老通揚(yáng)運(yùn)河鋼壩閘防腐涂層耐久性試驗(yàn)

張澤揮， 朱翃宇， 陶擁政， 巫亞明， 張永勝

(1.南京航空航天大學(xué)， 江蘇 南京 210016； 2.泰州市引江河河道工程管理處， 江蘇 泰州 225300；3.泰州市城區(qū)河道管理處， 江蘇 泰州 225300； 4.江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

水利工程是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的大工程，國(guó)家始終高度關(guān)注水利工程的建設(shè)與發(fā)展。江蘇省水系豐富，具有發(fā)展水利工程的優(yōu)越條件。隨著近些年江蘇省水利事業(yè)的發(fā)展，修建了許多水閘以滿足城市用水、景觀建設(shè)及環(huán)境整治和灌溉的需要。鋼壩閘是一種特殊結(jié)構(gòu)的水閘形式，其設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)50年，其閘門門體、啟閉機(jī)等都是金屬結(jié)構(gòu)。由于鋼壩閘可以設(shè)計(jì)的比較寬，可以省去數(shù)孔閘墩，所以不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還可以節(jié)省不少投資。因此，鋼壩閘在城市防洪、河道整治、景觀水利工程等領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。但是鋼壩閘的閘門門體、啟閉機(jī)等主要結(jié)構(gòu)都是水工金屬結(jié)構(gòu)，其所處的環(huán)境介質(zhì)及運(yùn)行工況較為復(fù)雜，導(dǎo)致鋼壩閘在使用過(guò)程中容易受到環(huán)境因素的作用而發(fā)生腐蝕破壞，從而影響鋼壩閘的安全性和耐久性。因此，為了有效控制鋼壩閘的腐蝕，延長(zhǎng)其使用壽命，鋼壩閘的長(zhǎng)效防腐問(wèn)題值得深入研究[1-2]。

水工金屬結(jié)構(gòu)的防腐蝕手段主要為防腐涂層防護(hù)、噴涂金屬與涂料聯(lián)合防護(hù)、陰極保護(hù)等，而防腐涂層是水工金屬結(jié)構(gòu)防護(hù)應(yīng)用最為廣泛，也是較為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的技術(shù)手段。防腐涂層能與金屬基體緊密結(jié)合，防止腐蝕介質(zhì)與金屬基體接觸，延長(zhǎng)水工金屬結(jié)構(gòu)的使用壽命[3-4]。但是在服役過(guò)程中，防腐涂層會(huì)受到紫外線、溫度、濕度、氯離子等環(huán)境因素的作用，涂層會(huì)通過(guò)不同降解形式發(fā)生老化降解，產(chǎn)生不同程度的缺陷，如失光、變色、開裂、起泡、剝落等，降低防腐涂層的耐久性，最終導(dǎo)致水工金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕和破壞[5]。目前國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者通過(guò)自然暴曬試驗(yàn)和人工加速老化試驗(yàn)等方法對(duì)防腐涂層的耐久性進(jìn)行研究。許旭東等[6]分析和探討了防腐材料、表面預(yù)處理、施工工藝、涂層厚度等對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)防腐涂層附著力的影響,提出提高涂層附著力的有效方法；王連盛等[7]測(cè)試了4種不同防腐涂料的耐人工老化性能，通過(guò)中性鹽霧試驗(yàn)測(cè)試了每種防腐涂料老化前后及人為劃痕破壞處理后的耐腐蝕性能；張三平等[8]通過(guò)室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同涂層室內(nèi)加速腐蝕的破壞形式和程度與戶外暴露結(jié)果有差異；Hirohata等[9]模擬海水環(huán)境自行設(shè)計(jì)了加速腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)環(huán)氧涂層、聚氨酯涂層和焦油聚氨酯涂層進(jìn)行加速腐蝕試驗(yàn)。目前防腐涂層的耐久性研究仍然存在著一些問(wèn)題：自然暴曬試驗(yàn)的試驗(yàn)周期長(zhǎng)；人工加速老化試驗(yàn)考慮的環(huán)境因素有限，與實(shí)際工況有差距；防腐涂層壽命預(yù)測(cè)難度較大；防腐涂層的維修設(shè)計(jì)理論研究較少。

