影響橋梁工程密封涂裝相容性的因素

盛恩懷，金志剛，李承宇，馬超，汪開(kāi)喜，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.上海岐海防腐工程技術(shù)有限公司，上海 201914；3.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221111；4.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）

密封涂裝是指采用密封膠處理結(jié)構(gòu)表面或各類(lèi)縫隙后又在其表面涂裝面漆的復(fù)合涂層配套防護(hù)技術(shù)。密封涂裝在提高密封屏蔽防護(hù)性能的同時(shí)，不僅具有美化裝飾作用，而且面漆還能為膠體提供額外的功能(如耐光、耐久等)，進(jìn)一步延長(zhǎng)整個(gè)體系的使用壽命。從1995年汕頭海灣大橋采用北京航材院開(kāi)發(fā)的聚硫主纜防護(hù)涂裝體系以來(lái)，密封涂裝配套技術(shù)以密封可靠、持續(xù)耐久的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在橋梁工程的主纜、吊索及各類(lèi)伸縮縫、接縫，甚至是螺栓的防護(hù)上[1-3]。目前橋梁工程常用的密封膠主要有聚硫和MS硅烷改性密封膠，涂料則主要有聚氨酯和氟碳面漆。MS硅烷改性密封膠是一種新型密封材料，以硅烷改性聚醚樹(shù)脂、增塑劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、功能助劑等制備而成，可利用空氣中的水分完成硫化。該產(chǎn)品綠色環(huán)保，綜合性能優(yōu)異，已在日本、歐美等國(guó)家和地區(qū)普遍應(yīng)用[1]。

2009年7月建成通車(chē)的廣州獵德大橋是我國(guó)第一座主纜采用硅烷改性密封涂裝技術(shù)的懸索橋，其后該技術(shù)被推廣到江蘇新溝河大橋、江西贛江大橋、湖南矮寨大橋等。目前我國(guó)從南到北、由東到西已有黑龍江陽(yáng)明灘大橋、浙江洋溪大橋、湖南澧水特大橋、廣西英華大橋、貴州烏江特大橋等數(shù)十座特大型橋梁 應(yīng)用了密封涂裝工程，且經(jīng)過(guò)質(zhì)量跟蹤和工程走訪認(rèn)證，它們的防護(hù)效果都很好。但值得注意的是，在涂裝作業(yè)及工程回訪中發(fā)現(xiàn)了不少技術(shù)問(wèn)題，如：涂層在密封膠層上的附著力差，嚴(yán)重的會(huì)脫落；涂層的柔韌性差，劃格時(shí)劃痕周邊的涂層脆裂；一些工程出現(xiàn)涂層過(guò)早開(kāi)裂、涂層碎裂等現(xiàn)象[4-5]。一些工程的缺陷甚至分布在整個(gè)密封涂裝防護(hù)體系中(見(jiàn)圖1)。涂層的失效不僅會(huì)破壞整個(gè)工程的裝飾效果，還令密封膠層直接面對(duì)腐蝕環(huán)境，導(dǎo)致整個(gè)密封涂裝體系的防護(hù)壽命大幅縮短。

圖1 橋梁工程密封涂裝相容性問(wèn)題的現(xiàn)場(chǎng)情況 Figure 1 Field situation of the compatibility problem between sealing and coating in some bridge projects

膠與油漆屬于兩種理化性能懸殊的涂裝材料：膠層的彈性和拉伸性能好，模量低；面漆涂層則硬度較高，拉伸性能不足。兩者如果協(xié)調(diào)不當(dāng)，自然會(huì)出現(xiàn)配套問(wèn)題，如劃格時(shí)因膠層模量小、變形大，劃痕周邊面漆層會(huì)發(fā)生碎裂；刮膠后，涂裝作業(yè)間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，膠層表面因吸附灰塵、油污過(guò)多而導(dǎo)致面漆層的附著力下降；等等。這些問(wèn)題通過(guò)采取提高密封膠模量、嚴(yán)格涂裝作業(yè)間隔、清潔膠層表面等措施后能得到一定的改進(jìn)，但有關(guān)研究表明[6]，施工因素并不是解決問(wèn)題的關(guān)鍵，密封膠和面漆中有關(guān)原材料的相互干擾才是核心影響要素。本文針對(duì)前期研究發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題開(kāi)展進(jìn)一步試驗(yàn)，對(duì)比分析密封涂裝相關(guān)產(chǎn)品中組分的相互影響，研究解決措施，為密封涂裝工程技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

