公路钢结构防腐涂层材料适应性研究★

杨 奇，戴鹏飞，祝金崧，李珈萱，尹尚雄

(1.辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110000；2.辽宁省高速公路运营管理有限责任公司，辽宁 沈阳 110055；3.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168)

0 引言

钢结构件在公路上随处可见，钢结构件在公路建设方面有十分重要的作用，但是由于环境的腐蚀导致每年有数千亿美元的损失，并且腐蚀的钢结构由于性能的损坏最终导致事故的新闻屡见不鲜。公路桥梁钢结构等大型钢结构件的腐蚀防护已经逐渐成为人们研究的话题。根据钢结构腐蚀破坏导致的经济损失进行数据统计，腐蚀所造成的经济损失可达到国民经济总产值(GDP)的2%～4%，如欧洲约为3%，美国和澳大利亚约为4.2%，而波兰约为6%～10%。在2005年我国因腐蚀损失5 000亿元，约占国内生产总值的6%[1]。

1 钢结构腐蚀原理

钢结构的腐蚀原理主要由于钢结构在所处环境中受到周围介质的化学和电化学的作用引起的钢结构破坏。其中，大气环境对于公路钢结构的腐蚀最为主要。由于长期暴露在空气中，公路钢结构与空气中的水汽、腐蚀介质(如空气烟尘、表面沉积物、雨水中的重金属离子等元素共同的作用下)和氧的化学与电化学作用导致的钢结构腐蚀，这种现象被称为大气腐蚀。非金属材料分子由于受到了太阳的紫外线和热辐射并且因为空气中温度、湿度的联合作用，分子键发生断裂、分解，导致外观、机械性能和理化性能的劣化，称为大气老化腐蚀。环境的不同导致钢结构的腐蚀的原因不同，不同环境类别下其腐蚀机理截然不同，因此，对于不同环境下的钢构件防腐也应该对症下药。目前对于钢结构的防腐方法有很多种，其中涂层防护技术被一致认为是提高钢结构使用寿命的最有效的防腐措施之一。

目前，市场上存在很多种类的钢结构防腐涂层材料，其性能千差万别。因此，研究不同腐蚀环境条件下的桥梁钢构件使用防腐涂层的适用性显得尤为重要。

大气腐蚀是钢结构腐蚀的主要类型，即钢结构暴露在大气中受到的腐蚀，由于大气环境含有的水汽、氧气、以及各种杂质，尤其是在公路方面，汽车尾气所排放的SO2,NO2形成的电解液吸附在钢材上，导致钢结构表面发生了电化学反应最终引起了钢结构的腐蚀。

目前研究发现影响钢材大气腐蚀速率的因素主要有：1)温度在0 ℃以上时大气湿度超过临界湿度的时间;2)大气中的污染物的含量;3)盐粒的沉降。其中温度在0 ℃以上时大气湿度超过临界湿度的时间是决定大气腐蚀速率最关键的因素[2]。

对于公路桥梁钢结构腐蚀和影响桥梁钢结构耐久性的主要因素可分为两类：内因，主要表现为公路桥梁钢结构自身的性能和设计施工时的质量；外因，主要表现为钢结构所处的环境条件。钢结构所处的腐蚀环境有大气腐蚀环境、水介质(包括海水、淡水)腐蚀环境、土壤腐蚀环境及工业腐蚀环境等[3]。

2 钢结构保护形式

为了应对钢结构腐蚀所造成的破坏，需要对钢结构进行保护。目前国内钢结构常用的防腐蚀的措施主要有两类：一类是机械隔离措施，即采用惰性材料包覆在钢结构表面，通过隔离空气中的水、氧气等腐蚀介质来防止钢结构的腐蚀;另一类是根据电化学腐蚀原理，通过提高钢结构件的电位，使其处于电位较高的一极，从而达到保护的目的。根据上述原理，常用的钢结构防腐方法有热浸镀、涂料涂装、电弧喷涂复合涂层等方法[4]。目前涂层防护被认为是提高钢结构件防腐蚀及耐久性最经济最有效的措施。但是随着时间的推移,在腐蚀的作用下钢结构表面的涂层会逐渐的老化并失去作用,从而失去对钢结构基体的保护作用。并且由于市面上钢结构防腐涂层材料的种类很多，其性能也千差万别，因此研究不同条件下钢结构防腐涂层的适用性就十分的重要。

