海域環境鋼橋面鋪裝長效防腐底漆的研究

閆東波，莊永毅，劉艷，陳振福，曾德亮

（1.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶市 400074；2.重慶特鋪路面工程技術有限公司，重慶市 400026；3.廈門路橋工程投資發展有限公司，福建 廈門 361026）

0 引言

海域環境下，鋼結構防腐的重要性不言而喻，大量學者從不同角度對鋼結構防腐技術做了研究［1-8］。與鋼結構防腐相比，鋼橋面鋪裝防腐具有特殊使用條件：①一般與防水層（黏結層）協同發揮作用；②一般需要承受瀝青攤鋪的高溫作用；③與瀝青鋪裝層一起共同承受車輛荷載作用。因此，鋼橋面鋪裝中的防腐底漆往往與鋼結構防腐不同。

防水黏結層失效是鋼橋面鋪裝常見病害之一，經常導致鋼橋面板銹蝕［9-12］，降低鋼橋面鋪裝使用壽命，給橋梁結構安全帶來隱患。目前，鋼橋面鋪裝防水黏結層的重要性已被普遍重視，然而，鋼橋面鋪裝防水黏結層的研究，大多集中于防水黏結材料的物理、力學性能和鋪裝組合結構黏結、剪切強度研究［13-16］，對鋼橋面板防腐的研究多著眼于初始狀態的黏結強度方面［17-19］，王民［20］對不同防水黏結層的防腐作用效果進行了評價和比較，但均未針對鋼橋面鋪裝防腐的長效性和防腐作用效果的提升進行研究。

甲基丙烯酸甲酯樹脂（Methyl Methacrylate Resin，簡稱MMA）防水黏結層是近年來鋼橋面澆注式瀝青混凝土鋪裝常用的防水黏結體系，一般由丙烯酸防腐底涂層、MMA 防水層和丙烯酸黏結層構成，整體使用效果良好，但某些項目出現鋪裝病害后，鋼板存在嚴重的銹蝕現象［9］。本文基于MMA 防水黏結層，優化研究其中的防腐底涂層，提高其在海域環境條件下的長效防腐能力，目的在于加強對鋼橋面板的保護，當鋼橋面鋪裝層出現局部病害后，防腐底漆能夠繼續有效發揮作用，從而降低鋼橋面鋪裝維修的難度和橋梁結構的安全風險。

基于海域環境下鋼橋面鋪裝的現實環境條件，結合工業重防腐涂料的廣泛應用經驗，參考《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》（JT/T 722—2008）和《城鎮橋梁鋼結構防腐蝕涂裝工程技術規程》（CJJ/T 235—2015），采用環氧樹脂重防腐涂料是現實且切合實際的有效方法。但有別于常用的工業重防腐涂料，防腐層上的MMA 防水層為現場自由基聚合方式固化的反應性樹脂類材料，防腐底漆中若含有活潑單質金屬或能參與化學反應的外層電子結構中仍含有非成鍵自由電子的金屬氧化物，會對MMA 的自由基聚合固化產生負面影響，所以不宜添加鋅粉、鋁粉等化學防腐蝕物質，而主要依賴防腐底漆自身的防腐性能抵抗外界化學介質的侵蝕，因此鋼橋面鋪裝防水黏結層中的防腐底漆對自身防腐性能的要求要高得多。為達到以上目的，本研究以有機硅環氧樹脂為基礎原料，添加新型環保高效防銹顏料，并將腰果酚改性酚醛胺和聚酰胺進行搭配作為固化劑，進行兩階段防腐性能的檢測，以及與防水層和鋪裝層的匹配性檢測，研發出海域環境下鋼橋面板上防腐壽命可達15～25 年的長效防腐底漆。

1 材料制備

制備長效防腐底漆的原材料包括環氧樹脂、固化劑、無機顏填料、有機顏填料、活性稀釋劑、氣硅、分散劑、溶劑、防沉劑、流平劑和消泡劑等。

將有機硅環氧樹脂、溶劑、促進劑、潤濕分散劑、流平劑、消泡劑和防沉劑按比例混合后在實驗室高速分散機中攪拌均勻，再加入稱量好的防銹顏料、填料以1 000～1 500 r/min 分散40～60 min 后，移入立式砂磨機研磨至細度50 μm 以下，制得長效防腐底漆A 組分。挑選出合適的固化劑、促進劑和溶劑按比例以300～500 r/min 混合15～20 min，制得長效防腐底漆B 組分。A 組分與B 組分的配比為10∶1。

