 Artificial substrate test specimens in different initial conditions

1.3.4 模擬維修試板(MW)

選擇上述涂裝制樣，用砂紙打磨去掉試板表面局部涂層并露出基體，在鹽霧試驗(yàn)箱中放置96 h后取出，用純凈水沖洗掉表面鹽分并晾干。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)，銹蝕表面用砂紙打磨處理成P St2級或P St3級，粗糙度Rz為8～12 μm，鄰近涂層形成斜面過渡(見圖2)。模擬維修試板打磨合格后，采用3.5%的鹽水涂刷，通過加速銹蝕來制成模擬返銹試板(見圖3)，再按要求涂裝制樣，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置14 d后測試。

圖2 模擬維修基體試板(左：鹽霧處理后；右：表面清潔處理后)Figure 2 Artificial substrate test specimens needing repair(Left: after salt spray corrosion; Right: after surface cleaning treatment)

圖3 模擬維修基體返銹試板MW3(左：鹽霧處理后；中：表面清潔處理St3級；右：再度鹽霧處理后)Figure 3 Artificial repaired and re-rusted substrate test specimens MW3(Left: after salt spray treatment; Middle: after St3-level surface cleaning treatment; Right: after salt spray treatment again)

1.4 性能測試

涂層厚度測量按照GB/T 4956–2003《磁性基體上非磁性覆蓋層 覆蓋層厚度測量 磁性法》進(jìn)行。

附著力測試按照GB/T 9286–1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》或GB/T 5210–2006《色漆和清漆 拉開法附著力試驗(yàn)》進(jìn)行。

鹽霧試驗(yàn)按照GB/T 1771–2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測定》進(jìn)行，評價參照GB/T 1766–2008《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》。

2 結(jié)果與討論

表1為試樣涂層附著力測試結(jié)果，其中相對破壞強(qiáng)度是以同類底漆、相同清潔度等級的標(biāo)準(zhǔn)試樣的破壞強(qiáng)度為基準(zhǔn)進(jìn)行測評。

表1 鹽霧試驗(yàn)不同時間后涂層的附著力測試數(shù)據(jù)Table 1 Adhesion test result of different coating specimens after salt spray corrosion at the same time

2.1 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下14 d后涂層的附著力

根據(jù)表1，除返銹試樣外，涂裝14 d后涂層試樣的附著力檢測結(jié)果均達(dá)到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范1級或不低于3 MPa的技術(shù)要求，其中St3級類試樣均達(dá)到0級與4 MPa以上，St2級類試樣達(dá)到1級與3 MPa以上，St3級的涂層附著力(劃格法)比St2級的超出1個等級，破壞強(qiáng)度普遍提高了30%以上，個別超過了50%。模擬銹蝕及模擬維修試樣涂層的相對破壞強(qiáng)度在St3級的情況下達(dá)到90%以上，St2級時達(dá)到80%以上，表明清潔度St3級下可保證涂層獲得更可靠的附著力；而返銹試樣H-MW-3、D-MW-3的附著力下降接近70%，只有2級，沒有達(dá)到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的技術(shù)要求，屬于不合格。在常規(guī)表面前處理等級下以及返銹試驗(yàn)中，低表面處理環(huán)氧底漆的附著力略優(yōu)于環(huán)氧底漆，但沒有表現(xiàn)出更優(yōu)的提升效果。

維修試樣附著力試驗(yàn)表明，St2級下存在的附著牢固的氧化皮、鐵銹、涂層或外來雜質(zhì)等對涂層附著力造成了明顯的不良影響，而即使前處理達(dá)到過St3級，如果表面返銹后不按規(guī)范要求重新清潔處理而野蠻涂裝，涂層附著力將無法滿足涂裝防護(hù)的基本要求。

2.2 中性鹽霧試驗(yàn)后不同清潔度的涂層附著力

2.2.1 144 h鹽霧試驗(yàn)后的涂層附著力

經(jīng)過144 h中性鹽霧試驗(yàn)后，所有試樣涂層的附著力都比試驗(yàn)前大幅下降，只有清潔度St3級(返銹除外)試樣的涂層附著力合格，其余均不合格，其中模擬銹蝕及模擬維修試樣中，St3級類涂層相對破壞強(qiáng)度下降到70%左右，低于環(huán)氧底漆標(biāo)準(zhǔn)試樣的76%，與低表面處理環(huán)氧底漆標(biāo)準(zhǔn)試樣71%相當(dāng)，而St2級類下降到60%以下。144 h鹽霧試驗(yàn)后，St3級的涂層附著力(劃格法)比St2級的超出1個等級，破壞強(qiáng)度普遍超出70%，表明采用同樣涂料涂裝的情況下，抵抗腐蝕介質(zhì)過程中清潔度St3級涂裝試樣的附著力保持能力明顯優(yōu)于St2級的試樣。

