影响桥梁工程密封涂装相容性的因素

2021-11-14盛恩怀金志刚李承宇马超汪开喜晁兵

电镀与涂饰 2021年20期

盛恩怀，金志刚，李承宇，马超，汪开喜，晁兵, *

（1.安徽省交通控股集团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术有限公司，上海 201914；3.徐州工程学院，江苏徐州 221111；4.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230011）

密封涂装是指采用密封胶处理结构表面或各类缝隙后又在其表面涂装面漆的复合涂层配套防护技术。密封涂装在提高密封屏蔽防护性能的同时，不仅具有美化装饰作用，而且面漆还能为胶体提供额外的功能(如耐光、耐久等)，进一步延长整个体系的使用寿命。从1995年汕头海湾大桥采用北京航材院开发的聚硫主缆防护涂装体系以来，密封涂装配套技术以密封可靠、持续耐久的优势被广泛应用在桥梁工程的主缆、吊索及各类伸缩缝、接缝，甚至是螺栓的防护上[1-3]。目前桥梁工程常用的密封胶主要有聚硫和MS硅烷改性密封胶，涂料则主要有聚氨酯和氟碳面漆。MS硅烷改性密封胶是一种新型密封材料，以硅烷改性聚醚树脂、增塑剂、补强剂、功能助剂等制备而成，可利用空气中的水分完成硫化。该产品绿色环保，综合性能优异，已在日本、欧美等国家和地区普遍应用[1]。

2009年7月建成通车的广州猎德大桥是我国第一座主缆采用硅烷改性密封涂装技术的悬索桥，其后该技术被推广到江苏新沟河大桥、江西赣江大桥、湖南矮寨大桥等。目前我国从南到北、由东到西已有黑龙江阳明滩大桥、浙江洋溪大桥、湖南澧水特大桥、广西英华大桥、贵州乌江特大桥等数十座特大型桥梁应用了密封涂装工程，且经过质量跟踪和工程走访认证，它们的防护效果都很好。但值得注意的是，在涂装作业及工程回访中发现了不少技术问题，如：涂层在密封胶层上的附着力差，严重的会脱落；涂层的柔韧性差，划格时划痕周边的涂层脆裂；一些工程出现涂层过早开裂、涂层碎裂等现象[4-5]。一些工程的缺陷甚至分布在整个密封涂装防护体系中(见图1)。涂层的失效不仅会破坏整个工程的装饰效果，还令密封胶层直接面对腐蚀环境，导致整个密封涂装体系的防护寿命大幅缩短。

图1 桥梁工程密封涂装相容性问题的现场情况 Figure 1 Field situation of the compatibility problem between sealing and coating in some bridge projects

胶与油漆属于两种理化性能悬殊的涂装材料：胶层的弹性和拉伸性能好，模量低；面漆涂层则硬度较高，拉伸性能不足。两者如果协调不当，自然会出现配套问题，如划格时因胶层模量小、变形大，划痕周边面漆层会发生碎裂；刮胶后，涂装作业间隔时间过长，胶层表面因吸附灰尘、油污过多而导致面漆层的附着力下降；等等。这些问题通过采取提高密封胶模量、严格涂装作业间隔、清洁胶层表面等措施后能得到一定的改进，但有关研究表明[6]，施工因素并不是解决问题的关键，密封胶和面漆中有关原材料的相互干扰才是核心影响要素。本文针对前期研究发现的问题开展进一步试验，对比分析密封涂装相关产品中组分的相互影响，研究解决措施，为密封涂装工程技术应用提供借鉴。

1 实验

1.1 原料

(1) 密封胶原材料：硅烷改性树脂MS S303H，日本钟化；增塑剂DL-3000D，山东蓝星；增塑剂DIDP，美孚石油；增塑剂TCPP-1，扬州晨化；纳米钙CCS-H，广西华纳；重钙TC-8，广西科隆；钛白粉R960，杜邦；紫外吸收剂326、光稳定剂770、抗氧剂1010，巴斯夫；偶联剂A171(用于脱水)、偶联剂A1120(促进附着力)，迈图；气相二氧化硅R972，德固萨；聚酰胺蜡SL，克雷威利；有机锡催化剂U-220H，日东化成。

(2) 双组分面漆：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，中远关西；水性氟碳面漆样品SF01，徐州三为。

