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        鐵路鋼橋超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系設(shè)計(jì)研究

        2021-11-08 01:59:12李曉波
        鐵道建筑 2021年10期
        關(guān)鍵詞:氟碳面漆鋼橋

        李曉波

        中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津300308

        近年來(lái)國(guó)家在沿海地區(qū)以及西部川藏地區(qū)規(guī)劃建設(shè)了多條鐵路,惡劣大氣腐蝕環(huán)境對(duì)鐵路鋼橋的耐久性設(shè)計(jì)提出嚴(yán)峻考驗(yàn)[1]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外鋼橋防腐經(jīng)驗(yàn),在保障涂料質(zhì)量和施工質(zhì)量的前提下,現(xiàn)有防腐涂裝體系的設(shè)計(jì)防護(hù)年限為15~25年,而橋梁的設(shè)計(jì)使用年限通常為100 年[2]。如果考慮防腐涂裝體系的設(shè)計(jì)防護(hù)年限為20 年,在鋼橋整個(gè)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi),除了鋼橋的初始涂裝以外,還要進(jìn)行至少4 次以上的大修維護(hù)涂裝,大大增加了鋼橋全壽命周期涂裝費(fèi)用,而且重新維護(hù)涂裝對(duì)于施工環(huán)境和施工工藝要求極高。為此,在現(xiàn)有鐵路鋼橋防腐涂裝體系的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研發(fā)了新型超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系。本文通過(guò)試驗(yàn)研究新型環(huán)氧烯鋅底漆以及石墨烯氟碳面漆的耐久性能。

        1 新型超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系簡(jiǎn)介

        石墨烯穩(wěn)定的sp2 雜化結(jié)構(gòu)能使其在金屬與腐蝕性介質(zhì)之間形成物理阻隔層,阻止擴(kuò)散滲透。不論是在1 500 ℃的高溫環(huán)境下,還是在具有腐蝕介質(zhì)條件下,石墨烯均能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[3]。

        現(xiàn)有鐵路鋼橋防腐涂裝采用Q/CR 749.1—2020《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護(hù)涂裝與涂料 第1部分:鋼梁》[4]中第 6 套或第 7 套涂裝體系。第 6 套和第 7 套防腐涂裝體系的主要差異是面漆,第6 套采用的是丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆,第7 套采用的耐老化性能更好的氟碳面漆。新型超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新型涂裝體系)選擇在第7套防腐涂裝體系(環(huán)氧富鋅底漆+云鐵環(huán)氧中間漆+氟碳面漆)的基礎(chǔ)上利用石墨烯改性底漆和面漆,延長(zhǎng)設(shè)計(jì)防護(hù)年限,實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼橋結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)效防護(hù)。

        新型涂裝體系由三部分組成:①環(huán)氧烯鋅底漆。環(huán)氧富鋅底漆中摻入石墨烯,以提高涂層間的導(dǎo)電性能、鋅粉利用率,充分發(fā)揮陰極保護(hù)作用。石墨烯的疏水性能以及二維片層結(jié)構(gòu)形成的高屏蔽隔絕層,可大大減緩?fù)繉拥匿P蝕速率。②云鐵環(huán)氧中間漆。中間漆與鐵路第7套防腐涂裝體系相同。③石墨烯氟碳面漆。進(jìn)口高性能FEVE(fluoroethylene vinyl ether)氟碳樹(shù)脂摻入石墨烯,以提高氟碳面漆的耐光老化性能。

        2 涂裝性能試驗(yàn)研究

        2.1 底漆性能試驗(yàn)

        1)疏水性能

        涂層的疏水性能可用涂層與水的接觸角來(lái)表征。接觸角越大,涂層疏水性能越好。

        試驗(yàn)測(cè)量了不同石墨烯摻量時(shí)環(huán)氧烯鋅底漆涂層與水的接觸角,結(jié)果見(jiàn)圖1??梢?jiàn):隨著石墨烯摻量增加,涂層與水的接觸角不斷增大,涂層疏水性能越來(lái)越好,但當(dāng)石墨烯摻量(石墨烯質(zhì)量/環(huán)氧烯鋅底漆質(zhì)量)大于0.5%時(shí),涂層與水的接觸角開(kāi)始減小。這是因?yàn)殡S著石墨烯摻量增加,底漆的顏料體積濃度升高,導(dǎo)致涂層表面不光滑,涂層的疏水性能下降。

