钢结构桥梁防护涂料与涂装

－49－钢结构桥梁防护涂料与涂装——海虹老人牌(中国)有限公司工业防护部李荣俊李兴仁【摘要】本文首要介绍老人牌关于钢结构桥梁涂装设计理念，着重介绍了聚氨酯、氟碳、聚合硅氧烷三科桥梁漆配套体系，并提出了目前桥梁防腐涂装领域中一些热点问题。【关键词】钢桥、防腐、涂料与涂装一、前言桥梁是人类最杰出的建筑之一，闻名遐尔的中国江阴长江大桥、润扬长江大桥、美国旧金山金门大桥、英国伦敦桥、日本明石海峡大桥等，都是一件件璀璨的空间艺术品和城市的标志性建筑。2003年开工的苏通长江公路大桥（主垮1088米）和2004年开工的中国香港昂船州大桥（主跨1018米），建成后在世界斜拉桥跨度排名中分列第一、第二位。随着大型钢桥的不断出现，其防护涂装问题已成为防腐工程界的重要课题。二、钢桥防护涂装体系的发展历程从国内外的桥梁防腐涂装变迁来看，桥梁漆的发展实际上反映了涂料工业的发展历程。桥梁涂料的发展和使用，和涂料用树脂和防锈颜料等助剂的开发应用有着密切的关系。每一种新的树脂或涂料助剂的试用成功，都会取代以前的涂料产品而作为某一时期的代表性涂装体系。20世纪50年代，我国铁路钢桥防护涂料是以采用天然原料为主的低档涂料，防锈性能差，部分桥梁在涂装一年后就出现严重锈蚀。随后，铁科院和全国各大油漆厂家紧密合作，相继开发出了305锌钡白面漆、红丹防锈漆、醇酸316面漆。60年代，因醇酸316面漆的耐候较差，铁科院研发了醇酸66面漆，改善了耐候性、增强了防腐蚀性能。70年代，出现了灰云铁醇酸磁漆。1976年，南京长江大桥采用了云铁聚氨酯底漆加灰云铁醇酸磁漆的防护体系；武汉长江大桥防护采用了红丹防锈漆加灰云铁醇酸磁漆配套体系。一般此类醇酸配套的防护寿命可达5年以上，在桥梁运营过程中需要进行长期的维护。我国公路钢桥的大规模建设开始于20世纪80年代后期，主要用于大跨度的桥梁的建设。而同期的桥梁防护涂料形成了环氧富锌、无机富锌、环氧涂料、氯化橡胶等产品大量应用的局面。氯化橡胶面漆由于耐候性还是不强，两三年后会有粉化，于是在90年代以后，耐候性突出的脂肪族聚氨酯面漆，特别是有着良好重涂性能的丙烯酸改性聚氨酯面漆，很快就取代了氯化橡胶面漆的使用。目前的桥梁大多数使用的面漆是丙烯酸改性聚氨酯面漆，比如江阴长江大桥、润扬长江大桥、南京二桥、三桥和广东虎门大桥、武汉白沙洲大桥、云南小湾桥等等。从世界各国钢桥涂料防护涂装应用经验来看，富锌底漆,尤其是高锌含量的无机（或有机50一）富锌底漆+环氧（云铁）中间漆+脂肪族聚氨酯面漆配套体系在桥梁防护体系中是很优秀的涂料防腐蚀体系。国际标准ISO14713和英国标准BS5493以及美国高速公路管理局钢桥防腐维修报告经验证明,此种体系的耐候性在一般的乡村大气环境下至少20年以后才需考虑是否重新涂装的问题(Re3,1%rustingareas),若在海洋环境和工业污染地区，一般情况下至少也有15年的防护期，是否需要第一次全靣重新涂装，也要根据涂层劣化实际情况确定(Re3,1%锈蚀面积)。然而，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对大型钢结构工程的防腐蚀提出更高的要求，既要提高长效保护的周期（如20年、30年或更长），又要安全、健康和环保，符合环境保护的最新要求；既要美化环境，又要讲究成本和效益。在这方面，除了各种新型重防腐蚀涂料的研究和开发外，近几年来在聚硅氧烷涂料和氟碳涂料作为聚氨酯涂料的更新换代产品方面进行了大量的研究。据资料报道，关于聚硅氧烷方面的研发，在2002年申请的专利占全部涂料专利的5%。氟碳涂料虽然具有优异的保光保色性，耐化学性和表面平滑易清洗等特性，但是由于它只有在含氟的溶剂中才能较好的溶解，要生产低VOC含量的产品有一定难度，同时它的反应物可能会仍然含有异氰酸酯，所以在环境友好和健康方面还需要进一步改进，并且重涂性限制较严。而聚硅氧烷涂料在各种环境中大型工程上的应用，显得更为合理和环保。