鐵路鋼橋超長耐久防腐涂裝體系設計研究

李曉波

中國鐵路設計集團有限公司，天津300308

近年來國家在沿海地區以及西部川藏地區規劃建設了多條鐵路，惡劣大氣腐蝕環境對鐵路鋼橋的耐久性設計提出嚴峻考驗［1］。根據國內外鋼橋防腐經驗，在保障涂料質量和施工質量的前提下，現有防腐涂裝體系的設計防護年限為15～25年，而橋梁的設計使用年限通常為100 年［2］。如果考慮防腐涂裝體系的設計防護年限為20 年，在鋼橋整個設計使用年限內，除了鋼橋的初始涂裝以外，還要進行至少4 次以上的大修維護涂裝，大大增加了鋼橋全壽命周期涂裝費用，而且重新維護涂裝對于施工環境和施工工藝要求極高。為此，在現有鐵路鋼橋防腐涂裝體系的基礎上設計研發了新型超長耐久防腐涂裝體系。本文通過試驗研究新型環氧烯鋅底漆以及石墨烯氟碳面漆的耐久性能。

1 新型超長耐久防腐涂裝體系簡介

石墨烯穩定的sp2 雜化結構能使其在金屬與腐蝕性介質之間形成物理阻隔層，阻止擴散滲透。不論是在1 500 ℃的高溫環境下，還是在具有腐蝕介質條件下，石墨烯均能保持結構穩定［3］。

現有鐵路鋼橋防腐涂裝采用Q/CR 749.1—2020《鐵路橋梁鋼結構及構件保護涂裝與涂料 第1部分：鋼梁》［4］中第 6 套或第 7 套涂裝體系。第 6 套和第 7 套防腐涂裝體系的主要差異是面漆，第6 套采用的是丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆，第7 套采用的耐老化性能更好的氟碳面漆。新型超長耐久防腐涂裝體系（以下簡稱新型涂裝體系）選擇在第7套防腐涂裝體系（環氧富鋅底漆+云鐵環氧中間漆+氟碳面漆）的基礎上利用石墨烯改性底漆和面漆，延長設計防護年限，實現對鋼橋結構的長效防護。

新型涂裝體系由三部分組成：①環氧烯鋅底漆。環氧富鋅底漆中摻入石墨烯，以提高涂層間的導電性能、鋅粉利用率，充分發揮陰極保護作用。石墨烯的疏水性能以及二維片層結構形成的高屏蔽隔絕層，可大大減緩涂層的銹蝕速率。②云鐵環氧中間漆。中間漆與鐵路第7套防腐涂裝體系相同。③石墨烯氟碳面漆。進口高性能FEVE（fluoroethylene vinyl ether）氟碳樹脂摻入石墨烯，以提高氟碳面漆的耐光老化性能。

2 涂裝性能試驗研究

2.1 底漆性能試驗

1）疏水性能

涂層的疏水性能可用涂層與水的接觸角來表征。接觸角越大，涂層疏水性能越好。

試驗測量了不同石墨烯摻量時環氧烯鋅底漆涂層與水的接觸角，結果見圖1。可見：隨著石墨烯摻量增加，涂層與水的接觸角不斷增大，涂層疏水性能越來越好，但當石墨烯摻量（石墨烯質量/環氧烯鋅底漆質量）大于0.5%時，涂層與水的接觸角開始減小。這是因為隨著石墨烯摻量增加，底漆的顏料體積濃度升高，導致涂層表面不光滑，涂層的疏水性能下降。

圖1 底漆涂層與水的接觸角隨石墨烯摻量變化曲線

2）耐濕熱性能

設計了不摻、摻入0.5%石墨烯的環氧富鋅底漆樣板，樣板涂層厚度均為25 μm，干膜鋅含量均為60%，進行耐濕熱性能對比試驗，結果見圖2。可見，石墨烯摻量0.5%的環氧烯鋅底漆具有很好的耐濕熱性能。其耐濕熱500 h 后樣板表面無明顯銹蝕、起泡等現象，而不摻石墨烯的環氧富鋅底漆耐濕熱500 h后涂層樣板出現了明顯的銹蝕。

圖2 底漆樣板耐濕熱性能對比

3）耐鹽霧性能

環氧烯鋅底漆樣板涂層厚度為80 μm，干膜鋅含量大于60%，石墨烯摻量為0.5%。耐鹽霧性能試驗的測定方法和技術要求按照Q/CR 749.1—2020執行。

環氧烯鋅底漆耐鹽霧4 500 h后樣板表面無起泡、無生銹、無開裂、無剝落（圖3），劃痕處24 h無紅銹，明顯優于標準要求（環氧富鋅底漆樣板耐鹽霧1 000 h后表面可以有輕微起泡，無紅銹，劃痕處24 h無紅銹）。