        圖1 底漆涂層與水的接觸角隨石墨烯摻量變化曲線(xiàn)

        2)耐濕熱性能

        設(shè)計(jì)了不摻、摻入0.5%石墨烯的環(huán)氧富鋅底漆樣板,樣板涂層厚度均為25 μm,干膜鋅含量均為60%,進(jìn)行耐濕熱性能對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖2??梢?jiàn),石墨烯摻量0.5%的環(huán)氧烯鋅底漆具有很好的耐濕熱性能。其耐濕熱500 h 后樣板表面無(wú)明顯銹蝕、起泡等現(xiàn)象,而不摻石墨烯的環(huán)氧富鋅底漆耐濕熱500 h后涂層樣板出現(xiàn)了明顯的銹蝕。

        圖2 底漆樣板耐濕熱性能對(duì)比

        3)耐鹽霧性能

        環(huán)氧烯鋅底漆樣板涂層厚度為80 μm,干膜鋅含量大于60%,石墨烯摻量為0.5%。耐鹽霧性能試驗(yàn)的測(cè)定方法和技術(shù)要求按照Q/CR 749.1—2020執(zhí)行。

        環(huán)氧烯鋅底漆耐鹽霧4 500 h后樣板表面無(wú)起泡、無(wú)生銹、無(wú)開(kāi)裂、無(wú)剝落(圖3),劃痕處24 h無(wú)紅銹,明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求(環(huán)氧富鋅底漆樣板耐鹽霧1 000 h后表面可以有輕微起泡,無(wú)紅銹,劃痕處24 h無(wú)紅銹)。

        4)其他技術(shù)指標(biāo)

        委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)環(huán)氧烯鋅底漆的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。送檢樣板底漆厚度80 μm,石墨烯摻量0.5%,檢測(cè)方法和技術(shù)要求按照Q/CR 749.1—2020 執(zhí)行。檢測(cè)結(jié)果表明,環(huán)氧烯鋅底漆不揮發(fā)物中金屬鋅含量為71%,略低于標(biāo)準(zhǔn)75%要求。這是由于摻加石墨烯提高了底漆的導(dǎo)電性能和鋅粉利用率,因此環(huán)氧烯鋅底漆減少了金屬鋅的含量,其比環(huán)氧富鋅底漆更加環(huán)保。環(huán)氧烯鋅底漆其余各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        綜上,環(huán)氧烯鋅底漆的疏水性能、耐濕熱性能均較環(huán)氧富鋅底漆更加優(yōu)異,耐鹽霧時(shí)間(4 500 h)更是達(dá)到環(huán)氧富鋅底漆(1 000 h)的4.5 倍以上,其他各項(xiàng)性能指標(biāo)也滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        2.2 面漆性能試驗(yàn)

        1)耐老化性能

        防腐涂裝體系中面漆的主要功能為耐老化[5],因此對(duì)未摻石墨烯的氟碳面漆和石墨烯氟碳面漆開(kāi)展人工加速老化試驗(yàn)。試驗(yàn)方法參照Q/CR 749.1—2020執(zhí)行。兩種面漆樣板保光率對(duì)比見(jiàn)圖4。

        圖4 兩種面漆樣板保光率對(duì)比

        由圖4 可見(jiàn):耐人工加速老化時(shí)間小于5 000 h時(shí),兩種面漆樣板的保光率差異較小且均大于90%;老化時(shí)間大于5 000 h時(shí),未摻石墨烯的氟碳面漆樣板保光率開(kāi)始減小,老化6 000 h 時(shí)其保光率僅有75%,而石墨烯氟碳面漆樣板在老化6 800 h 時(shí)保光率仍高達(dá)93%,遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求(老化3 000 h 時(shí)保光率不小于80%)。

        2)其他技術(shù)指標(biāo)

        委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)石墨烯氟碳面漆的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。送檢樣板面漆厚度70 μm,同標(biāo)準(zhǔn)中第7 套防腐涂裝體系面漆厚度一致,檢測(cè)方法和技術(shù)要求按照Q/CR 749.1—2020 執(zhí)行。檢測(cè)結(jié)果表明:石墨烯氟碳面漆各項(xiàng)物理力學(xué)性能指標(biāo)均滿(mǎn)足或優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求;石墨烯氟碳面漆耐人工加速老化6 800 h 時(shí)保光率大于90%,且其人工加速老化性能還有進(jìn)一步提高的空間。