研究鋼壩閘防腐涂層的耐久性，對(duì)避免防腐涂層失效導(dǎo)致的鋼壩閘安全性及耐久性的降低具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)泰州老通揚(yáng)河鋼壩閘防腐涂層進(jìn)行耐久性試驗(yàn)研究，分析涂層的光澤度、色差、厚度、生銹面積4個(gè)指標(biāo)的變化，并對(duì)防腐涂層的耐久性進(jìn)行分析，為老通揚(yáng)運(yùn)河鋼壩閘防腐涂層的維修決策提供依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 工程背景

本文研究的工程背景是江蘇省泰州市老通揚(yáng)運(yùn)河鋼壩閘，位于S231省道道路橋梁西側(cè)與老通揚(yáng)運(yùn)河交匯處，閘寬35m，底高程0.0 m，可調(diào)節(jié)擋水高程最高至5.0 m，于2011年5月完工驗(yàn)收。老通揚(yáng)運(yùn)河鋼壩閘設(shè)底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門1扇，孔口尺寸:28 m×5 m ，底軸外徑1 500 mm；配套2×2 000 kN/2×500 kN-4.65 m液壓?jiǎn)㈤]機(jī)1套，沖於系統(tǒng)1套，工程擋水高程最高均達(dá)5 m。鋼壩閘的金屬結(jié)構(gòu)總重約379 t，采用防腐涂層防腐輔之以陰極保護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)地考察，老通揚(yáng)河為淡水河，由此分析得出影響防腐涂層防護(hù)性能的主要環(huán)境因素為：紫外線、溫度、濕度、雨淋、干濕交替。

1.2 試驗(yàn)材料

本文所用的試驗(yàn)材料環(huán)氧涂層，是一種雙組份、低表面處理、耐磨、高固體含量，并采用聚氨固化的改性環(huán)氧厚漿漆，可達(dá)到很高的涂層厚度，特別適用于不易噴砂處理的表面，或經(jīng)高壓水噴射處理后表面依然潮濕的部位。環(huán)氧涂層的參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)所用的鋼材型號(hào)為Q235，彈性模量為200 GPa，鋼板尺寸為140 mm×70 mm×4.5 mm，鋼板的屈服強(qiáng)度為325 MPa，抗拉強(qiáng)度為492 MPa，伸長(zhǎng)率為36%。涂覆涂料前，按照國(guó)標(biāo)GB/T 8923—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評(píng)定》中關(guān)于涂覆涂料前鋼材的表面粗糙度等級(jí)相關(guān)規(guī)定，對(duì)鋼板進(jìn)行機(jī)械打磨處理至St 2，然后用金屬清洗劑進(jìn)行除油，無(wú)水乙醇除水，待鋼板風(fēng)干后。置于室內(nèi)干燥箱體內(nèi)備用。按標(biāo)準(zhǔn)方法共制備3個(gè)涂層試件，編號(hào)分別為D01、D02、D03。

表1 環(huán)氧涂層參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

鋼壩閘防腐涂層的人工加速老化試驗(yàn)在YSZW-P型紫外線加速老化箱中進(jìn)行，將制備好的涂層試件放置于紫外線加速老化箱和自制的浸潤(rùn)箱，紫外線加速老化箱可模擬紫外線、溫度、濕度、雨淋以及干濕交替等環(huán)境因素，同時(shí)能夠在不改變涂層失效機(jī)理的前提下達(dá)到加速老化的效果。一個(gè)加速試驗(yàn)周期為7 d，其中前4 d放置于紫外線老化箱進(jìn)行紫外線加速老化試驗(yàn)，后3 d放置于淡水全浸箱中進(jìn)行浸泡試驗(yàn)，淡水溶液為常溫自來(lái)水，每周更換1次溶液。人工加速老化試驗(yàn)程序如圖1所示。