在日本较早使用氟碳漆（如明石海峡大桥等），而在欧美等国可能出于更重视环保和健康的原因，现在使用最好的面漆则是综合性能更为超强的聚硅氧烷面漆。目前，聚硅氧烷涂料可分为环氧聚硅氧烷和丙烯酸聚硅氧烷两类。前者为双组分，如老人牌的55000；后者是单组份，如AMERON公司的PSX1001。环氧聚硅氧烷面漆和丙烯酸聚硅氧烷面漆在耐候性、保光保色性、防腐性等方面基本一致，区别在于前者在附着力、耐磨、防腐上更加实出，而后者可能保光性好一些①，但重涂性较差。由于固体份高，两者均可厚膜化施涂，一次喷涂可达到75～150μm，而老人牌环氧聚合硅氧烷55000一次喷涂甚至可达250μm，更能适应大型工程施工周期严、节凑快的特点。三、桥梁涂装技术的趋势及其设计原则：（一）发展趋势世界涂料发展力求符合“4E”原则，即经济（Economy）、效率（Efficiency）、生态（Ecology）、能源（Energy），在此原则的基础上，桥梁防护涂料产品结构不断变革和完善；桥梁防腐漆配套发展的最新趋势、特点如下：1.高膜厚化：这是重防腐涂料的重要标志之一。目前桥梁外部主配套的总干膜厚度一般在200μm以上，苏通大桥设计主配套总膜厚达320微米；南京三桥主配套的总膜厚达380μm。2.涂料选择高档化：桥梁防腐的特点要求底漆附着力好、防腐性能实出、而面漆耐候性、装饰性要好、极佳的保光、保色性、耐久性。为此，高性能的耐蚀合成树脂（无机-有机合成树脂等）和新型的颜料（片状锌粉等）、填料及助剂的开发应用更加广泛、深入。－51－3.高固体分、低VOC：尽量减少溶剂对环境的污染，开发、使用环境友好型涂料。4.表面处理严格化：桥梁防腐涂料必须和金属基体的严格表面处理相结合才能达到预期的效果。5.性价比最大化。（二）设计原则根据桥梁所处的大气、化学腐蚀环境的差异性，按照ISO12944《钢结构保护涂层》腐蚀性环境分类标准和GB/T15957-1995《大气环境腐蚀性分类》，对桥梁所处的大气腐蚀环境进行分级。①科学制定桥梁防腐预期寿命一般来说,新建大型公路桥梁在涂装施工质量达标、建成通车后对油漆涂层进行正常的维护及保养的前提下,目前国际上一般认为大型新建钢结构桥梁防护涂层的有效使用寿命可达到15-20年，国内有一部分大型新建桥梁防护涂层的设计有效使用寿命要求达到25-30年。②结构与工况条件⑥桥梁结构、形状与工况条件的不同，对表靣处理和涂装作业的要求有很大的不同，是涂装设计量身定做的重要依据。这些因素主要有：●钢结构还是砼结构？●钢箱梁、钢板梁、钢桁梁、钢管拱？●悬索桥、斜拉桥、拱桥中的缆索、风咀的特殊性●桥梁结构中各部位工况及其小环境特点●桥梁外观与色彩设计要求●桥梁制造流程与涂装作业的衔接③工工艺水平的高低涂料的防护功能有阴极保护、缓蚀作用、屏蔽作用三种作用。施工工艺直接影响底材的表面处理、涂料的成膜质量，进而影响涂料防护功能的发挥。例如，富锌漆涂在表面处理达不到Sa2.5等级的钢表面，无法起到阴极保护的作用。因此，现代桥梁涂装特别强调：底材的表面处理、选用优质的重防腐涂料、正确设计涂装的油漆配套、严格控制现场的施工质量、加强运营过程中的维护与保养，从而确保及延长桥梁的使用寿命。④贯彻“全寿命经济分析法”设计思想、考虑投资限制性因素涂装设计与任何设计一样，必须贯彻“全寿命经济分析法”设计思想（详见本文第四.㈠条叙述）；控制投资在允许的范围内，才是可行的。四、老人牌桥梁涂装配套体系虎门大桥是中国第一座大型钢结构悬索桥，于1996年建成通车。主配套采用了海虹老人牌涂料的以下涂装体系：无机富锌底漆15780-19840（75微米）+环氧封闭漆15280-50890（25微米）+环氧云铁漆45670-12130（80微米）+聚氨酯面漆55210-54610（80微米）；52总膜厚260微米。随后的重庆的鹅公岩大桥和江阴长江大桥以及南京第二长江大桥均采用了类似的涂装体系，此体系在润扬长江公路大桥上进行了系统的优化（用45230代替15280，用45150代替45670）。