        綜上,石墨烯氟碳面漆耐老化性能優(yōu)異,耐人工加速老化時(shí)間(6 800 h)是標(biāo)準(zhǔn)中氟碳面漆指標(biāo)要求(3 000 h)的2.2 倍以上,其他各項(xiàng)性能指標(biāo)也滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        2.3 防護(hù)年限

        新型涂裝體系設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 新型涂裝體系設(shè)計(jì)參數(shù)

        超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系各涂層厚度與第7套防腐涂裝體系均保持一致。環(huán)氧烯鋅底漆層耐鹽霧時(shí)間是第7 套防腐涂裝體系的4.5 倍以上,面漆層耐人工加速老化時(shí)間是第7 套防腐涂裝體系的2.2 倍以上,可見(jiàn)新型涂裝體系的設(shè)計(jì)防護(hù)年限是鐵路鋼橋第7套防腐涂裝體系的2倍以上。

        根據(jù)國(guó)內(nèi)外鋼橋防腐涂裝經(jīng)驗(yàn),傳統(tǒng)防腐涂裝體系設(shè)計(jì)防護(hù)年限通常為15 ~25年,因此可推算新型涂裝體系的設(shè)計(jì)防護(hù)年限至少可以達(dá)到30 ~50 年。如果質(zhì)量控制措施得當(dāng),可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的防護(hù)年限。

        3 檢驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)

        環(huán)氧烯鋅底漆和石墨烯氟碳面漆均含有石墨烯,Q/CR 749.1—2020 中沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)石墨烯的檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。因此環(huán)氧烯鋅底漆、石墨烯氟碳面漆除了須滿(mǎn)足Q/CR 749.1—2020 中要求的檢驗(yàn)項(xiàng)目以及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)外,還應(yīng)按下列檢驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn),以保證其質(zhì)量和性能。

        3.1 環(huán)氧烯鋅底漆進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)

        環(huán)氧烯鋅底漆進(jìn)場(chǎng)須檢驗(yàn):①按照HG/T 5573—2019《石墨烯鋅粉涂料》[6]核實(shí)是否含有石墨烯材料。樣品經(jīng)高速離心處理完畢后,采用掃描電鏡能譜法檢測(cè)。該方法適用于石墨烯摻量不低于2‰的石墨烯材料。②按照GB/T 1771—2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測(cè)定》[7]測(cè)試96 h 耐鹽霧腐蝕性能。涂層要求涂裝2 道,涂層總厚度80 μm,在試板上劃一道平行于試板長(zhǎng)邊的劃痕進(jìn)行試驗(yàn)。性能要求為鹽霧腐蝕96 h 樣板劃痕處無(wú)紅銹,遠(yuǎn)高于Q/CR 749.1—2020中24 h劃痕處無(wú)紅銹的要求。

        3.2 石墨烯氟碳面漆進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)

        石墨烯氟碳面漆進(jìn)場(chǎng)須檢驗(yàn):①核實(shí)是否含有石墨烯。石墨烯氟碳面漆中石墨烯摻量在0.1‰ ~0.5‰,摻量較少,采用現(xiàn)有離心電鏡掃描法無(wú)法檢測(cè),因此只能檢查石墨烯原材料廠(chǎng)家提供的證明文件,確保進(jìn)場(chǎng)面漆中含有石墨烯。②檢查進(jìn)口高性能FEVE 氟碳樹(shù)脂廠(chǎng)家提供的證明文件,須氟碳樹(shù)脂在基料組分中含量不小于63%。

        4 施工工藝

        4.1 表面預(yù)處理

        1)鋼構(gòu)件表面噴砂除銹前應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理,粗糙焊縫打磨平順,銳邊用砂輪打磨成曲率半徑不小于2 mm的圓角,表面層疊、裂縫、夾雜物須打磨處理,必要時(shí)補(bǔ)焊。表面油污應(yīng)采用專(zhuān)用清潔劑進(jìn)行低壓噴洗或軟刷刷洗,鹽分超標(biāo)時(shí)應(yīng)采用高壓淡水沖洗。