(1) 密封膠原材料：硅烷改性樹(shù)脂MS S303H，日本鐘化；增塑劑DL-3000D，山東藍(lán)星；增塑劑DIDP，美孚石油；增塑劑TCPP-1，揚(yáng)州晨化；納米鈣CCS-H，廣西華納；重鈣TC-8，廣西科隆；鈦白粉R960，杜邦；紫外吸收劑326、光穩(wěn)定劑770、抗氧劑1010，巴斯夫；偶聯(lián)劑A171(用于脫水)、偶聯(lián)劑A1120(促進(jìn)附著力)，邁圖；氣相二氧化硅R972，德固薩；聚酰胺蠟SL，克雷威利；有機(jī)錫催化劑U-220H，日東化成。

(2) 雙組分面漆：氟碳面漆HS-50(F HS)、聚氨酯面漆HS-50(PU HS)、聚氨酯面漆3010、聚硅氧烷面漆AC-30，中遠(yuǎn)關(guān)西；水性氟碳面漆樣品SF01，徐州三為。

(3) 自噴漆SEA160(單組分熱塑性聚氨酯漆)，深圳賽亞。

1.2 儀器

DLH-5L雙行星攪拌機(jī)：佛山金銀河；切片機(jī)：凱特爾；邵A硬度計(jì)：南京蘇測(cè)；3000N拉力試驗(yàn)機(jī)：濟(jì)南美特斯；劃格器：天津試驗(yàn)。

1.3 試樣制備

1.3.1 硅烷改性密封膠(簡(jiǎn)稱(chēng)MS密封膠)

根據(jù)表1所示的MS密封膠配方配料，按圖2所示的工藝制樣。

表1 不同硅烷改性密封膠的配方 Table 1 Formulas of different silane-modified sealants

圖2 硅烷改性密封膠制備工藝的示意圖 Figure 2 Schematic diagram of the process for preparing silane-modified sealant

1.3.2 密封涂裝

參照J(rèn)T/T 694–2007《懸索橋主纜系統(tǒng)防腐涂裝技術(shù)條件》中“4.3.3施工工藝”先在平板上刮制MS密封膠層，待其硫化后控制膠層厚2 ~ 3 mm(可用測(cè)厚儀、千分尺、卡尺等通過(guò)切片法測(cè)量)，待MS密封膠硫化徹底或經(jīng)過(guò)24 h表面硫化深度≥2 mm后按涂料產(chǎn)品要求涂裝1 ~ 2道面漆，自然干燥7 d，所得面漆厚度為60 ~ 80 μm。

1.4 性能測(cè)試

按GB/T 528–2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》測(cè)試密封膠層的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率。按GB/T 531.1–2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗(yàn)方法 第1部分：邵氏硬度計(jì)法(邵爾硬度)》測(cè)量密封膠層的硬度。以面漆層在密封膠層上的附著力來(lái)評(píng)價(jià)配套體系的相容性(見(jiàn)圖3)，按GB/T 9286–1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》測(cè)試面漆層的附著力。

圖3 密封涂裝相容性的示意圖 Figure 3 Schematic diagram of compatibility between sealing and coating

2 結(jié)果與討論

2.1 涂料的影響

從表2可知，溶劑型和水性面漆普遍出現(xiàn)與密封膠層不相容的問(wèn)題，說(shuō)明現(xiàn)有問(wèn)題應(yīng)與涂料的溶劑不相關(guān)。單組分的SEA160沒(méi)有出現(xiàn)密封涂裝相容性問(wèn)題，表明相容性問(wèn)題可能與雙組分的固化體系存在相關(guān)性，但F HS和AC-30卻沒(méi)有出現(xiàn)相容性問(wèn)題，說(shuō)明相容性問(wèn)題也不是必然發(fā)生的。

表2 不同面漆與密封層的相容性 Table 2 Compatibility between different sealing layers and top coatings

