公路鋼結構防腐涂層材料適應性研究★

楊 奇，戴鵬飛，祝金崧，李珈萱，尹尚雄

(1.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000；2.遼寧省高速公路運營管理有限責任公司，遼寧 沈陽 110055；3.沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

鋼結構件在公路上隨處可見，鋼結構件在公路建設方面有十分重要的作用，但是由于環境的腐蝕導致每年有數千億美元的損失，并且腐蝕的鋼結構由于性能的損壞最終導致事故的新聞屢見不鮮。公路橋梁鋼結構等大型鋼結構件的腐蝕防護已經逐漸成為人們研究的話題。根據鋼結構腐蝕破壞導致的經濟損失進行數據統計，腐蝕所造成的經濟損失可達到國民經濟總產值(GDP)的2%～4%，如歐洲約為3%，美國和澳大利亞約為4.2%，而波蘭約為6%～10%。在2005年我國因腐蝕損失5 000億元，約占國內生產總值的6%[1]。

1 鋼結構腐蝕原理

鋼結構的腐蝕原理主要由于鋼結構在所處環境中受到周圍介質的化學和電化學的作用引起的鋼結構破壞。其中，大氣環境對于公路鋼結構的腐蝕最為主要。由于長期暴露在空氣中，公路鋼結構與空氣中的水汽、腐蝕介質(如空氣煙塵、表面沉積物、雨水中的重金屬離子等元素共同的作用下)和氧的化學與電化學作用導致的鋼結構腐蝕，這種現象被稱為大氣腐蝕。非金屬材料分子由于受到了太陽的紫外線和熱輻射并且因為空氣中溫度、濕度的聯合作用，分子鍵發生斷裂、分解，導致外觀、機械性能和理化性能的劣化，稱為大氣老化腐蝕。環境的不同導致鋼結構的腐蝕的原因不同，不同環境類別下其腐蝕機理截然不同，因此，對于不同環境下的鋼構件防腐也應該對癥下藥。目前對于鋼結構的防腐方法有很多種，其中涂層防護技術被一致認為是提高鋼結構使用壽命的最有效的防腐措施之一。

目前，市場上存在很多種類的鋼結構防腐涂層材料，其性能千差萬別。因此，研究不同腐蝕環境條件下的橋梁鋼構件使用防腐涂層的適用性顯得尤為重要。

大氣腐蝕是鋼結構腐蝕的主要類型，即鋼結構暴露在大氣中受到的腐蝕，由于大氣環境含有的水汽、氧氣、以及各種雜質，尤其是在公路方面，汽車尾氣所排放的SO2,NO2形成的電解液吸附在鋼材上，導致鋼結構表面發生了電化學反應最終引起了鋼結構的腐蝕。

目前研究發現影響鋼材大氣腐蝕速率的因素主要有：1)溫度在0 ℃以上時大氣濕度超過臨界濕度的時間;2)大氣中的污染物的含量;3)鹽粒的沉降。其中溫度在0 ℃以上時大氣濕度超過臨界濕度的時間是決定大氣腐蝕速率最關鍵的因素[2]。

對于公路橋梁鋼結構腐蝕和影響橋梁鋼結構耐久性的主要因素可分為兩類：內因，主要表現為公路橋梁鋼結構自身的性能和設計施工時的質量；外因，主要表現為鋼結構所處的環境條件。鋼結構所處的腐蝕環境有大氣腐蝕環境、水介質(包括海水、淡水)腐蝕環境、土壤腐蝕環境及工業腐蝕環境等[3]。

2 鋼結構保護形式

為了應對鋼結構腐蝕所造成的破壞，需要對鋼結構進行保護。目前國內鋼結構常用的防腐蝕的措施主要有兩類：一類是機械隔離措施，即采用惰性材料包覆在鋼結構表面，通過隔離空氣中的水、氧氣等腐蝕介質來防止鋼結構的腐蝕;另一類是根據電化學腐蝕原理，通過提高鋼結構件的電位，使其處于電位較高的一極，從而達到保護的目的。根據上述原理，常用的鋼結構防腐方法有熱浸鍍、涂料涂裝、電弧噴涂復合涂層等方法[4]。目前涂層防護被認為是提高鋼結構件防腐蝕及耐久性最經濟最有效的措施。但是隨著時間的推移,在腐蝕的作用下鋼結構表面的涂層會逐漸的老化并失去作用,從而失去對鋼結構基體的保護作用。并且由于市面上鋼結構防腐涂層材料的種類很多，其性能也千差萬別，因此研究不同條件下鋼結構防腐涂層的適用性就十分的重要。

