鋼橋面鋪裝防腐層環(huán)氧富鋅漆缺陷機理分析及控制

鐘文健

(廣東大潮高速公路有限公司 梅州 514245)

0 引 言

架設(shè)于海灣、江河等的大跨度橋梁一般采用正交異性鋼箱梁橋，而在海灣、江河等潮濕環(huán)境下易導(dǎo)致鋼箱梁的橋面板出現(xiàn)銹蝕[1].鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)中的防腐體系即防銹漆可以在一定程度上防止鋼橋面板由于雨水、海水蒸汽的腐蝕介質(zhì)所引起的銹蝕，最大化延長鋼橋面板的使用期限.自20世紀(jì)80年代，環(huán)氧富鋅漆作為一種優(yōu)良的鋼橋面防腐漆被大量的應(yīng)用于鋼橋面防腐層[2].

近年來，在鋼橋面環(huán)氧富鋅漆施工過程中存在環(huán)氧富鋅漆返銹、漆膜破損等問題.鋼橋面在經(jīng)過噴砂除銹后，噴涂環(huán)氧富鋅漆進行防銹處理，由于噴砂除銹和噴涂環(huán)氧富鋅漆工藝的原因，在許多鋼橋面鋪裝項目均存在鋼橋面板個別點或區(qū)域再次生銹的現(xiàn)象，即返銹現(xiàn)象[3-4].環(huán)氧富鋅漆質(zhì)量缺陷是否會對鋼橋面鋪裝層的使用性能和使用壽命產(chǎn)生影響是目前鋼橋面鋪裝項目亟須解決的問題.文中依托南沙大橋鋼橋面鋪裝項目對環(huán)氧富鋅漆質(zhì)量缺陷問題進行研究分析，并提出環(huán)氧富鋅漆施工缺陷控制方法.

1 南沙大橋環(huán)氧富鋅漆概況

南沙大橋項目噴砂除銹后清潔度要求需達到Sa3.0，粗糙度要求為Ra80～150 μm.環(huán)氧富鋅漆施工前，對鋼橋面板進行噴砂除銹，采用無氣噴涂環(huán)氧富鋅漆.

南沙大橋環(huán)氧富鋅漆在施工后存在局部鋼橋面板返銹和漆膜破損的現(xiàn)象，返銹和漆膜破損呈點或區(qū)域無規(guī)則分布，見圖1.

2 環(huán)氧富鋅漆缺陷分析

2.1 環(huán)氧富鋅漆返銹形成機理研究

環(huán)氧富鋅漆返銹可能與漆膜厚度較薄有關(guān)，本項目采用人工噴涂的方式進行環(huán)氧富鋅漆施工，漆膜厚度通過理論涂布率控制.一定區(qū)域內(nèi)環(huán)氧富鋅漆涂料用量滿足要求，但由于工人操作及鋼橋面板粗糙度不同等原因可能存在漆膜厚度偏薄的點或者區(qū)域.鋼橋面板銹蝕機理較為復(fù)雜，是化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、物理腐蝕和生物腐蝕等共同作用的結(jié)果，而化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕是鋼橋面板銹蝕的主要原因.電化學(xué)反應(yīng)過程中，陽極的鋅被電解，陰極的氧氣被還原，電化學(xué)反應(yīng)過程如下.

Zn=Zn2++2e-

O2+2H2O+4e-=4OH-

環(huán)氧富鋅漆漆膜厚度較薄時，鋅顆粒含量相對偏少，陰極保護作用相對較弱，鋼橋面板易被腐蝕[5].

2.2 環(huán)氧富鋅漆漆內(nèi)存在雜物分析

環(huán)氧富鋅漆噴涂前未對施工界面進行清理或施工過程界面被污染均有可能導(dǎo)致環(huán)氧富鋅漆漆內(nèi)存在雜物.由于雜物的外觀形狀多樣，可能存在棱角、尖刺等，環(huán)氧富鋅漆噴涂后難以將其完成包裹，會導(dǎo)致雜物處環(huán)氧富鋅漆出現(xiàn)缺口，見圖2.

圖2 漆膜存在雜物導(dǎo)致漆膜破損

在施工窗口期間，雨水、霧氣、鹽等腐蝕介質(zhì)易從缺口透過環(huán)氧富鋅漆，腐蝕物質(zhì)與金屬直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致鋼橋面板發(fā)生銹蝕[6].反應(yīng)過程如下.

4Fe+6H2O+3O2=4Fe(OH)3

2Fe(OH)3=Fe2O3·nH2O+(3-n)H2O

由于雜物的存在，鋼橋面板外露，鋼橋面板易被銹蝕.

3 環(huán)氧富鋅漆缺陷對鋪裝結(jié)構(gòu)的影響分析

3.1 對粘結(jié)性能的影響

選取環(huán)氧富鋅漆整體完好、局部破損和嚴(yán)重破損的位置進行拉拔強度試驗，研究環(huán)氧富鋅漆三種不同狀況下的拉拔強度，檢測詳情見表1.