采用3nh型60°鏡面光澤度儀測(cè)量涂層的光澤度變化，測(cè)量前在標(biāo)準(zhǔn)鏡面上進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，每個(gè)試件測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，然后計(jì)算測(cè)量平均值得到涂層試件的光澤度。采用CT-220型涂層測(cè)厚儀測(cè)量涂層在老化過(guò)程中的厚度變化，測(cè)量前在標(biāo)準(zhǔn)金屬塊進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，確認(rèn)測(cè)量精度滿足要求，每個(gè)涂層試件測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，并取5次測(cè)量值的算術(shù)平均值為試件的涂層厚度。采用相機(jī)采集涂層表面照片，通過(guò)Matlab2014 Ra色差程序計(jì)算涂層試件的色差變化。通過(guò)放大鏡目視觀察和圖像處理手段計(jì)算涂層的生銹面積率變化。不定期測(cè)量防腐涂層表面的光澤度、色差、涂層厚度、生銹面積等指標(biāo)的變化，分別繪制指標(biāo)變化曲線，分析防腐涂層的耐久性。

圖1 人工加速老化試驗(yàn)程序

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 光澤度

涂層光澤度的變化能很好的表征老化初期階段防腐涂層所發(fā)生的變化。圖2為環(huán)氧涂層試件在加速老化試驗(yàn)條件下的光澤度變化曲線，試件編號(hào)分別為D01、D02、D03。從圖2可以看出，在整個(gè)老化期間，涂層的光澤度整體是呈下降趨勢(shì)。在0～300 h之間時(shí)，光澤度急速下降，失光率接近80%，這是因?yàn)橥繉邮艿阶贤饩€輻照的作用，涂層樹脂發(fā)生分解，涂層中的顏料粒子在表面堆積，使涂層變得粗糙，造成涂層光澤度的快速下降；而在300～600 h之間時(shí)，涂層的光澤度開始緩慢上升，這是因?yàn)槭軠囟鹊挠绊?，光澤度有個(gè)緩慢恢復(fù)的過(guò)程；在600～600 h之間時(shí)，涂層的光澤度緩慢下降，直至涂層完全失光。

通過(guò)分析涂層的光澤度變化曲線，可以得到如下結(jié)論：(1)隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，環(huán)氧涂層的光澤度整體呈下降趨勢(shì)，前期下降快，后期下降緩慢；(2)溫度對(duì)涂層光澤度的變化有一定的影響。

圖2 光澤度變化曲線

2.2 色差

涂層的色差同樣是表征涂層老化前期變化規(guī)律的重要指標(biāo)，崔曉飛等[10]通過(guò)失光率、色差等指標(biāo)研究聚氨酯涂層的老化規(guī)律。隨著Matlab等軟件的廣泛應(yīng)用，測(cè)量色差既可以通過(guò)色差儀測(cè)量也可以通過(guò)編程色差程序計(jì)算涂層的色差變化，Sharma等[11]通過(guò)自行編程的CIEDE2000色差程序計(jì)算涂層的色差。本文通過(guò)Matlab色差程序計(jì)算環(huán)氧涂層的色差值變化，圖3為涂層色差值變化曲線。從圖3中可以看出，在老化前期，涂層試件的色差值呈迅速增加趨勢(shì)，這是因?yàn)橥繉永匣幕瘜W(xué)變化，涂層內(nèi)部大分子官能團(tuán)結(jié)構(gòu)因受到紫外線的破壞，導(dǎo)致光降解作用發(fā)生，涂層中顏料流失，涂層表面變的粗糙，同時(shí)有粉化現(xiàn)象，使涂層顏色發(fā)生變化。在老化中期，涂層試件的色差值呈緩慢下降趨勢(shì)。在老化后期，涂層試件的色差值變化趨于穩(wěn)定，此時(shí)雖然涂層的色差值較小，但是涂層的表面顏色變得十分暗淡，幾乎褪色，這是因?yàn)榘l(fā)生化學(xué)變化后的物理變化，涂層表面變粗糙后，隨著噴淋的進(jìn)行涂層表面被沖刷，顏色粒子隨沖刷進(jìn)一步流失，同時(shí)有水分滲入涂層，引起表面涂層與中間層的附著力下降，涂層發(fā)生銹蝕并且?guī)缀跬噬?。圖4為涂層顏色變化對(duì)比，分別展示了0 h、600 h、1800 h的涂層顏色，可以看出環(huán)氧涂層的顏色在老化前中期變化較為明顯，在老化后期，環(huán)氧涂層的顏色與老化前相對(duì)比，顯得更加暗淡，幾乎褪去原先的灰色，這與圖3的色差值變化曲線相一致。

