中東某地區(qū)的涂層保護性能研究

林虎，童川，秦川，胡新元，孫亞茹，劉凱吉

（1.中國電建集團江西省水電工程局有限公司，南昌 330096；2.鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所有限公司，青島 266071）

引言

在海洋環(huán)境中，鋼結(jié)構(gòu)通常面臨高鹽霧、高濕度、強紫外線等綜合性影響，為確保鋼結(jié)構(gòu)在這種惡劣環(huán)境下具備長期使用的可靠性、維持其結(jié)構(gòu)完整性和承載能力，通常需要采用保護性涂層進行防護[1-2]。中東某地區(qū)是非常苛刻的自然腐蝕環(huán)境，熱帶海域海洋腐蝕性較其他區(qū)域更為嚴重。該地區(qū)海水鹽濃度最高可達4 %以上，年輻射總量為7 000 MJ/㎡，遠大于內(nèi)陸的4 000 MJ/㎡，鹽霧濃度也遠高于內(nèi)陸，且風沙較大，海洋中帶走的鹽霧在濱海建筑上沉積，導致濱海鋼結(jié)構(gòu)表面年沉積的鹽量遠大于其他地區(qū)。該地區(qū)的溫度、鹽度等腐蝕相關(guān)參數(shù)較其他海域高，極易造成鋼結(jié)構(gòu)局部區(qū)域積液、積鹽，加速金屬材料的局部腐蝕[3]。因此，在該地區(qū)面臨的惡劣腐蝕環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)需要應用具有長效保護性能的重防腐涂料配套體系。多種外部因素[4-5]，如溫差、陽光暴曬、紫外線、風雨、潮氣等，都可能導致鋼結(jié)構(gòu)涂層的老化或產(chǎn)生缺陷。

本研究通過選取熱噴鋁涂層體系、環(huán)氧涂層體系、環(huán)氧富鋅涂層體系進行循環(huán)加速試驗[6-7]，獲得涂層在多因素耦合條件下的腐蝕數(shù)據(jù)，評估不同涂層體系在特定環(huán)境下的性能差異，同時對符合防護要求的涂層體系進行成本分析，為工程實踐中最佳涂層體系的選擇提供數(shù)據(jù)支撐與科學依據(jù)。

1 研究方法

1.1 腐蝕環(huán)境參數(shù)調(diào)研

對中東某區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)服役環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)及污染物數(shù)據(jù)進行收集，進行數(shù)據(jù)處理，對鋼結(jié)構(gòu)服役環(huán)境進行腐蝕等級分類，作為構(gòu)筑涂料預評價方法的技術(shù)參數(shù)依據(jù)。該區(qū)域環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖1、圖2 所示。

圖1 中東某地區(qū)紫外線平均指數(shù)

圖2 中東某地區(qū)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過調(diào)研及根據(jù)項目現(xiàn)場周邊的氣象觀測站檢測數(shù)據(jù)，項目地點Cl-沉積速率為64.0 mg/100 cm2/d、SO2沉積速率為7.117 mg/100 cm2/d。

1. 2 基于環(huán)境因素數(shù)據(jù)的腐蝕性評估

根據(jù)GB/T 19292.1-2018 標準，可以根據(jù)獲得的年平均溫度、相對濕度、氯離子沉降速率以及SO2沉降速率計算碳鋼標準試樣腐蝕率。

碳鋼標準試樣的腐蝕速率計算公式[8]如式（1）所示：

式中：

rcorr—金屬的第一年腐蝕速率，μm/a；

T —年平均溫度，℃；

RH —年平均相對濕度，%；

Pd—年平均SO2沉積速率，mg/（cm2?d）；

Sd—年平均氯離子沉積速率，mg/（cm2?d）。

將年均溫度、濕度、氯離子和二氧化硫沉積速率數(shù)據(jù)代入到公式（1）求得項目地點碳鋼的腐蝕速率，并結(jié)合已收集的其它氣象數(shù)據(jù)，對大氣環(huán)境腐蝕等級進行分級，該地區(qū)腐蝕等級為C5。

