环境友好型钢箱梁内壁维修防护涂料的研制及应用

环境友好型钢箱梁内壁维修防护涂料的研制及应用

张然 ,金晓岚,高晓静

石家庄市金达特种涂料有限公司

摘要 近年来，由于钢箱梁桥梁“老龄化”和服役条件的日益恶化，大量桥梁病害问题越来越突出，由于钢箱梁内部环境密闭性、设备老化、不易维护等因素限制，钢箱梁内壁的维修防护比外壁的维修防护更为重要。为此研制出一种环境友好型钢箱梁内壁维修防护涂料，该涂料以自制预反应低分子量环氧树脂为主要成膜物质，添加锈蚀转锈剂、锈稳定剂、新型防锈颜料石墨烯，且以改性脂环胺作为专用固化剂，适用于非理想状态下（包括不能完全除锈、高压水喷射、湿喷砂等潮湿基材表面或良好附着的旧漆膜表面）的钢箱梁内壁维修防护涂装，且显示出优异的漆膜附着力及良好的防腐性能。

关键字 钢箱梁  内壁维修 带锈防锈  施工性能

1. 引言

随着公路、市政建设的快速发展，近年来桥梁作为公路建设重要组成部分取得了相应的发展，截止2017年底，中国公路桥梁总数达83.25万座，居世界第一。以目前中国桥梁3%的年增长率计算，预计到2025年中国公路桥梁总数将超过100万座。

钢箱梁因其跨度大，跨越能力强、工厂加工制造速度快，施工对桥下交通影响小的优点被广泛应用于桥梁建设中[1]。近年来，由于桥梁“老龄化”和服役条件恶化，大量桥梁病害问题将会越来越突出，安全事故也会越来越多[2]。目前，中国危桥总数约为7万座，占我国现有桥梁总数的1/2，今后这一比例仍将保持在较高水平，因此我国老旧桥梁的维修、养护工作显得有位重要。

钢箱梁内表面因其配套设施的损坏及其功能失效，如除湿系统故障、排水不畅导致雨水长期浸泡，致使钢板发生快速锈蚀，严重威胁结构安全。从材料保护的角度来讲，涂料的应用无疑是最为经济有效的方法。钢箱梁内部为密闭空间，对内壁金属表面喷砂处理难度大、施工困难，同时涉及环保、工程造价成本等问题，国内外多采用手工除锈，基材表面很难达到Sa2.5的底材除锈等级要求。不同程度的锈蚀物降低了普通涂料的防腐效果，缩短了涂料使用年限[3]。

因此本文特研制出了一种高效低表面处理环境友好型钢箱梁内壁维修防护涂料，其制备和施工简易，可直接涂刷于残余锈蚀的钢铁表面，降低人工及成本费用，并且机械和防腐性能良好，特别适用于结构复杂、环境苛刻的钢箱梁桥梁内壁维修防护。

2. 试验部分

2.1 基本配方

本涂料采用改性环氧树脂、改性脂环胺固化剂，配合合适的锈转化剂、防锈渗透剂、防腐性能高的颜填料、制备出双组分环境友好型钢箱梁内壁维修防护涂料。用于不能彻底除锈、高压水喷射、湿喷砂等潮湿基材表面或附着良好的旧漆膜等表面钢箱梁内壁维修防护涂装，并保持较好的性能。其基本配方见表1.

表1  环境友好型钢箱梁内壁维修防护涂料基础配方

Table 2. Coating performance test results

2.2 结果与讨论

2.2.1成膜物质的优选

环氧树脂的选择指标为：环氧值、羟值及树脂粘度。环氧值决定了漆膜的交联密度和相应固化剂的选择，环氧值越大，交联密度越大，漆膜的防腐性能、硬度和耐磨性越好，但交联密过大会致使漆膜变脆，影响漆膜的柔韧性和耐冲击性等机械性能，漆膜厚涂可能开裂。羟值决定涂层与基材的粘结力，羟值越大，粘结力越好，同时潮湿固化附着力越好。粘度决定涂料的加工性和施工性。三者具有关联性，环氧值越大，羟值越小，体系粘度越低[4]。

因此本文采用低粘度自改性低分子量环氧树脂，在具有残锈和微孔的旧涂层表面有良好的渗透性和柔韧性，同时加入含有C12-C14长碳链的活性稀释剂，使涂料具有较低的表面张力和良好的疏水性能，当在潮湿基材表面涂装时，排开表面水分得到更高的润湿性，增强漆膜附着力。

固化剂选用改性脂环胺固化剂，其分子中的亲油基团，使其可以在带油污的基材表面达到良好的铺展性能,同时控制初期反应速度，减缓涂装初期固化速度，而后期反应较快，从而使漆膜在锈蚀底材充分渗透，在涂装基材附着的更加牢固，从而提高耐腐蚀性能。

