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结构表面防腐蚀涂料体系耐久性影响因素的讨论,对几个防腐蚀涂料失效案例按影响防腐蚀涂料的耐久性因素分别进行讨论
2019年11月06日    阅读量:1573     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

0 引言

国内改革开放后,经济迅猛发展,每年的基础建设工程规模巨大,消耗大量的钢材和水泥等建筑材料。据报道国内各类桥梁已经达到66 万座,在建的港珠澳大桥更是联系三地的枢纽,建设的三峡工程、在建的东线和中线南水北调工程、西气东输工程、高铁等都是标志性的工程项目。


在这些百年工程的设计时防腐蚀都是一个重要的组成部分中国建材网cnprofit.com。全球气温变暖、北极冰川开始融化、旱涝急转等极端气候的频繁发生,汽车废气、海洋石油泄漏、化工废弃物的非法排放,以及覆盖超过1/3 国土面积的酸雨环境,对结构物的腐蚀破坏均可能影响其的安全运行。


侯保荣院士在获山东2009 年度科技最高奖后接受记者采访时说,2008年我国因腐蚀所造成的经济损失超过9 000 亿元,海洋腐蚀所引起的损失占全部腐蚀损失的三分之一,而如果采取有效的防护措施,我国每年因腐蚀造成的损失将能减少25%~40%。


1 防腐蚀涂料体系耐久性影响因素

防腐蚀从设计、组织到施工,需要考虑很多因素,如所处环境、底材种类、耐久年限、维修难易程度等,其中耐久年限是业主和设计部门最关注的问题。文献[1]列出了影响防腐蚀涂料耐久性的影响因素及其影响大小,见表1。

防腐蚀涂料耐久性影响因素

结构表面防腐蚀涂料体系耐久性影响因素的讨论,对几个防腐蚀涂料失效案例按影响防腐蚀涂料的耐久性因素分别进行讨论 中国建材网,cnprofit.com

由表1 可见,表面处理、涂装方法和技术两因素之和为69%,基本符合“三分材料、七分施工”的理念。


2 防腐蚀涂层体系失效案例

工程结构采取防腐蚀措施后,在环境作用下涂层会老化而逐渐失去其保护效果。如果经过预期的耐久性年限后,涂层体系失效需要再次维护,则是防腐蚀成功的案例。设计单位和材料销售单位更多的是关注材料本身的耐久性,如氟树脂耐候涂料具有15 a 以上的耐久寿命、丙烯酸聚氨酯涂料具有10 a 左右的耐久寿命,在某某工程上成功应用等。实际上,经常会出现高性能的涂层体系而短时间就失效的案例,但在报喜不报忧的大气候下,很少见诸报道。这里列出几个防腐蚀施工投入使用后很快失效的案例。


案例 1[2]:新洋港闸、斗龙港闸钢闸门防腐设计方案:一级喷砂除锈(Sa2.5),喷涂AC 铝150 μm,涂刷铝粉氯化橡胶漆150 μm。入海水道海口枢纽海口闸钢结构防腐蚀设计方案:喷砂除锈达Sa3、粗糙度80 μm,喷涂AC 铝160 μm,ES-601 环氧涂层100 μm,涂刷铝粉氯化橡胶封闭漆80 μm,总涂层厚度不小于300 μm。钢闸门防腐施工结束,下水经过一段时间的运行使用后发现:新洋港闸、斗龙港闸闸门下游侧面板在水位变化区及水下出现大面积的封闭漆鼓泡,局部严重的部位涂料出现了剥落。海口枢纽海口闸迎海面闸门水下面板封闭面漆出现了大块剥落和起泡现象。


案例2[3-4]:天津海河闸位于临海闸门,由于海水的腐蚀,闸门腐蚀速度很快,潮差带尤为严重。在1988 年对8扇上闸门采用喷砂除锈后喷锌+涂料防腐,涂料选用两道氯化橡胶铝粉漆两道氯化橡胶面漆。总厚度200 μm 左右。1 a 后提闸检查发现,8 扇上闸门涂层已出现许多小鼓泡和细小的网状龟裂,并有程度不同的脱落,露出白色锌层,有的锌层已被腐蚀露出黄褐色铁锈,形成“结瘤”现象,水下部位甚之,气相部位涂层尚好。水下部位又以闸门底部通气不良处、焊缝区边角处最多,局部泡洞密集,锌层消耗较快。另外在潮差区,绿色漆膜失去光泽已明显变暗。


案例3[3]:天津某闸门,一侧是咸水,另一侧是淡水,于2006 年对8 扇闸门进行防腐施工,喷砂除锈后进行喷锌,前4 扇闸门涂二道氯化橡胶铝粉漆,后4 扇闸门多涂一道环氧云铁防锈漆。闸门浸水1 个半月,发现8 扇闸门在浸水部位漆膜出现大面积起泡、龟裂或脱落,问题暴露的情况与案例2 闸门十分相似。