1.3 涂層試樣的制備

為了深入探討不同涂層體系在高濕熱、高鹽、高輻照環(huán)境下的保護性能，本研究選取了具有廣泛應用和較高防護性能的三種涂層體系：熱噴鋁涂層體系、環(huán)氧涂層體系和環(huán)氧富鋅涂層體系[9-11]。這些涂層體系在防護及抗老化等方面具有良好的性能，用于研究的三種涂層體系制備方法見表1～表3。進行循環(huán)加速試驗的涂層試樣尺寸均為150 mm×75 mm×3 mm。在制樣完成后，在試板的涂層上劃一條線并確保能充分暴露于所有的測試環(huán)境中。劃線通過機械方式劃出，長50 mm，寬2 mm，距試板每條長邊125 mm，距試板的一條短25 mm。劃線完全切透涂層直至露出金屬基材。

表1 熱噴鋁涂層體系制備工藝

表2 環(huán)氧涂層體系制備工藝

表3 環(huán)氧富鋅涂層體系制備工藝

1.4 涂層試樣的室內(nèi)模擬加速腐蝕試驗

在海洋氣候條件下，保護涂層面臨著高鹽霧、高濕度和陽光照射的綜合因素，這對涂層耐鹽霧、耐老化和耐濕熱性能提出了很高的要求。涂層失效過程通常受到多種因素的共同影響，單一測試很難全面反映涂層在實際條件下的保護性能。近年來，周期性腐蝕條件試驗方法逐漸應用于涂層性能評估，如將鹽霧試驗與人工加速老化試驗相結(jié)合，或進行鹽霧/干/濕熱循環(huán)試驗等。這些試驗方法針對涂層在實際應用環(huán)境中所面臨的多重耦合因素，采用更貼近實際的循環(huán)試驗方法，以克服傳統(tǒng)單一失效試驗的局限性。通過綜合評估各種影響因素，以實現(xiàn)對涂層在實際環(huán)境中的防腐性能進行更為精確的評估。

本研究的循環(huán)加速試驗依據(jù)復合涂層體系的實際應用環(huán)境，采用紫外/凝露、中性鹽霧和濕熱的循環(huán)試驗方法，168 h 為一個循環(huán)周期，共進行25 個循環(huán)。試驗步驟包括：

1）在紫外線和凝露環(huán)境下暴露72 h：根據(jù)GB/T 23987-2009 標準，進行交替循環(huán)的紫外線輻照和凝露暴露試驗。光照階段溫度設(shè)定為（60±3）℃，冷凝階段溫度為（50±3）℃。光照與冷凝循環(huán)周期為4 h 光照、4 h 冷凝。

2）在中性鹽霧環(huán)境下暴露72 h：按照GB/T 1771-2007 標準進行試驗。使用氯化鈉作為試驗介質(zhì)，濃度為50 g/L±5 g/L，pH 值范圍為6.5~7.2。試驗溫度為（35±2）℃，采用連續(xù)噴霧方式，試樣與垂直面呈20 °角放置。

3）進行24 h 濕熱試驗：依據(jù)GB/T 1740-2007 標準進行。試驗溫度設(shè)置為（47±1）℃，相對濕度為（96±2）%。

依據(jù)以上循環(huán)試驗步驟，模擬保護涂層體系在中東某地區(qū)環(huán)境中的防護性能表現(xiàn)。循環(huán)加速試驗的結(jié)果能夠揭示不同保護涂層體系在特定環(huán)境下的保護性能、附著力、耐候性等關(guān)鍵指標，有助于選取最適合特定環(huán)境條件的涂層體系。

2 結(jié)果與討論

2.1 研究結(jié)果

在本研究中，對熱噴鋁涂層體系、環(huán)氧涂層體系和環(huán)氧富鋅涂層體系在高濕熱高鹽高輻照環(huán)境下的防護性能進行了循環(huán)加速試驗。通過4 200 h 的循環(huán)試驗，分析了這三種涂層體系在試驗前后附著力的變化情況、劃痕處腐蝕蔓延寬度、涂層等級評定，從而評估它們在實際工程應用中的耐久性和防護效果。研究數(shù)據(jù)見圖3～5 以及表4。