2 檢測方法與標準

海域環境下，鋼橋面防腐底漆可能經受酸、堿、氧、鹽及有機化合物等的侵蝕，需要具有優良的抗侵蝕能力。

JT/T 722—2008 和CJJ/T 235—2015 規 定，高鹽度的沿海和近海區域環境的腐蝕種類的級別為C5-M，該條件下涂層要達到長效防腐（保護年限15～25 年），涂層性能需達到耐水、耐鹽水、耐化學藥品、黏結強度、耐鹽霧和人工加速老化指標的要求，其中人工加速老化指標模擬太陽輻射，與鋼橋面鋪裝中防腐底漆的使用條件不符。而《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》（JTG T3364-02—2019）中的防腐底漆僅對材料性能以及與鋼板的黏結強度做了要求，無防腐性能要求。本文考慮上述工況，以單因素和多因素作用之后材料的外觀狀態和與鋼板的黏結強度保持率來評價其防腐性能，如表1 所示。

表1 長效防腐底漆的技術要求

3 單因素試驗

3.1 初始黏結強度

對鋼板進行噴砂除銹后，均勻涂抹長效防腐底漆，固化后進行25 ℃和60 ℃的黏結強度試驗，結果如表2 所示。

表2 與鋼板的黏結強度試驗結果

表2 顯示，長效防腐底漆與鋼板在25 ℃和60 ℃的黏結強度均滿足技術要求，試驗溫度對長效防腐底漆影響較小。

3.2 耐熱老化性能

MMA 體系通常用于澆注式混凝土鋪裝，澆注式混凝土的攤鋪溫度通常為240 ℃左右，攤鋪后對MMA 體系存在高溫影響，本文采用200 ℃、30 min 模擬該影響過程。在200 ℃、30 min 老化后再測試25 ℃和60 ℃黏結強度，并計算經過老化后黏結強度的保持率，結果如表3 所示。

表3 熱老化后與鋼板的黏結強度試驗結果（平均值）

表3 顯示：熱老化后與鋼板的黏結強度較老化前更高，強度保持率均超過100%，表明長效防腐底漆高溫性能良好，短時高溫促使底漆進一步固化。

3.3 耐水及化學介質性能

浸泡介質分別為蒸餾水、50 g/L的鹽水、5%硫酸、10%鹽酸溶液、10%氫氧化鈉溶液、汽油、柴油。長效防腐底漆采用全覆蓋式刷涂，即鋼板正反面及四周均進行涂覆，將試件浸泡在介質中，中途隨時觀察底漆狀態。試件浸泡規定時間后取出清洗并吸干水分后仔細觀察底漆變化情況，檢測黏結強度，結果如表4 所示。

表4 介質侵蝕后與鋼板的黏結強度試驗結果

表4 顯示：試件經過不同介質浸泡后，外觀和黏結強度保持率均滿足技術要求。汽油和柴油對底漆的影響較鹽酸和氫氧化鈉更大。

3.4 耐鹽霧性能

耐鹽霧性能采用中性鹽酸試驗，鹽霧箱內溫度為（35±2）℃，氯化鈉溶液的濃度為（50±5）g/L，pH 值為6.5～7.2，噴霧壓力控制為70 kPa，鹽霧收集器每24 h 測得的鹽霧溶液收集速率控制為1～2.5 mL/h。鹽霧試驗結束后先觀察樣板是否滿足等級要求，結果如表5 所示。

表5 耐鹽霧試件外觀試驗結果

經過3 000 h 鹽霧試驗后，外觀滿足要求。

鹽霧試驗過程中測試黏結強度，結果如表6 所示。

表6 耐鹽霧試件與鋼板黏結強度試驗結果

表6 顯示：經過500 h 和1 000 h 鹽霧腐蝕試驗后，底漆與鋼板黏結強度的保持率在80% 以上。1 000 h 鹽霧腐蝕較500 h 鹽霧腐蝕后底漆與鋼板黏結強度有所降低，說明鹽霧對底漆與鋼板之間的黏結強度有不利影響。