2.2.2颜填料的优选

铁锈是金属腐蚀产物，主要由三价、二价铁氧化物和其氧化物的水合物组测成，并含有微量硫酸、碳酸的铁盐等。铁锈中除Fe3O4比较稳定外，其余的成分会继续腐蚀钢铁，使锈蚀蔓延，对钢板产生危害，因此在配方体系中添加适量的磷酸盐作为锈蚀转化剂，磷酸盐通过水解产生的磷酸与活泼铁锈反应生成稳定的杂多酸盐，配以适量锈蚀稳定剂有机氮碱及其盐类（如铬酸二苯胍、氨基胍碳酸盐等）得到水不溶的络盐，覆盖在钢铁表面，达到增强稳定锈蚀的效果的目的。

稳定的杂多酸盐及尖晶石结构物质的生成，需要相当长的时间才能完成稳定化过程，因此本涂料中加入一定量石墨烯，由于石墨烯

自身出色的化学惰性和抗渗透性, 致密的石墨烯晶格可以在金属表面形成腐蚀防护层，延缓腐蚀，提高腐蚀性能[5]。

2.2.3 助剂体系的选择

钢的结构非常致密，油污分子一般附着在基材表面，油污为非极性化合物，在常温下比较稳定，不易发生化学反应。故本配方体系中添加表面活性剂，根据“相似相溶”的原理通过络合、乳化等方法对油分子进行化学处理转移，涂料中的极性基团铺展附着在钢材表面，达到良好的涂装效果。同时配方体系中添加了一定量的聚酰胺蜡触变剂，改善漆膜的防流挂性能，确保一道施工干膜膜厚200微米以上。

2.2.4性能检测

2.2.4.1涂膜性能

依据Q/01JDTT 14-2020《环境友好型钢箱梁内壁维修防护涂料》对其相关性能进行检测，检测结果如表2。

表2涂膜性能检测结果

Table 2. Coating performance test results

2.2.4.2施工性能

本涂料可采用刷涂，喷涂、辊涂施工，可在旧涂层及牢固锈层厚度100um以内有少量油污或潮湿的钢铁表面进行涂敷。该涂料还可覆涂在环氧类、聚氨酯类、酚醛类及醇酸类旧涂层上，不过涂敷前需对旧涂层的附着力及新、旧涂层的相容性进行测试，旧涂层附着力小于3MPa时必须彻底去除旧涂层。

在带锈涂层表面进行涂装使用时，需要确保锈蚀层的牢固性，浮锈疏松的锈层必须进行处理。残余锈层厚度在50um以下，可以允许少量坚实而薄的氧化皮存在。经多次拉开法附着力发现，涂层附着力失效界面主要发生在涂层之间，只有锈蚀非常严重底材测试时，会在测试铝柱发现小面积残锈存在，由此说明该涂料与锈层发生转化反应，使锈层稳定粘附在基体上并呈现出优异的附着力。测试数据如表3所示。

表3 漆膜的附着力测试结果

Table 3.  coating adhesivetest results

3. 结论

近年来，为更好的推进钢结构市场的健康有序发展，工信部、财政部、环保部等部门纷纷制定相关的政策，推进防腐涂料的转型升级。诸多省份针对钢结构涂装过程的VOC排放提出明确要求，国家也相继发布多项标准，完善涂料涂装中挥发性有机物（VOC）含量的限量要求；“十三五”规划中也规定将VOC纳入总量减排。“生态环保，节能减排，降低成本， 提高效益”成为目前防腐领域新的旗帜。目前，水性涂料因其对施工环境的容忍性低、持久防护差等因素限制了使用推广，而环境友好型钢箱梁内壁维修防护涂料为无溶剂体系，施工简单，防腐性能优异、对施工环境要求不高，同时兼顾环保、经济和高效防腐性，可广泛应用于钢箱梁内壁的维护、维修和保养，具有广阔的市场应用前景。

参考文献

［1］黄祥岭。市政桥梁的梁型方案比选研究.中国高新科技,2021

［2］毛新平,武会宾，汤启波. 我国桥梁结构钢的发展与创新.现代交通与冶金材料,2021.

［3］唐俊华.徐浦大桥主跨钢梁涂层大修配套方案及涂装工艺[J].上海涂料, 2015,53(10):33-36.

［4］杨振波,李运德,师华.低表面处理涂料技术现状及发展 [M] .电镀与装饰, 2009.1.

［5］郭晓蒙,青芳竹,李雪松.石墨烯在金属防腐蚀领域中的应用.物理学报,2021,70(9):098102.