由表1可知:環(huán)氧富鋅漆整體完好時，其拉拔強度平均值為14.82 MPa，比局部破損位置的拉拔強度均值大40.9%，比嚴(yán)重破損位置的拉拔強度均值大71.1%.由此可見，環(huán)氧富鋅漆破損會較大程度的降低環(huán)氧富鋅漆的粘結(jié)性能.

表1 環(huán)氧富鋅漆不同狀況下拉拔強度檢測結(jié)果表

3.2 對鋪裝層影響數(shù)值分析

環(huán)氧富鋅漆返銹和漆內(nèi)存在雜物都會加速鋼橋面板的銹蝕，為進一步分析環(huán)氧富鋅漆缺陷對鋼橋面鋪裝層的影響，采用有限元建模的方式分析[7].橋面鋪裝數(shù)值模型參數(shù)見表2.

表2 橋面鋪裝數(shù)值模型參數(shù)

在標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN時，接地壓強為0.7 MPa，文中按標(biāo)準(zhǔn)軸載下的接地壓強0.7 MPa進行鋪裝層與橋面板3種層間接觸狀態(tài)的力學(xué)分析[8].

1)當(dāng)環(huán)氧富鋅漆嚴(yán)重破損，視鋼鋪裝層與橋面板光滑接觸(摩擦系數(shù)μ=0).

2)當(dāng)環(huán)氧富鋅漆局部破損，視鋪裝層與橋面板接觸摩擦系數(shù)為μ=0.5.

3)當(dāng)環(huán)氧富鋅漆整體完好，視鋪裝層與橋面板接觸完全連續(xù)(摩擦系數(shù)μ=∞).

建模見圖3，表3為3種鋪裝層與橋面板接觸狀態(tài)應(yīng)變計算結(jié)果.

圖3 有限元建模分析

由表3可知，隨著層間摩擦系數(shù)的增大，鋪裝層的最大拉應(yīng)變和最大剪應(yīng)變隨之減小.鋪裝層與橋面板光滑接觸最大拉應(yīng)變和最大剪應(yīng)變比鋪裝層與橋面板接觸完全連續(xù)的分別大47.5%和47.6%，因此，鋪裝層與鋼橋面板的層間接觸減弱對拉應(yīng)變這項指標(biāo)是不利的.

表3 三種鋪裝層與橋面板接觸狀態(tài)應(yīng)變計算結(jié)果

鋼橋面板在施工窗口期間已出現(xiàn)銹蝕，若之后的鋪裝體系不完善或存在裂縫擴展到防銹層，將會進一步導(dǎo)致防腐層與水、空氣接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋪裝層與橋面板結(jié)合力大大下降，加劇橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)性破壞[9].隨著鋼橋面板銹蝕的逐漸發(fā)展，鋪裝層與鋼橋面板的層間接觸效果將越來越差，鋪裝層所受拉應(yīng)變也越來越大.這一結(jié)果也會近年來一些鋼橋面鋪裝層損壞現(xiàn)狀較為吻合.環(huán)氧富鋅漆施工環(huán)節(jié)質(zhì)量控制較差，環(huán)氧富鋅漆逐漸失效，鋼板銹蝕嚴(yán)重，且在行車荷載的作用下，鋪裝下層與鋼板存在脫層現(xiàn)象,見圖4.

圖4 鋼橋面板銹蝕及鋪裝層脫層

4 環(huán)氧富鋅漆返銹及漆內(nèi)存在雜物風(fēng)險控制

4.1 漆膜厚度檢測

為驗證是否為漆膜厚度偏薄導(dǎo)致環(huán)氧富鋅漆出現(xiàn)返銹現(xiàn)象，對返銹位置及周邊正常位置進行漆膜厚度檢測，并進行漆膜厚度對比分析，見圖5.

圖5 正常位置與返銹位置漆膜厚度對比

正常位置和返銹位置漆膜厚度均值分別為102.4和66.0 μm，返銹位置漆膜厚度偏薄，相鄰區(qū)域漆膜厚度相差較大.由此可見環(huán)氧富鋅漆漆膜厚度偏薄對鋼橋面鋪裝層使用壽命存在一定的影響.

對于鋼橋面板出現(xiàn)返銹現(xiàn)象，導(dǎo)致的原因主要有兩種：①噴砂除銹后鋼板粗糙度過大時，鋼板低谷與高峰間的間距偏大，而環(huán)氧富鋅漆具有一定的流動性，會導(dǎo)致高峰位置環(huán)氧富鋅漆漆膜厚度不足，甚至沒有漆膜覆蓋，鋼板易出現(xiàn)返銹點.②由于采用人工進行環(huán)氧富鋅漆施工，可能存在人為操作因素導(dǎo)致環(huán)氧富鋅漆漆膜厚度偏薄.