與密封涂裝體系相比，涂裝密封時(shí)(如對(duì)構(gòu)件縫隙、伸縮縫密封保護(hù)時(shí)，先對(duì)構(gòu)件基體進(jìn)行防腐涂裝，待涂料涂層實(shí)干后再刮涂密封膠，必要時(shí)密封膠層表面再涂裝面漆，與整個(gè)構(gòu)件融為一體)，基本不出現(xiàn)相容性問(wèn)題。二者最大的不同在于：涂裝表面進(jìn)行密封作業(yè)時(shí)涂層已實(shí)干固化且與MS密封膠接觸界面間無(wú)活性物質(zhì)對(duì)膠體形成負(fù)面影響，MS密封膠硫化期間其組分即使對(duì)油漆涂層形成浸滲，也難以對(duì)已固化涂層造成破壞。密封涂裝時(shí)則不然，一是即使MS密封膠層已完全硫化，但涂裝的涂料在固化期間可對(duì)網(wǎng)格狀MS密封膠層形成明顯浸滲，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)涂料中的溶劑甚至可以擴(kuò)散穿透整個(gè)MS密封膠層；二是MS密封膠即使完全硫化，膠體中的增塑劑、催化劑雖然被樹(shù)脂、填料束縛，但自由度仍較明顯[7]，因此面漆中的活性組分(如固化劑)有可能與MS密封膠中的相關(guān)活性成分反應(yīng)，從而破壞密封涂裝的界面結(jié)合，嚴(yán)重時(shí)甚至損害了面漆層的性能。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，氟碳、聚氨酯等面漆的固化劑主要有芳香族和脂肪族異氰酸酯這2類(lèi)。脂肪族異氰酸酯主要有HDI(六亞甲基二異氰酸酯)?TMP(三羥甲基丙烷)加成物、HDI縮二脲、HDI三聚體，其中三聚體的黏度低，易儲(chǔ)存，所制涂層具有優(yōu)異的耐熱、耐光、耐候和耐溶劑性能，一般用于高檔涂料；而芳香族異氰酸酯因耐黃變性差，價(jià)格較低，只能用于普通面漆。本文所用面漆中，F(xiàn) HS和PU HS均使用脂肪族異氰酸酯，3010和SF01則采用芳香族異氰酸酯，而SEA160和AC-30無(wú)需使用異氰酸酯。從表2來(lái)看，沒(méi)有異氰酸酯的面漆無(wú)密封涂裝相容性問(wèn)題，脂肪族異氰酸酯面漆個(gè)別出現(xiàn)了密封涂裝相容性問(wèn)題，芳香族異氰酸酯面漆則全部出現(xiàn)了密封涂裝相容性問(wèn)題，表明面漆中的異氰酸酯固化劑應(yīng)是密封涂裝相容性問(wèn)題的關(guān)鍵影響因素。

現(xiàn)有研究[8]表明：HDI固化劑與羥基反應(yīng)力弱，但在有機(jī)錫催化下能快速固化，且芳香族異氰酸酯的反應(yīng)活性為脂肪族異氰酸酯的3倍。這表明含有芳香族異氰酸酯是3010和SF01與密封的相容性比含有脂肪族異氰酸酯的PU HS更差的原因。

采用脂肪族異氰酸酯的PU HS在與MS3密封涂裝中的相容性不佳，則可能是由于MS3硬度比MS1和MS2低，受到外力作用時(shí)硬度低的膠層局部變形更大，導(dǎo)致面漆因柔韌性相對(duì)不足而碎裂破壞(JT/T 694–2007標(biāo)準(zhǔn)中要求密封膠扯斷伸長(zhǎng)率不低于250%，而常規(guī)面漆伸長(zhǎng)率小于150%，一般僅有50%[9])。鑒于此，一些橋梁密封涂裝工程進(jìn)行柔性面漆試驗(yàn)并取得較積極的效果[10-12]，但橋梁行業(yè)現(xiàn)有柔性面漆的斷裂伸長(zhǎng)率最大也只是150%左右，還未見(jiàn)達(dá)到250%甚至600%的工業(yè)面漆產(chǎn)品[13]，完全依靠提高面漆伸長(zhǎng)率來(lái)解決密封涂裝相容性還存在較大的技術(shù)問(wèn)題與經(jīng)濟(jì)難度。

因此，解決措施是應(yīng)優(yōu)先選用不含異氰酸酯的面漆，其次可選用價(jià)格較高的脂肪族異氰酸酯面漆，慎選甚至是不選芳香族異氰酸酯。經(jīng)橋梁工程施工驗(yàn)證，采用脂肪族異氰酸酯的面漆取得了良好的密封涂裝配套效果。