表4 循環(huán)加速試驗后三種涂層等級評定

圖3 三種涂層體系4 200 h 循環(huán)試驗前后的附著力

圖3展示了這三種涂層體系在試驗前后的附著力對比，可以直觀地觀察到涂層在經(jīng)過長時間循環(huán)試驗后，附著力的變化情況。三種涂層體系循環(huán)試驗后的附著力均有下降，熱噴鋁涂層體系附著力下降8.3 %，環(huán)氧涂層體系附著力下降6.5 %，環(huán)氧富鋅涂層體系附著力下降4.9 %。附著力是評價涂層體系在實際應用中防護效果的重要指標之一，涂層與基材之間的附著力決定了涂層在腐蝕環(huán)境中的穩(wěn)定性和耐久性。

圖4為熱噴鋁涂層體系、環(huán)氧涂層體系和環(huán)氧富鋅涂層體系在循環(huán)試驗前后劃痕處的形貌對比。從宏觀角度觀察，可以發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過長時間循環(huán)試驗后，熱噴鋁涂層體系、環(huán)氧富鋅涂層體系在劃痕區(qū)域的腐蝕擴蝕程度相對較低。這說明熱噴鋁涂層體系在高濕熱高鹽高輻照環(huán)境下具有較好的抗腐蝕性能。相較之下，環(huán)氧涂層體系在劃痕區(qū)域的腐蝕擴蝕程度較高。這意味著在特定的高濕熱高鹽高輻照環(huán)境下，環(huán)氧涂層體系防腐蝕性能相對較弱。

圖4 循環(huán)試驗后的劃痕處形貌

圖5展示了熱噴鋁涂層體系、環(huán)氧涂層體系和環(huán)氧富鋅涂層體系在經(jīng)過4 200 h 循環(huán)試驗后的劃痕處腐蝕蔓延寬度。從數(shù)據(jù)上看，熱噴鋁涂層體系的腐蝕蔓延寬度最小，為1.8 mm；環(huán)氧涂層體系的腐蝕蔓延寬度最大，為3.9 mm；環(huán)氧富鋅涂層體系的腐蝕蔓延寬度則位于中間，為2.4 mm。腐蝕蔓延寬度作為評價涂層體系在實際應用中防護效果的另一關(guān)鍵指標之一，其大小可以直接反映涂層在面對高濕熱高鹽高輻照環(huán)境時的防護能力。較小的腐蝕蔓延寬度意味著涂層在惡劣環(huán)境中具有更強的抵抗腐蝕的能力，從而保護鋼結(jié)構(gòu)不受侵蝕。

圖5 循環(huán)試驗后的三種涂層體系劃痕處的腐蝕蔓延寬度

表4對熱噴鋁涂層體系、環(huán)氧涂層體系和環(huán)氧富鋅涂層體系在循環(huán)試驗前后的腐蝕等級進行了評定。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，熱噴鋁涂層體系和環(huán)氧富鋅涂層體系在循環(huán)試驗后的性能表現(xiàn)較為穩(wěn)定，均未出現(xiàn)起泡、生銹、開裂、粉化或剝落的現(xiàn)象。這表明，這兩種涂層體系在高濕熱高鹽高輻照環(huán)境中具有較好的防護性能。相較之下，環(huán)氧涂層體系在循環(huán)試驗后出現(xiàn)了起泡和生銹現(xiàn)象，這意味著該涂層體系在高濕熱高鹽高輻照環(huán)境中的防護性能相對較弱。盡管如此，環(huán)氧涂層體系的性能等級仍為1 級，表明其在一定程度上仍具有防護作用。

2.2 結(jié)果討論

相關(guān)研究結(jié)果顯示，熱噴鋁涂層體系與環(huán)氧富鋅涂層體系結(jié)果相當，兩種涂層試驗后的附著力與試驗前的附著力比值均超過50 %，顯示涂層具有良好的粘附性。兩種涂層表面沒有觀察到起泡、生銹、開裂、粉化和剝落現(xiàn)象，這說明熱噴鋁涂層體系、環(huán)氧富鋅涂層體系在高輻照環(huán)境下的耐老化性能表現(xiàn)優(yōu)異，涂層材料的化學鍵保持完整。這兩種體系的涂層都未出現(xiàn)起泡和生銹現(xiàn)象，這進一步證實復合涂層能夠有效抵抗鹽霧和水汽的侵蝕，具備較好的抗?jié)B透能力。總體來說，這些結(jié)果表明熱噴鋁涂層體系與環(huán)氧富鋅涂層體系在實際應用中能夠提供較好的保護性能。