4）其他技術指標

委托第三方檢測機構對環氧烯鋅底漆的各項技術指標進行檢測。送檢樣板底漆厚度80 μm，石墨烯摻量0.5%，檢測方法和技術要求按照Q/CR 749.1—2020 執行。檢測結果表明，環氧烯鋅底漆不揮發物中金屬鋅含量為71%，略低于標準75%要求。這是由于摻加石墨烯提高了底漆的導電性能和鋅粉利用率，因此環氧烯鋅底漆減少了金屬鋅的含量，其比環氧富鋅底漆更加環保。環氧烯鋅底漆其余各項物理力學性能指標均滿足標準要求。

綜上，環氧烯鋅底漆的疏水性能、耐濕熱性能均較環氧富鋅底漆更加優異，耐鹽霧時間（4 500 h）更是達到環氧富鋅底漆（1 000 h）的4.5 倍以上，其他各項性能指標也滿足標準要求。

2.2 面漆性能試驗

1）耐老化性能

防腐涂裝體系中面漆的主要功能為耐老化［5］，因此對未摻石墨烯的氟碳面漆和石墨烯氟碳面漆開展人工加速老化試驗。試驗方法參照Q/CR 749.1—2020執行。兩種面漆樣板保光率對比見圖4。

圖4 兩種面漆樣板保光率對比

由圖4 可見：耐人工加速老化時間小于5 000 h時，兩種面漆樣板的保光率差異較小且均大于90%；老化時間大于5 000 h時，未摻石墨烯的氟碳面漆樣板保光率開始減小，老化6 000 h 時其保光率僅有75%，而石墨烯氟碳面漆樣板在老化6 800 h 時保光率仍高達93%，遠高于標準要求（老化3 000 h 時保光率不小于80%）。

2）其他技術指標

委托第三方檢測機構對石墨烯氟碳面漆的各項技術指標進行檢測。送檢樣板面漆厚度70 μm，同標準中第7 套防腐涂裝體系面漆厚度一致，檢測方法和技術要求按照Q/CR 749.1—2020 執行。檢測結果表明：石墨烯氟碳面漆各項物理力學性能指標均滿足或優于標準要求；石墨烯氟碳面漆耐人工加速老化6 800 h 時保光率大于90%，且其人工加速老化性能還有進一步提高的空間。

綜上，石墨烯氟碳面漆耐老化性能優異，耐人工加速老化時間（6 800 h）是標準中氟碳面漆指標要求（3 000 h）的2.2 倍以上，其他各項性能指標也滿足標準要求。

2.3 防護年限

新型涂裝體系設計參數見表1。

表1 新型涂裝體系設計參數

超長耐久防腐涂裝體系各涂層厚度與第7套防腐涂裝體系均保持一致。環氧烯鋅底漆層耐鹽霧時間是第7 套防腐涂裝體系的4.5 倍以上，面漆層耐人工加速老化時間是第7 套防腐涂裝體系的2.2 倍以上，可見新型涂裝體系的設計防護年限是鐵路鋼橋第7套防腐涂裝體系的2倍以上。

根據國內外鋼橋防腐涂裝經驗，傳統防腐涂裝體系設計防護年限通常為15 ～25年，因此可推算新型涂裝體系的設計防護年限至少可以達到30 ～50 年。如果質量控制措施得當，可實現更長的防護年限。

3 檢驗方法及標準

環氧烯鋅底漆和石墨烯氟碳面漆均含有石墨烯，Q/CR 749.1—2020 中沒有專門針對石墨烯的檢驗方法和檢驗標準。因此環氧烯鋅底漆、石墨烯氟碳面漆除了須滿足Q/CR 749.1—2020 中要求的檢驗項目以及檢驗標準外，還應按下列檢驗方法及標準進行進場檢驗，以保證其質量和性能。

3.1 環氧烯鋅底漆進場檢驗

環氧烯鋅底漆進場須檢驗：①按照HG/T 5573—2019《石墨烯鋅粉涂料》［6］核實是否含有石墨烯材料。樣品經高速離心處理完畢后，采用掃描電鏡能譜法檢測。該方法適用于石墨烯摻量不低于2‰的石墨烯材料。②按照GB/T 1771—2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測定》［7］測試96 h 耐鹽霧腐蝕性能。涂層要求涂裝2 道，涂層總厚度80 μm，在試板上劃一道平行于試板長邊的劃痕進行試驗。性能要求為鹽霧腐蝕96 h 樣板劃痕處無紅銹，遠高于Q/CR 749.1—2020中24 h劃痕處無紅銹的要求。