无机富锌底漆/环氧封闭漆/环氧（云铁）中间漆/两度丙烯酸改性脂肪族聚氨酯面漆的桥梁漆配套，用作为钢箱梁外表面重防腐配套涂层涂装体系，该配套涂层涂装体系经国家涂料质量监督检验中心多次检验：耐中性盐雾试验：4392小时达到一级(良好级)，8000小时达到二级(合格级)湿热试验：1000小时漆膜无变化，评为一级；人工气候老化：1000小时不起泡、不脱落、不开裂、不生锈；耐酸、耐碱试验：5%,w/v,H2SO4溶液中8小时合格5%,w/v,NaOH溶液中60小时合格而根据HG/T3565-1999钢结构桥梁漆、TB/T2773-1997铁路及钢桥用面漆供货技术条件及TB/T2772-1997铁路钢桥用防锈底漆供货技术条件等标准规定，耐盐雾指标最多为1000小时，因此国家涂料质量监督检验中心评价认为：“从本中心历年来对各类涂料耐盐雾试验的检验结果看，盐雾试验做到3000小时漆膜不破坏的产品已不多见，说明该配套体系的耐盐雾性能与国内同类产品相比性能优异”。配以我司优质的现场技术服务，因而被国内外钢结构桥梁工程广泛采用，受到桥梁界的普遍好评。进入21世纪以后，桥梁对涂料的防腐性能要求越来越高，防护期限越来越长；海虹老人牌涂料的桥梁漆涂装配套体系与时俱进，除了对经过实践长期验证的经典配套体系和涂料产品进行改进以外，还根据世界涂料和桥梁防护发展的趋势，适时推出了防腐性、耐候性更为超强的聚合硅氧烷桥梁漆配套体系。（一）老人牌经典桥梁漆配套体系：表面处理等级：Sa2.5;腐蚀环境：C4-C5;防护年限20年(Ri3，1%锈蚀)表1涂层油漆名称牌号干膜厚度（μm）车间底漆老人牌硅酸锌车间底漆15890-19840灰色20底漆老人牌无机富锌底漆15700-19840金属灰色75封闭漆老人牌环氧封闭漆45230-12170浅灰色25中层漆老人牌环氧云铁漆45601-12430深灰色120面漆老人牌聚氨酯面漆*55210-XXXXX颜色待定50面漆老人牌聚氨酯面漆*55210-XXXXX颜色待定50总计（20μm车间底漆不计入总干膜厚）320技术说明⑴老人牌聚氨酯面漆55210的改性老人牌桥梁漆经典配套选择双组份脂肪族聚氨酯面漆作为表面涂层。改性后的55210，主要是在组份中又引入了一种含羟基的多支链的改性树脂，使固化成膜反应从二元加成聚合－53－变成三元加成聚合，进一步提高了固化交联密度，提高了漆膜丰满度、韧性、硬度等机械牲能和外观装饰性。⑵配套的改进。①底漆用15700来代替15780。一般地说，锌含量越高，电化学阴极保护性能越好,15780的锌含量为76%，而现改用锌含量大于80%的15700来代替15780，极大增强了此配套体系的阴极保护功能。②中层漆用45601-12430来换用45670-12130。两者都以云母氧化铁为防銹颜料。45670采用的是单一品种的环氧树脂，而45601采用了分子量不同的两种环氧树脂混溶体，在固化成膜时，低分子量环氧树脂与固化剂聚酰胺加成物反应，形成高交联密度、网状结构的坚硬漆膜；而中分子量环氧树脂与固化剂聚酰胺加成物反应生成分子间链距较大的长分子链，使漆膜表现出良好的柔韧性，从而使漆膜综合性能得到了极大的增强。③江阴大桥内表面采用无机硅酸富锌底漆涂装，加上湿度控制系统，但是颜色较暗，不利于检查；故现一般改用浅色环氧涂料作内壁涂料。⑶厚膜化。根据介质在涂层中的扩散理论，其扩散渗透过程一般符合Fick定律。作为单侧浸泡渗透扩散过程，液体介质渗透到涂层-金属基体界面的时间T为：T=L2/6D式中：L----涂层厚度，m;D---介质在涂层的扩散系数，M2.S-1液体介质渗透到涂层-金属基体界面的时间与涂层的厚度的平方成正比，与扩散系数成反比，这就是涂层厚膜化长效性的理论依据。虎门大桥、鹅公岩大桥、江阴大桥等桥梁的总膜厚为260微米左右，防护涂层设计防护寿命均为15年；到了润扬长江大桥，防护涂层设计防护寿命提高到了20年；所以总膜厚也提高到了280微米。因此对于优化后的经典配套，我们认为把总