        2)鋼構(gòu)件表面噴砂除銹用磨料應(yīng)滿(mǎn)足Q/CR 749.1—2020 的要求,噴砂氣體壓力值應(yīng)不小于0.5 MPa,且應(yīng)無(wú)油無(wú)水無(wú)雜質(zhì)。

        3)鋼表面除銹等級(jí)應(yīng)達(dá)到GB/T 8923.1—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理》規(guī)定的Sa3.0 級(jí),鋼表面粗糙度要求在25~70 μm。采用車(chē)間底漆的鋼構(gòu)件外表面在涂裝底漆前應(yīng)采用噴砂方法進(jìn)行處理。

        4.2 涂層施工

        1)表面預(yù)處理與噴涂底漆之間的間隔時(shí)間應(yīng)盡可能縮短。晴天或濕度不大的條件下間隔時(shí)間最長(zhǎng)不宜超過(guò)4 h。底漆層、中間層最長(zhǎng)暴露時(shí)間不應(yīng)超過(guò)7 d,兩道面漆噴涂間隔若超過(guò)7 d 須用細(xì)砂紙打磨成細(xì)微毛面。

        2)對(duì)構(gòu)件的粗糙表面、不平整焊縫表面、板邊、彎角、流水孔等不易噴涂部位或難以保證厚度的部位用刷子進(jìn)行預(yù)涂。涂裝應(yīng)均勻,不得漏涂。預(yù)涂既要保證厚度,又要避免流掛。

        3)大面積區(qū)域采用高壓無(wú)氣噴涂方式施工。施工時(shí)應(yīng)均勻涂覆在鋼構(gòu)件表面,壓蓋1/3 至1/2,壓蓋要均勻,先難后易,分片涂裝。噴涂時(shí)行槍速度要均勻,噴槍與工作面保持垂直,兩者距離以350 ~400 mm為宜。

        4)噴涂末道面漆前應(yīng)首先對(duì)吊裝及運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的局部破損處、吊耳切面等部位進(jìn)行修復(fù)。先清理破損區(qū)周?chē)繉?,延伸至未破損區(qū)50 ~80 mm,并修復(fù)成階梯狀。表面先處理至達(dá)到GB/T 8923.1—2011規(guī)定的Sa2.5級(jí)或St3.0級(jí)以后,再?lài)娡颗c鄰接部位相同的涂層,不得漏涂。最后再整體噴涂末道面漆。

        5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

        統(tǒng)籌考慮材料+施工費(fèi)用,超長(zhǎng)耐久防腐涂裝體系造價(jià)比第7套防腐涂裝體系高16%。

        新型涂裝體系設(shè)計(jì)防護(hù)年限保守取30年,全壽命周期內(nèi)至多需進(jìn)行3 次大修涂裝,采用新型涂裝體系(累計(jì)涂裝4次)鋼橋全壽命周期防腐涂裝成本比采用第7 套防腐涂裝體系(累計(jì)涂裝5 次)降低7%以上,且采用新型涂裝體系可以有效減少鋼橋大修涂裝對(duì)于交通運(yùn)輸?shù)母蓴_。

        6 結(jié)論

        1)環(huán)氧烯鋅底漆的疏水性能、耐濕熱性能比鐵路鋼橋第7 套防腐涂裝體系的環(huán)氧富鋅底漆優(yōu)異,耐鹽霧時(shí)間是環(huán)氧富鋅底漆的4.5 倍以上,其他各項(xiàng)性能指標(biāo)也滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        2)石墨烯氟碳面漆耐老化性能優(yōu)異,其耐人工加速老化時(shí)間是鐵路標(biāo)準(zhǔn)中氟碳面漆的2.2 倍以上,其他各項(xiàng)性能指標(biāo)也滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        3)制定的環(huán)氧烯鋅底漆、石墨烯氟碳面漆涂料的進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)項(xiàng)目、技術(shù)要求和施工工藝,可確保其質(zhì)量和性能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        4)新型涂裝體系設(shè)計(jì)防護(hù)年限是第7套防腐涂裝體系的2 倍以上,可達(dá)30 ~50 年,可有效減少鋼橋服役期間涂裝大修次數(shù)。與采用第7套防腐涂裝體系相比,采用新型涂裝體系鋼橋全壽命周期防腐涂裝成本可節(jié)約7%以上,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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