4.2 鋼橋面防腐層施工過程質(zhì)量控制方法

1)噴砂除銹施工過程質(zhì)量控制方法 ①工作面清理及驗收，作業(yè)面應(yīng)進行油污、雜物、粉塵和鹽等的清理，通過驗收后，才能進行下道工序的施工；②現(xiàn)場環(huán)境條件 相對濕度超過85%或者鋼板溫度低于露點3 ℃，不能進行拋丸或環(huán)氧富鋅漆施工[10]；③原材料質(zhì)量控制 噴砂拋丸所用磨料應(yīng)清潔、干燥，不含對涂層性能產(chǎn)生危害的污染物.④噴砂除銹施工工藝 根據(jù)粗糙度與清潔度的要求選擇合適的鋼丸型號并通過試驗段確定合適的砂丸比例和拋丸速度.

2)環(huán)氧富鋅漆施工質(zhì)量控制方法 ①施工界面控制，噴砂除銹后檢查鋼板是否存在焊瘤、飛濺物、針孔、飛邊和毛刺等缺陷，若存在缺陷應(yīng)及時進行打磨和清除[11].環(huán)氧富鋅漆需在噴砂除銹后4 h內(nèi)完成噴涂，防止鋼板表面長時間暴露在空氣中出現(xiàn)返銹；②原材料質(zhì)量控制，選擇鋅粉含量合適的環(huán)氧富鋅漆，且鋅粉形狀應(yīng)為鱗片狀[12]；③施工過程質(zhì)量控制，培訓(xùn)并挑選熟練度最高的工人進行防腐層施工[13].為避免風(fēng)、塵土等對環(huán)氧富鋅漆施工造成影響，應(yīng)對施工區(qū)域進行圍蔽.在施工過程中應(yīng)采用濕膜儀(濕膜梳)定期測量濕膜厚度，以此控制干膜厚度；④養(yǎng)生及交通管制，環(huán)氧富鋅漆噴涂完成后應(yīng)立即封閉已施工區(qū)域，進行交通管制，環(huán)氧富鋅漆需養(yǎng)生7 d并檢測合格后才能進行下一工序施工.

4.3 鋼橋面防腐層事后控制方法

對南沙大橋環(huán)氧富鋅漆進行了約2 700點的漆膜厚度進行檢測，獲取漆膜厚度，同時對全線返銹位置進行記錄.通過統(tǒng)計學(xué)方法，得出返銹位置漆膜厚度具有90%保證率的置信區(qū)間為小于72 μm.據(jù)此可提出基于膜厚的環(huán)氧富鋅漆返銹風(fēng)險控制標(biāo)準(zhǔn)，見表4.

表4 環(huán)氧富鋅漆返銹控制標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)膜厚小于72 μm時，環(huán)氧富鋅漆存在較高返銹風(fēng)險；當(dāng)膜厚介于72～80 μm時，環(huán)氧富鋅漆存在一定的返銹風(fēng)險；當(dāng)環(huán)氧富鋅漆膜厚大于80 μm時，環(huán)氧富鋅漆處于無返銹風(fēng)險狀態(tài).相關(guān)研究表明，當(dāng)漆膜厚度大于170 μm時，環(huán)氧富鋅漆易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，故環(huán)氧富鋅漆漆膜厚度也不宜過大，漆膜厚度應(yīng)控制在80～170 μm[14]；在綜合考慮施工水平和造價的基礎(chǔ)上，建議將漆膜厚度控制在80～140 μm.

針對鋼板返銹和漆膜內(nèi)存在雜物等缺陷的情況，應(yīng)對環(huán)氧富鋅漆缺陷進行針對性修復(fù).

1)對于零星隨機分布的返銹點或破損點，在防水粘結(jié)層涂布前3 h內(nèi)采用人工砂紙進行打磨；對于區(qū)域性密集分布的銹點或破損，可對該區(qū)域進行噴砂除銹后重新噴涂環(huán)氧富鋅漆.

2)對于環(huán)氧富鋅漆漆膜內(nèi)存在異物的應(yīng)噴砂拋丸至潔凈度Sa3.0級后采用配套油漆修補.

3)對于局部區(qū)域偏薄，采取人工涂刷的方式進行補刷；局部區(qū)域偏厚，采用砂紙、砂輪機進行輕微打磨.對于區(qū)域性干膜厚度偏薄區(qū)域，對該區(qū)域進行補噴；區(qū)域性干膜厚度偏厚，進行噴砂拋丸及重新噴涂環(huán)氧富鋅漆.

5 結(jié) 論

1)環(huán)氧富鋅漆破損會較大程度的降低環(huán)氧富鋅漆的粘結(jié)性能.

2)對比分析返銹位置與正常位置漆膜厚度，返銹位置漆膜厚度普遍偏薄.

3)環(huán)氧富鋅漆存在破損缺陷時，隨著鋼橋面板銹蝕的逐漸發(fā)展，鋪裝層與鋼橋面板的層間接觸效果將越來越差，鋪裝層所受拉應(yīng)變也越來越大.

4)根據(jù)大量檢測數(shù)據(jù)提出了漆膜厚度閾值的返銹風(fēng)險控制標(biāo)準(zhǔn)，在綜合考慮施工水平和造價的基礎(chǔ)上，宜將漆膜厚度控制在80～140 μm.