(3) 自喷漆SEA160(单组分热塑性聚氨酯漆)，深圳赛亚。

1.2 仪器

DLH-5L双行星搅拌机：佛山金银河；切片机：凯特尔；邵A硬度计：南京苏测；3000N拉力试验机：济南美特斯；划格器：天津试验。

1.3 试样制备

1.3.1 硅烷改性密封胶(简称MS密封胶)

根据表1所示的MS密封胶配方配料，按图2所示的工艺制样。

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

图2 硅烷改性密封胶制备工艺的示意图 Figure 2 Schematic diagram of the process for preparing silane-modified sealant

1.3.2 密封涂装

参照JT/T 694–2007《悬索桥主缆系统防腐涂装技术条件》中“4.3.3施工工艺”先在平板上刮制MS密封胶层，待其硫化后控制胶层厚2 ~ 3 mm(可用测厚仪、千分尺、卡尺等通过切片法测量)，待MS密封胶硫化彻底或经过24 h表面硫化深度≥2 mm后按涂料产品要求涂装1 ~ 2道面漆，自然干燥7 d，所得面漆厚度为60 ~ 80 μm。

1.4 性能测试

按GB/T 528–2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》测试密封胶层的拉伸强度及断裂伸长率。按GB/T 531.1–2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法(邵尔硬度)》测量密封胶层的硬度。以面漆层在密封胶层上的附着力来评价配套体系的相容性(见图3)，按GB/T 9286–1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》测试面漆层的附着力。

图3 密封涂装相容性的示意图 Figure 3 Schematic diagram of compatibility between sealing and coating

2 结果与讨论

2.1 涂料的影响

从表2可知，溶剂型和水性面漆普遍出现与密封胶层不相容的问题，说明现有问题应与涂料的溶剂不相关。单组分的SEA160没有出现密封涂装相容性问题，表明相容性问题可能与双组分的固化体系存在相关性，但F HS和AC-30却没有出现相容性问题，说明相容性问题也不是必然发生的。

表2 不同面漆与密封层的相容性 Table 2 Compatibility between different sealing layers and top coatings

与密封涂装体系相比，涂装密封时(如对构件缝隙、伸缩缝密封保护时，先对构件基体进行防腐涂装，待涂料涂层实干后再刮涂密封胶，必要时密封胶层表面再涂装面漆，与整个构件融为一体)，基本不出现相容性问题。二者最大的不同在于：涂装表面进行密封作业时涂层已实干固化且与MS密封胶接触界面间无活性物质对胶体形成负面影响，MS密封胶硫化期间其组分即使对油漆涂层形成浸渗，也难以对已固化涂层造成破坏。密封涂装时则不然，一是即使MS密封胶层已完全硫化，但涂装的涂料在固化期间可对网格状MS密封胶层形成明显浸渗，试验发现涂料中的溶剂甚至可以扩散穿透整个MS密封胶层；二是MS密封胶即使完全硫化，胶体中的增塑剂、催化剂虽然被树脂、填料束缚，但自由度仍较明显[7]，因此面漆中的活性组分(如固化剂)有可能与MS密封胶中的相关活性成分反应，从而破坏密封涂装的界面结合，严重时甚至损害了面漆层的性能。

根据现有技术，氟碳、聚氨酯等面漆的固化剂主要有芳香族和脂肪族异氰酸酯这2类。脂肪族异氰酸酯主要有HDI(六亚甲基二异氰酸酯)−TMP(三羟甲基丙烷)加成物、HDI缩二脲、HDI三聚体，其中三聚体的黏度低，易储存，所制涂层具有优异的耐热、耐光、耐候和耐溶剂性能，一般用于高档涂料；而芳香族异氰酸酯因耐黄变性差，价格较低，只能用于普通面漆。本文所用面漆中，F HS和PU HS均使用脂肪族异氰酸酯，3010和SF01则采用芳香族异氰酸酯，而SEA160和AC-30无需使用异氰酸酯。从表2来看，没有异氰酸酯的面漆无密封涂装相容性问题，脂肪族异氰酸酯面漆个别出现了密封涂装相容性问题，芳香族异氰酸酯面漆则全部出现了密封涂装相容性问题，表明面漆中的异氰酸酯固化剂应是密封涂装相容性问题的关键影响因素。