2.2 MS密封膠的影響

2.2.1 增塑劑

3010和SF01涂層從MS2膠層上完全脫落，失去附著力，卻能較好地附著在MS1膠層上，僅部分位置出現(xiàn)脆裂。這2種密封膠唯一的區(qū)別在于使用了不同的增塑劑。MS2中使用了DL-3000D聚醚多元醇增塑劑，這是密封涂裝相容問(wèn)題的主要影響因素。從現(xiàn)有研究成果[5-6]來(lái)看，密封涂裝時(shí)，面漆中的異氰酸酯接觸或滲入膠層后被膠層中的聚醚多元醇捕捉反應(yīng)，膠層中的有機(jī)錫催化劑也將加速其反應(yīng)，最后造成面漆固化不足、無(wú)附著力等嚴(yán)重的相容性問(wèn)題。

F HS及聚氨酯面漆與MS2相容配套表明，即使脂肪族異氰酸酯可能會(huì)與膠層中的聚醚多元醇反應(yīng)，但因反應(yīng)速率明顯慢于芳香族異氰酸酯，故最終沒(méi)有對(duì)相容性造成明顯的破壞。

膠層中羥基含量及其活性將對(duì)密封涂裝配套性產(chǎn)生負(fù)面影響，膠層表面及膠層中羥基的其他來(lái)源主要有膠層表面吸附的水分子，膠體中偶聯(lián)劑除水后殘存的醇類(lèi)物、MS密封膠與水分固化后產(chǎn)生的醇類(lèi)殘余物等。這些較低分子量的含羥基物質(zhì)也會(huì)對(duì)密封涂裝相容性直接造成負(fù)面影響，可能由于相對(duì)較少，這些羥基物質(zhì)的影響遠(yuǎn)小于MS密封膠中含量一般超過(guò)10%以上的聚醚多元醇的影響。

2.2.2 硬度

MS3與MS1都采用了DIDP，但MS3在與脂肪族異氰酸酯面漆配套中的表現(xiàn)明顯不如MS1，除去二者填料不同可能產(chǎn)生的輕微影響，二者硬度上的明顯差別應(yīng)是主要因素。表3列出了各密封膠的相關(guān)性能。中高硬度膠層在面漆涂層遇到外力作用時(shí)能起到更有利的支撐作用，可有效防止涂層局部變形過(guò)大或遭到破壞。

表3 不同硅烷改性密封膠的硬度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率 Table 3 Hardness, tensile strength, and elongation at break of different silane-modified sealants

2.2.3 解決措施

(1) 聚環(huán)氧丙烷醚二元醇(DL-3000D)、聚丙二醇(PPG-3000)等多元醇類(lèi)增塑劑不僅價(jià)格明顯優(yōu)于鄰苯類(lèi)(DIDP)、氯酯類(lèi)(TCPP-1)增塑劑，而且也沒(méi)有上述增塑劑帶給MS密封膠的不良?xì)馕叮虼藦V受歡迎。但橋梁工程密封涂裝施工時(shí)應(yīng)避免選擇采用多元醇類(lèi)增塑劑的MS密封膠，MS4、MS5及現(xiàn)有研究[5-6]都證明了優(yōu)選改進(jìn)效果。

(2) 橋梁工程密封涂裝結(jié)構(gòu)的局部位移一般較小，因此現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MS密封膠拉伸強(qiáng)度要求較高(如JT/T 694–2007標(biāo)準(zhǔn)中要求≥2.5 MPa)，但沒(méi)有對(duì)MS密封膠硬度提出明確的技術(shù)要求。橋梁工程密封涂裝施工時(shí)在保證MS密封膠相關(guān)性能達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，應(yīng)優(yōu)選中高硬度產(chǎn)品。對(duì)相關(guān)橋梁工程密封涂裝施工跟蹤檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，MS密封膠硬度提高后，密封涂裝相容性得到顯著改善。

3 結(jié)語(yǔ)

橋梁工程密封涂裝相容性問(wèn)題與面漆中異氰酸酯固化劑、MS密封膠中多元醇增塑劑直接相關(guān)。面漆選用不含異氰酸酯產(chǎn)品可有效解決密封涂裝相容性問(wèn)題，其次可選擇脂肪族異氰酸酯面漆。MS密封膠應(yīng)選用不含有多元醇類(lèi)增塑劑的產(chǎn)品，并優(yōu)選中高硬度的產(chǎn)品。