環(huán)氧涂層經(jīng)過試驗后，附著力與試驗前的附著力之比大于50 %。雖然環(huán)氧涂層體系在劃痕處的腐蝕蔓延距離為3.8 mm，小于非富鋅底漆涂料的≤8 mm 要求，但是涂層呈現(xiàn)輕微的起泡、生銹現(xiàn)象，評定為1 級。在高濕熱高鹽的嚴酷腐蝕環(huán)境下，環(huán)氧涂層體系由于其固有的較大脆性、濕熱耐受能力不足以及孔隙存在等因素，僅靠物理隔離作用仍然可能導致氯離子和水蒸氣滲透到基材內(nèi)部。然而，環(huán)氧涂層未出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，表明該復合涂層體系具有良好的耐老化性能，涂層材料的化學鍵并未發(fā)生斷裂。

2.3 成本分析

通過對比這三種涂層體系在循環(huán)試驗中的保護性能研究，可以為實際工程中選擇適用的涂層體系提供數(shù)據(jù)支撐。涂層體系的選用不僅要考慮其防護性能，還需要綜合考慮施工工藝、成本、施工周期等多方面因素，以確保選用的涂層體系既能滿足工程防護要求，又能保證項目的經(jīng)濟效益。

本次研究對熱噴鋁涂層體系與環(huán)氧富鋅涂層體系的施工成本進行了分析。綜合基材處理費用、物料費用、施工費用、其他費用、施工難度、工程交付時間的調(diào)研，對熱噴鋁及環(huán)氧富鋅保護體系的費用進行了比較。因具體市場價格各地均有波動，為方便表述及比較，定義鋼結(jié)構(gòu)1 m2的Sa2.5 級基材處理費用為1.0。在這個基礎(chǔ)上，結(jié)合以上各項費用與施工條件的綜合分析，可以為實際工程中涂層體系的選用提供更全面的參考。施工成本對比見表5。經(jīng)分析，對于鋼結(jié)構(gòu)的M m2的作業(yè)面積，環(huán)氧富鋅防護體系的總成本約為5.35 M（單位：元）；熱噴鋁防護體系的總成本約為7.15 M（單位：元）。環(huán)氧富鋅防護體系的總成本約占熱噴鋁防護體系總成本的75 %，且熱噴鋁施工難度較高，對施工人員有著較高的要求。

表5 熱噴鋁涂層體系與環(huán)氧富鋅涂層體系的施工成本對比

3 結(jié)論

本研究通過對熱噴鋁涂層體系、環(huán)氧涂層體系和環(huán)氧富鋅涂層體系進行循環(huán)加速試驗分析，得出以下關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

1）熱噴鋁涂層體系和環(huán)氧富鋅涂層體系在耐鹽霧和耐濕熱方面表現(xiàn)處良好的防護性能。在長時間鹽霧暴露和持續(xù)濕熱環(huán)境下，這兩種涂層的形態(tài)保持穩(wěn)定，具有良好的阻止水蒸氣擴散和滲透的能力，從而確保較長的預期使用壽命。相比之下，環(huán)氧涂層體系在循環(huán)加速試驗中出現(xiàn)了涂層失效現(xiàn)象，可能由于其固有脆性、耐濕熱能力不足以及存在孔隙等因素。在保證鋼結(jié)構(gòu)性能的前提下，選擇合適的涂層體系對于實現(xiàn)項目中的預期目標至關(guān)重要。熱噴鋁涂層體系和環(huán)氧富鋅涂層體系在防腐蝕及耐老化方面均具有較好的性能，能夠滿足鋼結(jié)構(gòu)的防護需求。

2）熱噴鋁涂層體系的防護性能雖然較好，但其施工過程復雜，成本較高，這可能會導致在某些項目中難以實現(xiàn)。相比之下，環(huán)氧富鋅涂層體系在施工便利性、經(jīng)濟性和后期維護可行性方面具有優(yōu)勢。因此，在實際應用中，需要根據(jù)項目的具體需求、預算和施工條件，綜合考慮涂層性能、施工便利性、經(jīng)濟性和后期維護可行性等因素，以合理地選擇保護涂層體系。這樣做有助于確保鋼結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下的服役壽命，降低后期維護成本，從而實現(xiàn)整個工程項目的經(jīng)濟效益和可持續(xù)性。