影響鋼結構防腐涂層性能的主要因素有以下兩點。

2.1 環境影響

環境對鋼結構的影響非常大，尤其對于橋梁方面。橋梁鋼結構大多暴露于空氣中，會被空氣中的物質發生電化學的腐蝕現象。又如在北方地區，由于冬季雨雪現象，會導致路面濕滑，因此會在雪上撒除冰鹽，但是除冰鹽會對鋼結構產生很大的腐蝕現象，因此在這種環境下鋼結構的防腐涂層需要對除冰鹽的腐蝕有一定的抵抗性[5]。所以應該根據不同環境的腐蝕因素選取合適的鋼結構防腐涂層材料。

2.2 涂裝位置

由于鋼結構在設計時的功能不同，其使用位置也不同，所需要的涂裝工藝也不同。如外表面、非封閉的內環境、封閉的內環境、鋼橋面、干濕交替區、水下區等等。這些需要在設計時針對不同的性能需要進行考慮。

3 研究方案及分析

基于上述問題，通過調研分析，并結合目前國內主流的鋼結構防腐涂層體系，確定A：溶劑型環氧-聚氨酯體系；B：聚脲防護體系；C：溶劑型環氧-氟碳體系；D：水性雙組分環氧-聚氨酯體系四種體系方案。這四種體系方案基本包含了目前國內70%的橋梁鋼結構防腐涂層體系，為研究鋼結構防腐涂層材料適應性提供了依據(見表1，表2)。

表1 涂層材料體系(一)

表2 涂層材料體系(二)

3.1 試驗方法

3.1.1 涂層拉伸性能測試

實驗所用試樣按照GB 3186—82涂料產品的取樣取樣，試驗測試一般測試試件的拉伸強度和斷裂伸長量。其中拉伸強度(tensile strength)是指試件在拉力下，伸長直至最終斷裂過程中所承受的最大拉伸應力；斷裂伸長率(elongation at break)是指涂層試件在拉力作用下，從伸長到拉斷過程中所走的位移值與初始標距的比值。

3.1.2 附著力測試

參照GB/T 5210—2006色漆和清漆拉開法附著實驗，ASTM-D-4541附著力測定法以及ISO4624：2002.Pull-offtestforadhesion的測試標準進行附著力測試。通過分析不同涂層體系的附著力強度的高低研究適應的環境。

3.1.3 耐中性鹽霧性能的測定

將用涂料涂好的試板放在實驗箱中，使其暴露于中性鹽霧中，參考GB/T 1771—2007進行試驗，中性鹽霧使用含有質量分數5%±0.5%的氯化鈉、pH值在6.5～7.2的鹽水通過噴霧裝置進行噴霧，讓鹽霧沉降到待測試驗件上，經過一定時間觀察其表面腐蝕狀態并評定鹽霧暴露的結果。實驗結束后觀察涂層的外觀變化、腐蝕的缺陷等。

3.1.4 耐氯離子侵蝕試驗

試驗通過RCM法及NEL法對各試件進行氯離子滲透試驗并觀察涂層形貌變化。通過外加的電場加速試件外的氯離子向其中擴散，通過測量電通量以及觀察涂層形貌的變化來比較不同涂層體系耐氯離子侵蝕的能力。

3.1.5 涂層厚度測量

為了控制變量，使得實驗的數據更加的準確，測試的涂層厚度應保持一致。根據超聲波脈沖反射的原理，涂層厚度將使用超聲波測厚儀來測量，以保證試驗涂層的厚度一致。

3.2 結果分析

為了控制變量，涂膜的厚度均保持一致，通過超聲波測厚儀測得涂膜的厚度均為280 μm。

3.2.1 涂層拉伸性能結果分析

通過采用啞鈴型模型制備，將制備好的試樣放入標準條件下養護7 d，然后進行拉伸實驗測試，斷裂延伸率結果如表3所示。

表3 各防腐涂層體系斷裂延伸率及拉伸強度數據

從試驗結果來看，涂層體系B的斷裂延伸率及拉伸強度最大分別為300%和22.5 MPa，均大大超過其他各體系，這說明聚脲涂層體系具有良好的耐拉伸性能，在受到物理沖擊時，涂層不易受破壞。橋梁在使用時，由于頻繁的應力作用導致涂層破壞、開裂。因此對于橋梁鋼結構受力變化明顯的部位使用聚脲涂層體系具有顯著作用，適用于受力頻繁的橋梁鋼結構部位。

3.2.2 附著力測試結果分析

通過將涂刷4種不同涂層體系的試件同步進行附著力試驗，各涂層體系進行拉開法附著試驗，進行試驗分析各涂層與基底的黏結強度。具體試驗結果見表4。

表4 各防腐涂層體系附著力數據

從試驗結果來看，A，C方案試件附著力均大于6 MPa，附著力較高，涂層不易脫落，涂料能對鋼結構表面起到良好的保護，方案B，D試件附著力較低，因此方案A,C對于橋梁鋼結構在需要明顯提高附著力的表面具有顯著的作用，適用于容易受到物理沖擊的地方。各防腐涂層體系的附著力數據見圖1。