H-MW-3和D-MW-3的附著力在144 h鹽霧試驗(yàn)后下降超過60%，表明基體表面返銹加速了涂層附著力的下降。

2.2.2 240 h鹽霧試驗(yàn)后的涂層附著力

240 h中性鹽霧試驗(yàn)后，所有試樣涂層的附著力都比144 h時同類試樣出現(xiàn)了更大幅度的下降。模擬銹蝕及模擬維修試樣中，St3級類的涂層附著力(劃格法)雖然都能達(dá)到1級的合格要求，但其相對破壞強(qiáng)度已下降到60%左右，與環(huán)氧底漆標(biāo)準(zhǔn)試樣71%的差距進(jìn)一步拉大，比低表面處理環(huán)氧底漆標(biāo)準(zhǔn)試樣的67%差；St2級類則下降到40%以下，下降幅度明顯大于St3級試樣，除標(biāo)準(zhǔn)試樣外，St2級試樣涂層附著力均不合格。St3級涂層的破壞強(qiáng)度普遍比St2級超出1倍，而模擬St3級清理后返銹的H-MW-3和D-MW-3試樣的附著力下降了接近90%。

在維修涂裝中，表面清潔度St3級與St2級的區(qū)別見表2。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，St2級下殘存的氧化皮、鐵銹等將會引起涂層附著力的快速下降，導(dǎo)致涂層防護(hù)體系加速失效。董佳晨等通過測量不同表面預(yù)處理的金屬/有機(jī)涂層體系的莫特肖特基曲線，研究了不處理、除油、鹽酸侵蝕、鹽水浸蝕等4組不同體系的半導(dǎo)體性質(zhì)和電容行為，證明了基體表面污染會促進(jìn)界面電化學(xué)腐蝕，削弱有機(jī)涂層的防護(hù)性能[9]。從表3也可知，僅除去5%氧化皮和除去所有氧化皮時鋼板的腐蝕速率相差近10倍[7]。上述研究成果為橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝維修前處理設(shè)計(jì)提供了良好借鑒。

表2 采用手工和動力工具對未涂與已涂鋼材表面進(jìn)行清潔處理的等級要求Table 2 Hand and power tool cleaning grades for uncoated and coated steel substrates

表3 氧化皮去除程度對鋼鐵腐蝕速率的影響[7]Table 3 Effect of the degree of scale removal on corrosion rate of steel [7]

2.3 對橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝維修前處理設(shè)計(jì)的建議

目前，我國交通路橋養(yǎng)護(hù)行業(yè)正積極推進(jìn)全壽命周期成本管理理念。針對橋梁運(yùn)營管理，以預(yù)防性養(yǎng)護(hù)為基本，運(yùn)用資產(chǎn)管理理念，以生命周期成本最小化為目標(biāo)，提高養(yǎng)護(hù)效率，保證橋梁工程安全、高效和長期使用。而“長效耐久”將大幅減少維修頻次，形成巨大的社會、經(jīng)濟(jì)與節(jié)能、環(huán)保等綜合效益。

雖然現(xiàn)有研究表明，涂裝維修時將前處理清潔度降到St2級并采用低表面處理環(huán)氧底漆，可在一定程度上減少涂裝作業(yè)成本，但本試驗(yàn)結(jié)果表明這種設(shè)計(jì)即使維修時涂層性能通過了技術(shù)驗(yàn)收，隨著工程的繼續(xù)運(yùn)行，涂裝維修時存在的設(shè)計(jì)隱患將快速體現(xiàn)，如涂層局部起泡、滲銹甚至開裂、剝落，并持續(xù)蔓延，導(dǎo)致維修工程達(dá)不到預(yù)期使用壽命，將不得不提前再次維修，不僅造成直接的經(jīng)濟(jì)損失，還因頻繁維修而給交通運(yùn)輸、節(jié)能環(huán)保等方面造成極大損害。

基于全壽命周期成本管理理念，涂裝維修設(shè)計(jì)時應(yīng)針對現(xiàn)有工程類型、工況、余壽等技術(shù)參數(shù)，在科學(xué)決策本次涂裝維修涂層體系的使用壽命的基礎(chǔ)上，選擇相應(yīng)的涂層配套體系，其中前處理設(shè)計(jì)清潔度優(yōu)選St3級。

3 結(jié)論

(1) 維修涂裝前處理清潔度對涂層附著力有明顯影響，St3級試樣顯著優(yōu)于St2級試樣。

(2) 維修涂裝前處理清潔度對涂層附著力的耐久性有極大影響，St2級試樣涂層的失效速度顯著大于St3級試樣涂層。

(3) 維修涂裝前處理后出現(xiàn)返銹的話，涂層的附著力及耐久性將受到嚴(yán)重破壞，必須重新清潔合格后方可涂裝。