4 多因素試驗

將熱老化流程前置，酸、堿及有機溶劑侵蝕后繼續受到水、氧氣及鹽分作用，檢驗防腐層經過熱老化、化學介質（酸、堿、溶劑）作用后的防腐性能，化學介質僅考慮條件比較嚴苛的化學介質：10%鹽酸、10%氫氧化鈉、柴油和汽油，浸泡時間為168 h。

4.1 耐熱老化和化學介質性能

經過200 ℃、30 min 熱老化后的試件分別再經過各種化學介質浸泡168 h，觀察外觀變化情況，測試與鋼板的黏結強度，結果如表7 所示。

表7 熱老化和化學介質浸泡試驗結果

表7 顯示：試件經過熱老化和不同化學介質168 h浸泡后，外觀和黏結強度均滿足技術要求。

4.2 耐熱老化、化學介質及鹽霧性能

200 ℃、30 min 熱老化后，分別再經過各種化學介質浸泡168 h，進行中性鹽霧試驗。鹽霧試驗期滿后，測試黏結強度，結果如表8 所示。

表8 熱老化和化學介質侵蝕后的鹽霧試驗結果

表8 顯示：試件經熱老化、化學介質浸泡和鹽霧試驗后，外觀和黏結強度均滿足要求。

500 h 鹽霧腐蝕后，未經處理的試件黏結強度最大，經熱老化處理后的黏結強度有所降低，經熱老化+化學介質浸泡的黏結強度損失更大；1 000 h 鹽霧腐蝕后，具有相同的規律，但黏結強度損失更明顯。

從單因素耐熱老化試驗數據可知，熱老化后的黏結強度有所增加，但熱老化+鹽霧試驗后的黏結強度卻低于僅經鹽霧腐蝕的黏結強度，可知熱老化過程對防腐底漆的致密性產生了影響，使鹽霧蒸氣進入通道，從而影響防腐底漆與鋼板的黏結強度。

5 匹配性試驗

長效防腐底漆作為鋼橋面鋪裝的防腐底涂層，其上一般還需配合防水層（含黏結層）使用，才能完全起到承上啟下的作用?；阡摌蛎驿佈bMMA 防水黏結層，研究長效防腐底漆與MMA 防水層和澆注式瀝青混凝土鋪裝組合結構的匹配性。

5.1 防水黏結層匹配性

在固化后和固化并經過熱老化的長效防腐底漆上涂抹MMA 防水層，待防水層固化后測試黏結強度（圖1），結果如表9 所示。

圖1 防水黏結層拉拔試驗

表9 防水黏結層匹配性試驗結果

表9 顯示：在長效防腐底漆上涂布MMA 防水層，黏結強度滿足要求，底漆熱老化后黏結強度更高，底漆熱老化前后的破壞部位均發生在MMA 防水層，說明長效防腐底漆與MMA 防水層匹配良好。

5.2 鋪裝組合匹配性

在固化后的長效防腐底漆上涂抹MMA 防水層和丙烯酸黏結劑，完成后再鋪筑澆注式瀝青混凝土，進行組合件的黏結強度和剪切強度測試，結果如表10 所示。

表10 鋪裝組合的黏結、剪切試驗結果

鋪裝組合試件的黏結強度與剪切強度滿足技術要求，且長效防腐底漆與MMA防水層之間的界面未破壞。

為模擬防腐底漆與MMA 防水層、澆注式瀝青混凝土鋪裝層整體結構的使用耐久性，采用五點加載復合梁疲勞試驗測試鋪裝結構在長期反復荷載作用下的使用情況，按JTG/T 3364-02—2019 附錄D 進行試驗，如圖2 所示。