影响钢结构防腐涂层性能的主要因素有以下两点。

2.1 环境影响

环境对钢结构的影响非常大，尤其对于桥梁方面。桥梁钢结构大多暴露于空气中，会被空气中的物质发生电化学的腐蚀现象。又如在北方地区，由于冬季雨雪现象，会导致路面湿滑，因此会在雪上撒除冰盐，但是除冰盐会对钢结构产生很大的腐蚀现象，因此在这种环境下钢结构的防腐涂层需要对除冰盐的腐蚀有一定的抵抗性[5]。所以应该根据不同环境的腐蚀因素选取合适的钢结构防腐涂层材料。

2.2 涂装位置

由于钢结构在设计时的功能不同，其使用位置也不同，所需要的涂装工艺也不同。如外表面、非封闭的内环境、封闭的内环境、钢桥面、干湿交替区、水下区等等。这些需要在设计时针对不同的性能需要进行考虑。

3 研究方案及分析

基于上述问题，通过调研分析，并结合目前国内主流的钢结构防腐涂层体系，确定A：溶剂型环氧-聚氨酯体系；B：聚脲防护体系；C：溶剂型环氧-氟碳体系；D：水性双组分环氧-聚氨酯体系四种体系方案。这四种体系方案基本包含了目前国内70%的桥梁钢结构防腐涂层体系，为研究钢结构防腐涂层材料适应性提供了依据(见表1，表2)。

表1 涂层材料体系(一)

表2 涂层材料体系(二)

3.1 试验方法

3.1.1 涂层拉伸性能测试

实验所用试样按照GB 3186—82涂料产品的取样取样，试验测试一般测试试件的拉伸强度和断裂伸长量。其中拉伸强度(tensile strength)是指试件在拉力下，伸长直至最终断裂过程中所承受的最大拉伸应力；断裂伸长率(elongation at break)是指涂层试件在拉力作用下，从伸长到拉断过程中所走的位移值与初始标距的比值。

3.1.2 附着力测试

参照GB/T 5210—2006色漆和清漆拉开法附着实验，ASTM-D-4541附着力测定法以及ISO4624：2002.Pull-offtestforadhesion的测试标准进行附着力测试。通过分析不同涂层体系的附着力强度的高低研究适应的环境。

3.1.3 耐中性盐雾性能的测定

将用涂料涂好的试板放在实验箱中，使其暴露于中性盐雾中，参考GB/T 1771—2007进行试验，中性盐雾使用含有质量分数5%±0.5%的氯化钠、pH值在6.5～7.2的盐水通过喷雾装置进行喷雾，让盐雾沉降到待测试验件上，经过一定时间观察其表面腐蚀状态并评定盐雾暴露的结果。实验结束后观察涂层的外观变化、腐蚀的缺陷等。

3.1.4 耐氯离子侵蚀试验

试验通过RCM法及NEL法对各试件进行氯离子渗透试验并观察涂层形貌变化。通过外加的电场加速试件外的氯离子向其中扩散，通过测量电通量以及观察涂层形貌的变化来比较不同涂层体系耐氯离子侵蚀的能力。

3.1.5 涂层厚度测量

为了控制变量，使得实验的数据更加的准确，测试的涂层厚度应保持一致。根据超声波脉冲反射的原理，涂层厚度将使用超声波测厚仪来测量，以保证试验涂层的厚度一致。

3.2 结果分析

为了控制变量，涂膜的厚度均保持一致，通过超声波测厚仪测得涂膜的厚度均为280 μm。

3.2.1 涂层拉伸性能结果分析

通过采用哑铃型模型制备，将制备好的试样放入标准条件下养护7 d，然后进行拉伸实验测试，断裂延伸率结果如表3所示。

表3 各防腐涂层体系断裂延伸率及拉伸强度数据

从试验结果来看，涂层体系B的断裂延伸率及拉伸强度最大分别为300%和22.5 MPa，均大大超过其他各体系，这说明聚脲涂层体系具有良好的耐拉伸性能，在受到物理冲击时，涂层不易受破坏。桥梁在使用时，由于频繁的应力作用导致涂层破坏、开裂。因此对于桥梁钢结构受力变化明显的部位使用聚脲涂层体系具有显著作用，适用于受力频繁的桥梁钢结构部位。

3.2.2 附着力测试结果分析

通过将涂刷4种不同涂层体系的试件同步进行附着力试验，各涂层体系进行拉开法附着试验，进行试验分析各涂层与基底的黏结强度。具体试验结果见表4。

表4 各防腐涂层体系附着力数据

从试验结果来看，A，C方案试件附着力均大于6 MPa，附着力较高，涂层不易脱落，涂料能对钢结构表面起到良好的保护，方案B，D试件附着力较低，因此方案A,C对于桥梁钢结构在需要明显提高附着力的表面具有显著的作用，适用于容易受到物理冲击的地方。各防腐涂层体系的附着力数据见图1。