3.2 石墨烯氟碳面漆進場檢驗

石墨烯氟碳面漆進場須檢驗：①核實是否含有石墨烯。石墨烯氟碳面漆中石墨烯摻量在0.1‰ ～0.5‰，摻量較少，采用現有離心電鏡掃描法無法檢測，因此只能檢查石墨烯原材料廠家提供的證明文件，確保進場面漆中含有石墨烯。②檢查進口高性能FEVE 氟碳樹脂廠家提供的證明文件，須氟碳樹脂在基料組分中含量不小于63%。

4 施工工藝

4.1 表面預處理

1）鋼構件表面噴砂除銹前應進行預處理，粗糙焊縫打磨平順，銳邊用砂輪打磨成曲率半徑不小于2 mm的圓角，表面層疊、裂縫、夾雜物須打磨處理，必要時補焊。表面油污應采用專用清潔劑進行低壓噴洗或軟刷刷洗，鹽分超標時應采用高壓淡水沖洗。

2）鋼構件表面噴砂除銹用磨料應滿足Q/CR 749.1—2020 的要求，噴砂氣體壓力值應不小于0.5 MPa，且應無油無水無雜質。

3）鋼表面除銹等級應達到GB/T 8923.1—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理》規定的Sa3.0 級，鋼表面粗糙度要求在25～70 μm。采用車間底漆的鋼構件外表面在涂裝底漆前應采用噴砂方法進行處理。

4.2 涂層施工

1）表面預處理與噴涂底漆之間的間隔時間應盡可能縮短。晴天或濕度不大的條件下間隔時間最長不宜超過4 h。底漆層、中間層最長暴露時間不應超過7 d，兩道面漆噴涂間隔若超過7 d 須用細砂紙打磨成細微毛面。

2）對構件的粗糙表面、不平整焊縫表面、板邊、彎角、流水孔等不易噴涂部位或難以保證厚度的部位用刷子進行預涂。涂裝應均勻，不得漏涂。預涂既要保證厚度，又要避免流掛。

3）大面積區域采用高壓無氣噴涂方式施工。施工時應均勻涂覆在鋼構件表面，壓蓋1/3 至1/2，壓蓋要均勻，先難后易，分片涂裝。噴涂時行槍速度要均勻，噴槍與工作面保持垂直，兩者距離以350 ～400 mm為宜。

4）噴涂末道面漆前應首先對吊裝及運輸過程中產生的局部破損處、吊耳切面等部位進行修復。先清理破損區周圍涂層，延伸至未破損區50 ～80 mm，并修復成階梯狀。表面先處理至達到GB/T 8923.1—2011規定的Sa2.5級或St3.0級以后，再噴涂與鄰接部位相同的涂層，不得漏涂。最后再整體噴涂末道面漆。

5 經濟性對比分析

統籌考慮材料+施工費用，超長耐久防腐涂裝體系造價比第7套防腐涂裝體系高16%。

新型涂裝體系設計防護年限保守取30年，全壽命周期內至多需進行3 次大修涂裝，采用新型涂裝體系（累計涂裝4次）鋼橋全壽命周期防腐涂裝成本比采用第7 套防腐涂裝體系（累計涂裝5 次）降低7%以上，且采用新型涂裝體系可以有效減少鋼橋大修涂裝對于交通運輸的干擾。

6 結論

1）環氧烯鋅底漆的疏水性能、耐濕熱性能比鐵路鋼橋第7 套防腐涂裝體系的環氧富鋅底漆優異，耐鹽霧時間是環氧富鋅底漆的4.5 倍以上，其他各項性能指標也滿足標準要求。

2）石墨烯氟碳面漆耐老化性能優異，其耐人工加速老化時間是鐵路標準中氟碳面漆的2.2 倍以上，其他各項性能指標也滿足標準要求。

3）制定的環氧烯鋅底漆、石墨烯氟碳面漆涂料的進場檢驗項目、技術要求和施工工藝，可確保其質量和性能滿足標準要求。

4）新型涂裝體系設計防護年限是第7套防腐涂裝體系的2 倍以上，可達30 ～50 年，可有效減少鋼橋服役期間涂裝大修次數。與采用第7套防腐涂裝體系相比，采用新型涂裝體系鋼橋全壽命周期防腐涂裝成本可節約7%以上，具有廣闊的應用前景。