3.2.3 耐中性鹽霧性能結果分析

通過鹽霧腐蝕試驗箱進行耐鹽霧試驗，檢驗鋼結構防腐涂層材料對鹽霧腐蝕環境的抵抗力。鹽霧腐蝕主要發生在大氣環境，由于大氣中的水分、氧氣、溫度及各種污染物導致的腐蝕，這種腐蝕現象是非常常見的。本文將涂刷4種不同涂層體系的試件同步進行鹽霧試驗，涂層剝落視為涂層失效。具體試驗結果見表5，圖2。

表5 不同涂層耐鹽霧試驗結果

從試驗結果來看，A，B，C，D方案經受耐鹽霧試驗后，漆膜表面均出現了程度不同的發白、起泡、附著力損失等破損，在實驗時，D方案的耐鹽霧次數明顯小于其他三個方案。從結果來看B，C方案的耐鹽霧性能明顯好于A，D方案，因此方案B，C對于橋梁鋼結構氯鹽環境下耐腐蝕破壞具有顯著的作用，作為一種常見的大氣腐蝕，鹽霧存在于大氣環境之中，對金屬材料造成十分嚴重的腐蝕，鹽霧中的氯離子會與金屬發生電化學反應，使得鋼結構材料產生嚴重的破壞，對橋梁的使用以及公路安全產生嚴重的威脅。據統計[6]很多服役20 a左右的鋼筋混凝土結構，受到了嚴重的腐蝕，而通過試驗分析B，C類體系在面對鹽霧環境時能有較好的保護性能，適用于在氯鹽環境下的鋼結構部分。

3.2.4 抗氯離子侵蝕性結果分析

本文對4種不同涂層體系的試件進行電通量試驗，經過驗證，涂刷涂層后試件均提高抗氯離子滲透性能的效果。但不同的涂層提高的程度不同，試驗的結果如表6所示。經過氯離子滲透試驗后涂層體系A，B，C，D的外觀形貌見圖3。

表6 各防腐涂層體系電通量

通過RCM法及NEL法對各試件進行氯離子滲透試驗后數據及外觀形貌對比，所選4套防腐涂層體系均對試件抵抗氯離子侵蝕性能有明顯的提高作用，涂層體系A，B，D經過試驗后表觀均出現了起泡破壞，涂層體系C外觀沒有明顯變化。綜合分析，涂層體系C對于阻止鋼結構在氯離子侵蝕環境下破壞具有明顯作用，尤其對于北方的除冰鹽環境，即因為北方地區冬季冰雪的影響，人為撒冰鹽來解決橋面積雪問題的，但是除冰鹽會對鋼結構產生腐蝕破壞的環境，通過涂層體系C對鋼結構進行保護能有十分顯著的效果。

4 結論

本文研究是建立在A，B，C，D四種涂層體系漆膜厚度保持一致的前提下，測試時涂層的各項試驗性能，以對各類鋼結構防腐涂層的使用環境提出建議，由上述分析可得：1)涂層體系A為常規防腐體系，可用于一般大氣環境下的橋梁鋼構件防腐。2)涂層體系B為柔性涂層體系，適用于受力頻繁的橋梁鋼結構部位，且經常受到水害侵蝕造成的腐蝕環境中，但本體系目前存在施工適用期短、施工難度大等問題。3)涂層體系C為氟碳高耐腐蝕體系，可用于一般大氣環境、除冰鹽環境、近海或海洋環境橋梁鋼構件防腐，但體系造價過高是目前待解決問題。4)涂層體系D為高性能水性環保體系，是目前國內外防腐涂層的發展方向，可用于一般大氣環境以及不太嚴重的氯鹽環境下的橋梁鋼構件防腐。根據試驗結果及經濟價值方面給出不同種類防腐涂層適應橋梁鋼構件示例：溶劑型環氧-聚氨酯體系：涂裝在外表面，如橋梁主鋼構及附屬鋼構；聚脲防護體系：涂裝在處于潮濕大氣、干濕交替區以及摩擦受力區的鋼結構；溶劑型環氧-氟碳體系：除冰鹽環境、近海或海洋環境中的鋼構件；水性雙組分環氧-聚氨酯體系：大氣區橋梁鋼結構附屬構件。

5 結語

隨著我國經濟社會的快速發展，我國公路建設事業取得了明顯進步，我國每年因為鋼結構腐蝕造成的損失不可忽視，鋼結構防腐涂層材料也變得越發的重要。隨著人們對鋼結構的防腐的重視程度提高，加強對公路鋼結構防腐涂層材料的適應性研究有重要意義。本文先分析了鋼結構的腐蝕原因及保護手段，而后通過調研分析選取我國目前最常用的四種涂層類型，最后結合試驗數據詳細分析了不同的鋼結構防腐涂層材料的適應類型，為今后施工過程中工程人員對公路鋼結構防腐涂層的選取提供技術支持并結合實際情況來進行科學設計。