3.2.3 耐中性盐雾性能结果分析

通过盐雾腐蚀试验箱进行耐盐雾试验，检验钢结构防腐涂层材料对盐雾腐蚀环境的抵抗力。盐雾腐蚀主要发生在大气环境，由于大气中的水分、氧气、温度及各种污染物导致的腐蚀，这种腐蚀现象是非常常见的。本文将涂刷4种不同涂层体系的试件同步进行盐雾试验，涂层剥落视为涂层失效。具体试验结果见表5，图2。

表5 不同涂层耐盐雾试验结果

从试验结果来看，A，B，C，D方案经受耐盐雾试验后，漆膜表面均出现了程度不同的发白、起泡、附着力损失等破损，在实验时，D方案的耐盐雾次数明显小于其他三个方案。从结果来看B，C方案的耐盐雾性能明显好于A，D方案，因此方案B，C对于桥梁钢结构氯盐环境下耐腐蚀破坏具有显著的作用，作为一种常见的大气腐蚀，盐雾存在于大气环境之中，对金属材料造成十分严重的腐蚀，盐雾中的氯离子会与金属发生电化学反应，使得钢结构材料产生严重的破坏，对桥梁的使用以及公路安全产生严重的威胁。据统计[6]很多服役20 a左右的钢筋混凝土结构，受到了严重的腐蚀，而通过试验分析B，C类体系在面对盐雾环境时能有较好的保护性能，适用于在氯盐环境下的钢结构部分。

3.2.4 抗氯离子侵蚀性结果分析

本文对4种不同涂层体系的试件进行电通量试验，经过验证，涂刷涂层后试件均提高抗氯离子渗透性能的效果。但不同的涂层提高的程度不同，试验的结果如表6所示。经过氯离子渗透试验后涂层体系A，B，C，D的外观形貌见图3。

表6 各防腐涂层体系电通量

通过RCM法及NEL法对各试件进行氯离子渗透试验后数据及外观形貌对比，所选4套防腐涂层体系均对试件抵抗氯离子侵蚀性能有明显的提高作用，涂层体系A，B，D经过试验后表观均出现了起泡破坏，涂层体系C外观没有明显变化。综合分析，涂层体系C对于阻止钢结构在氯离子侵蚀环境下破坏具有明显作用，尤其对于北方的除冰盐环境，即因为北方地区冬季冰雪的影响，人为撒冰盐来解决桥面积雪问题的，但是除冰盐会对钢结构产生腐蚀破坏的环境，通过涂层体系C对钢结构进行保护能有十分显著的效果。

4 结论

本文研究是建立在A，B，C，D四种涂层体系漆膜厚度保持一致的前提下，测试时涂层的各项试验性能，以对各类钢结构防腐涂层的使用环境提出建议，由上述分析可得：1)涂层体系A为常规防腐体系，可用于一般大气环境下的桥梁钢构件防腐。2)涂层体系B为柔性涂层体系，适用于受力频繁的桥梁钢结构部位，且经常受到水害侵蚀造成的腐蚀环境中，但本体系目前存在施工适用期短、施工难度大等问题。3)涂层体系C为氟碳高耐腐蚀体系，可用于一般大气环境、除冰盐环境、近海或海洋环境桥梁钢构件防腐，但体系造价过高是目前待解决问题。4)涂层体系D为高性能水性环保体系，是目前国内外防腐涂层的发展方向，可用于一般大气环境以及不太严重的氯盐环境下的桥梁钢构件防腐。根据试验结果及经济价值方面给出不同种类防腐涂层适应桥梁钢构件示例：溶剂型环氧-聚氨酯体系：涂装在外表面，如桥梁主钢构及附属钢构；聚脲防护体系：涂装在处于潮湿大气、干湿交替区以及摩擦受力区的钢结构；溶剂型环氧-氟碳体系：除冰盐环境、近海或海洋环境中的钢构件；水性双组分环氧-聚氨酯体系：大气区桥梁钢结构附属构件。

5 结语

随着我国经济社会的快速发展，我国公路建设事业取得了明显进步，我国每年因为钢结构腐蚀造成的损失不可忽视，钢结构防腐涂层材料也变得越发的重要。随着人们对钢结构的防腐的重视程度提高，加强对公路钢结构防腐涂层材料的适应性研究有重要意义。本文先分析了钢结构的腐蚀原因及保护手段，而后通过调研分析选取我国目前最常用的四种涂层类型，最后结合试验数据详细分析了不同的钢结构防腐涂层材料的适应类型，为今后施工过程中工程人员对公路钢结构防腐涂层的选取提供技术支持并结合实际情况来进行科学设计。