现有研究[8]表明：HDI固化剂与羟基反应力弱，但在有机锡催化下能快速固化，且芳香族异氰酸酯的反应活性为脂肪族异氰酸酯的3倍。这表明含有芳香族异氰酸酯是3010和SF01与密封的相容性比含有脂肪族异氰酸酯的PU HS更差的原因。

采用脂肪族异氰酸酯的PU HS在与MS3密封涂装中的相容性不佳，则可能是由于MS3硬度比MS1和MS2低，受到外力作用时硬度低的胶层局部变形更大，导致面漆因柔韧性相对不足而碎裂破坏(JT/T 694–2007标准中要求密封胶扯断伸长率不低于250%，而常规面漆伸长率小于150%，一般仅有50%[9])。鉴于此，一些桥梁密封涂装工程进行柔性面漆试验并取得较积极的效果[10-12]，但桥梁行业现有柔性面漆的断裂伸长率最大也只是150%左右，还未见达到250%甚至600%的工业面漆产品[13]，完全依靠提高面漆伸长率来解决密封涂装相容性还存在较大的技术问题与经济难度。

因此，解决措施是应优先选用不含异氰酸酯的面漆，其次可选用价格较高的脂肪族异氰酸酯面漆，慎选甚至是不选芳香族异氰酸酯。经桥梁工程施工验证，采用脂肪族异氰酸酯的面漆取得了良好的密封涂装配套效果。

2.2 MS密封胶的影响

2.2.1 增塑剂

3010和SF01涂层从MS2胶层上完全脱落，失去附着力，却能较好地附着在MS1胶层上，仅部分位置出现脆裂。这2种密封胶唯一的区别在于使用了不同的增塑剂。MS2中使用了DL-3000D聚醚多元醇增塑剂，这是密封涂装相容问题的主要影响因素。从现有研究成果[5-6]来看，密封涂装时，面漆中的异氰酸酯接触或渗入胶层后被胶层中的聚醚多元醇捕捉反应，胶层中的有机锡催化剂也将加速其反应，最后造成面漆固化不足、无附着力等严重的相容性问题。

F HS及聚氨酯面漆与MS2相容配套表明，即使脂肪族异氰酸酯可能会与胶层中的聚醚多元醇反应，但因反应速率明显慢于芳香族异氰酸酯，故最终没有对相容性造成明显的破坏。

胶层中羟基含量及其活性将对密封涂装配套性产生负面影响，胶层表面及胶层中羟基的其他来源主要有胶层表面吸附的水分子，胶体中偶联剂除水后残存的醇类物、MS密封胶与水分固化后产生的醇类残余物等。这些较低分子量的含羟基物质也会对密封涂装相容性直接造成负面影响，可能由于相对较少，这些羟基物质的影响远小于MS密封胶中含量一般超过10%以上的聚醚多元醇的影响。

2.2.2 硬度

MS3与MS1都采用了DIDP，但MS3在与脂肪族异氰酸酯面漆配套中的表现明显不如MS1，除去二者填料不同可能产生的轻微影响，二者硬度上的明显差别应是主要因素。表3列出了各密封胶的相关性能。中高硬度胶层在面漆涂层遇到外力作用时能起到更有利的支撑作用，可有效防止涂层局部变形过大或遭到破坏。

表3 不同硅烷改性密封胶的硬度、拉伸强度和断裂伸长率 Table 3 Hardness, tensile strength, and elongation at break of different silane-modified sealants

2.2.3 解决措施

(1) 聚环氧丙烷醚二元醇(DL-3000D)、聚丙二醇(PPG-3000)等多元醇类增塑剂不仅价格明显优于邻苯类(DIDP)、氯酯类(TCPP-1)增塑剂，而且也没有上述增塑剂带给MS密封胶的不良气味，因此广受欢迎。但桥梁工程密封涂装施工时应避免选择采用多元醇类增塑剂的MS密封胶，MS4、MS5及现有研究[5-6]都证明了优选改进效果。

(2) 桥梁工程密封涂装结构的局部位移一般较小，因此现有行业标准对MS密封胶拉伸强度要求较高(如JT/T 694–2007标准中要求≥2.5 MPa)，但没有对MS密封胶硬度提出明确的技术要求。桥梁工程密封涂装施工时在保证MS密封胶相关性能达标的基础上，应优选中高硬度产品。对相关桥梁工程密封涂装施工跟踪检测发现，MS密封胶硬度提高后，密封涂装相容性得到显著改善。