圖3 色差變化曲線

圖4 涂層顏色變化對(duì)比

2.3 厚 度

本文對(duì)環(huán)氧涂層在老化期間涂層厚度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，涂層厚度變化規(guī)律通過(guò)涂層厚度變化量ΔC來(lái)表征，計(jì)算公式如式(1)所示：

ΔC=C0-C

(1)

式中，ΔC為涂層厚度變化量；C為老化后涂層厚度測(cè)量值；C0為老化前涂層厚度測(cè)量值。

圖5為環(huán)氧涂層在人工加速老化試驗(yàn)條件下的涂層厚度變化曲線，其中橫軸為時(shí)間t，縱軸為涂層厚度減少量ΔC。從圖5中可以看出，在整個(gè)加速老化試驗(yàn)期間，涂層厚度減少量呈緩慢上升趨勢(shì)即涂層厚度緩慢地降低，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，具有較好地相關(guān)性，擬合公式如式(2)所示。涂層厚度呈線性下降，這是因?yàn)樵诩铀倮匣囼?yàn)期間，涂層在紫外線的作用下，涂層內(nèi)部的樹脂等高分子結(jié)構(gòu)發(fā)生老化降解，在涂層表面發(fā)生粉化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致涂層厚度逐步減少。根據(jù)Fick的擴(kuò)散定律，水和氧氣等腐蝕介質(zhì)在涂層中的傳輸符合Fick擴(kuò)散定律，而且在鋼板表面用涂層進(jìn)行防護(hù)，就會(huì)在鋼板表面形成一層涂膜，這層涂膜能夠阻擋腐蝕介質(zhì)與鋼材基體接觸[12-13]。不少科技工作者依據(jù)這一理論，認(rèn)為增加涂膜厚度就可以增加涂層對(duì)鋼材的防護(hù)作用，從而延長(zhǎng)涂層的壽命。本文經(jīng)過(guò)3 600 h的加速老化試驗(yàn)，涂層厚度總共下降 32 μm，因此從涂層厚度來(lái)考慮，環(huán)氧涂層對(duì)金屬基體的防護(hù)性能較好，且在實(shí)際工程中鋼閘門表面噴涂涂層的厚度應(yīng)當(dāng)有一定的保證，這樣涂層才能起到應(yīng)有的防護(hù)作用。

ΔC=11.07+0.006tR2=0.84

(2)