圖2 組合結構五點加載疲勞試驗

疲勞加載次數達到100 萬次后停止試驗，經觀察，試件未出現開裂、脫層等情況，表明長效防腐底漆與MMA 防水層和澆注式瀝青混凝土鋪裝組合結構有良好的匹配性。

6 與傳統防腐底漆對比試驗

將長效防腐底漆與鋼橋面鋪裝常用的防腐底漆進行橫向對比試驗，選用的防腐底漆為：1 號丙烯酸底漆、2 號丙烯酸底漆、環氧富鋅漆、環氧云鐵漆，對比試驗包括與鋼板的黏結強度、耐化學介質和耐中性鹽霧試驗。

6.1 黏結強度

各類防腐底漆與鋼板的黏結強度對比檢測結果如表11 所示。

表11 不同防腐底漆黏結強度試驗結果

環氧樹脂類底漆與鋼板的黏結強度均在10 MPa以上，丙烯酸底漆與鋼板基面黏結強度低于10 MPa，力學性能相對較弱。

6.2 耐化學介質性能

各類防腐底漆耐化學介質性能試驗檢測對比如表12 所示。

表12 不同防腐底漆耐化學介質性能對比試驗結果

表12 顯示：長效防腐底漆在耐化學介質性能上最強，耐酸、堿、汽油和柴油，在化學溶液中浸泡后黏結強度保持率在80%以上；1 號丙烯酸底漆不耐酸、在汽油和柴油中會變色，耐堿稍好；2 號丙烯酸底漆在酸、堿和汽油中都會溶解，在柴油中浸泡后涂層會龜裂；環氧富鋅漆和環氧云鐵漆的試驗結果相近，稍好于丙烯酸底漆，不耐酸和堿，耐汽油和柴油，浸泡化學介質后，環氧富鋅漆與鋼板的黏結強度值小于環氧云鐵漆，但黏結強度保持率大于環氧云鐵漆。

6.3 耐鹽霧試驗

鹽霧試驗對比分別使用無劃痕的試板和有劃痕的試板，試驗過程中，通過鹽霧試驗箱的透明觀察窗對試驗板進行觀察，發現異常情況時將試驗板取出仔細觀察。無劃痕的試板參照《漆膜耐濕熱測定法》（GB/T 1740—2007）規定的方法進行檢查評定，等級1～5 級，數值越低代表性能越好，有劃痕的試板參照《噴涂件耐腐蝕環境評估》（ASTM D1654-05）規定的方法進行檢查評定，等級0～10 級，數值越高代表性能越好。經過試驗，各底漆鹽霧試驗效果如表13 所示。

表13 鹽霧試驗對比結果

長效防腐底漆能夠經受3 000 h 的鹽霧試驗，而其他4 種防腐底漆都不能經受；丙烯酸樹脂底漆耐鹽霧性能最差；環氧富鋅漆和環氧云鐵漆較丙烯酸底漆稍好，但耐中性鹽霧試驗的時間也不超過1 000 h。

7 結論

針對鋼橋面鋪裝出現局部病害后鋼板迅速生銹的現象，基于鋼橋面澆注式瀝青混凝土鋪裝常用的MMA 防水黏結層，研制出海域環境長效防腐底漆并進行各項性能測試與對比研究，主要結論為：

（1）以有機硅環氧樹脂為基礎原料，添加新型環保高效防銹顏料，并將腰果酚改性酚醛胺和聚酰胺進行搭配作為固化劑，制備了性能優良的長效防腐底漆。

（2）通過單因素作用和多因素作用后的性能檢測，長效防腐底漆與鋼板的初始黏結強度大于10 MPa，浸泡化學介質后黏結強度保持率在80%以上，耐鹽霧試驗可達3 000 h 和1 級標準，熱老化試件經化學介質浸泡再經過鹽霧試驗1 000 h 后黏結強度保持率仍在80%以上。

（3）通過鋼橋面鋪裝組合結構五點加載復合梁疲勞試驗，當荷載作用次數達100 萬次時防水黏結層界面連接完好，說明長效防腐底漆與防水層和鋪裝層的匹配性良好。

（4）長效防腐底漆的耐化學介質腐蝕性能、鹽霧試驗性能均遠超鋼橋面鋪裝傳統所用的防腐底漆，滿足海域C5-M 環境下鋼橋面鋪裝長效防腐底漆的技術要求，理論防腐壽命可達15～25 年。