式中，ΔC為涂層厚度變化量；t為時(shí)間；R2為相關(guān)性系數(shù)。

圖5 涂層厚度變化曲線

2.4 生銹面積

生銹面積是評(píng)價(jià)涂層耐久性的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者將5%生銹面積作為防腐涂層的失效標(biāo)志。圖6為環(huán)氧涂層在加速老化試驗(yàn)條件下的生銹面積變化曲線。從圖6中可以看出，在0～500 h之間，涂層表面沒有出現(xiàn)生銹，從1 500 h左右開始，涂層表面逐漸出現(xiàn)可見的深褐色銹點(diǎn)。在1 500～3 600 h之間，涂層的生銹面積逐漸上升，并在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)涂層表面有較多的銹點(diǎn)，生銹面積接近1.5%，發(fā)生了較為明顯的腐蝕。涂層發(fā)生銹蝕的原因主要有以下幾點(diǎn)：(1)在涂層老化的前期，涂層表面主要出現(xiàn)失光、變色、粉化等現(xiàn)象，水、氧氣并沒有能夠滲透涂層腐蝕金屬基體；(2)當(dāng)涂層老化到一定程度，樹脂等高分子結(jié)構(gòu)的降解導(dǎo)致涂層的空隙變大，水、氧氣等更容易滲透進(jìn)涂層內(nèi)部而接觸到金屬基體，發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)使金屬基體腐蝕產(chǎn)生深褐色的腐蝕產(chǎn)物，此時(shí)在涂層表面可以觀察到明顯的生銹現(xiàn)象，并且生銹面積隨著時(shí)間的增加而增加。對(duì)生銹面積變化曲線進(jìn)行非線性擬合，與公式(3)有著高度的相關(guān)性，擬合參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。

S=atb

(3)

式中，S為涂層的生銹面積率；t為試驗(yàn)時(shí)間；a和b為常數(shù)。

圖6 生銹面積變化曲線

表2 擬合參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 鋼壩閘防腐涂層耐久性分析

從本文的人工加速老化試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，環(huán)氧涂層在老化初期，涂層表面只出現(xiàn)失光、變色等缺陷，并未出現(xiàn)銹點(diǎn)，而環(huán)氧涂層在老化中后期，涂層表面開始出現(xiàn)銹點(diǎn)，并且生銹面積率不斷增加，在整個(gè)老化期間，涂層的厚度呈下降趨勢(shì)。日本防腐蝕專家山本隆將涂層的失效標(biāo)志定義為5%生銹面積率，因此本文將環(huán)氧涂層的失效標(biāo)志假定為5%生銹面積率。根據(jù)公式(3)可推導(dǎo)得到防腐涂層壽命經(jīng)驗(yàn)公式(4)。根據(jù)5%生銹面積率和表2中的擬合參數(shù)值，代入公式(4)可計(jì)算得到環(huán)氧涂層在人工加速老化環(huán)境下的壽命為5 227 h(0.6年)。鋼壩閘防腐涂層在實(shí)際工況中的預(yù)期壽命需在人工加速老化環(huán)境下的壽命前乘以一個(gè)加速倍數(shù)，此加速倍數(shù)根據(jù)國(guó)家材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)的數(shù)據(jù)獲得，經(jīng)過(guò)計(jì)算加速倍數(shù)為17.3～34.6。因此，老通揚(yáng)運(yùn)河鋼壩閘防腐涂層的預(yù)期壽命為10.38～20.76年，此預(yù)期壽命為制定泰州老通揚(yáng)運(yùn)河鋼壩閘防腐涂層的維修決策提供理論依據(jù)。

(4)

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)老通揚(yáng)運(yùn)河鋼壩閘防腐涂層耐久性的試驗(yàn)研究，可以獲得如下結(jié)論：

(1)隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，環(huán)氧涂層的光澤度整體呈下降趨勢(shì)，前期下降快，后期下降緩慢，溫度對(duì)光澤度的變化有一定的影響。

(2)在老化前期，涂層試件的色差值呈迅速增加趨勢(shì)，在老化中期，涂層試件的色差值呈緩慢下降趨勢(shì)。在老化后期，涂層試件的色差值變化趨于穩(wěn)定，此時(shí)雖然涂層的色差值較小，但是涂層的表面顏色變得十分暗淡，幾乎褪色。

(3) 涂層的厚度隨著試驗(yàn)時(shí)間呈線性下降，3 600 h的加速老化試驗(yàn)使涂層厚度失去32 μm。

(4)涂層在老化前期未出現(xiàn)生銹，中后期涂層的生銹面積率隨著試驗(yàn)時(shí)間呈不斷上升趨勢(shì)。

(5)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和壽命經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到老通揚(yáng)運(yùn)河鋼壩閘防腐涂層的預(yù)期壽命為10.38～20.76年，為制定泰州老通揚(yáng)運(yùn)河鋼壩閘防腐涂層的維修決策提供理論依據(jù)。