案例4[5]:某水利闸门,闸门外侧为海水、内侧为淡水,闸门处于潮差浪溅区部位,干湿交替,采取喷涂铝合金(150μm)+环氧磷酸锌封闭+环氧云铁中间漆+耐候耐水面漆的涂层体系,表面处理喷砂除锈达Sa2.5 以上(粗糙度70~90 μm),涂层总厚度300 μm 以上,下水运行3 a 后,桁架顶面、闸门板、焊缝处、剪刀撑表面均出现鼓泡、脱落,泡中出现白色糊状物,有些地方甚至出现黄锈,参见图1 和图2。

涂层脱落,鼓泡

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案例5:海港某码头混凝土桩维修,处于海洋潮差浪溅区部位,为赶潮位施工。清除表面生物附着,然后表面电动砂磨处理、采用煤气喷灯烘干,然后在表面喷涂聚脲约1 000 μm。半月后检查,发现涂层外表完好,但出现空鼓现象,有些部位能将涂层大面积剥离,与基底基本无附着力,而有些地方附着却非常牢固。


3 防腐蚀涂层体系失效原因分析

3.1 表面处理

表1 中显示表面处理是决定防腐蚀涂层体系耐久性的极其重要因素。工程中对表面处理清洁度要求是按照国家标准GB/T 8923《涂覆涂料前钢材表面处理 表面清洁度的目视评定》的规定进行目视评定(表2)。

涂覆涂料前钢材表面处理清洁度等级(目视评定)


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目视评定结果则随人而异,尽管有标准样块可供对比,但标准样块的制作数量有限,很多只是按文字描述判断,尤其是油脂、污垢、粉尘等通常被忽略。表面处理的质量越高,每天完成的工程量就越低。任何单位都需要利润,在工程造价被压得很低的情况下,偷工减料和降低质量要求的事情非常普遍。


上述5 个案例均存在表面处理不能达到预期要求的情况。多数施工单位没想到清除焊缝检测残留的硅脂这道工序,它会影响焊缝处涂料的附着,也是许多鼓泡发生在焊缝处的原因。国家标准GB/T 8923.3—2009“涂覆涂料前钢材表面处理 表面清洁度的目视评定 第3 部分:焊缝、边缘和其他区域的表面缺陷的处理等级”则是焊缝等部位的表面清洁度等级的评定标准。案例5 由于表面潮湿,聚脲固化速度快,不能很好地与基底附着,表面的湿气残留在涂层内部,随着温度的变化而热胀冷缩使得涂层空鼓,后采用湿表面底涂外加聚脲面涂解决了这个问题。


船舶涂料的涂装比较成功的原因是:(1) 需要经过船级社认证的材料才能使用;(2) 表面处理质量控制严格,对磨料和表面清洁度均有严格的检测要求和规范制约;(3)严格按工艺的要求进行。表3 列出几个国家标准供参考。

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有关涂覆涂料前表面处理的国家标准

3.2 施工工艺

表面处理也属于施工工艺的范畴,由于表面处理极其重要,所以单列1 小节进行讨论。施工工艺(涂装工艺和技术)在表1 中占20%的影响因素,是仅次于表面处理的一个因素。而这也通常是工程施工单位不太重视的。施工单位普遍觉得,涂刷涂料没有那么复杂,有无经过培训和有无上岗证并不重要,结果会发生很好的一个涂层配套体系没能发挥其应有的防腐蚀保护作用。

案例4[5]就存在这样的问题,经过施工档案查阅、现场检查和询问,发现有如下现象。

(1) 表面处理后喷涂金属的时间间隔控制不当

国家标准GB/T 9793—1997“金属和其他无机覆盖层热喷涂锌、铝及其合金”中规定:热喷涂应在工件表面喷砂后尽快进行,在喷涂过程中,工件表面应一直保持清洁、干燥和无肉眼可见的氧化,喷涂金属的时机根据地域情况应尽可能短,最长不超过4 h。规范SL105—2007“水工金属结构防腐蚀规范”中规定:金属热喷涂施工与表面预处理的间隔时间应尽可能缩短,在潮湿或工业大气等环境条件下,应在2 h 内喷涂完毕;在晴天或湿度不大的条件下,最长不应超过8 h。还有其他规范做出相应的规定,时间间隔跟天气、温度和湿度直接相关。实际施工时,尤其是一天内不能喷砂完毕的大型构件,通常都是等构件全部喷砂完毕后进行喷涂金属的施工,即使部分表面出现氧化状态、浮锈,也不会再重新喷砂清理,时间间隔通常较长,为金属涂层(尤其金属铝涂层)的破坏失效埋下隐患。

(2) 金属铝的施工难度高

锌的熔点为419.5 ℃,沸点907 ℃;铝的熔点660.37℃,沸点2 467 ℃,金属铝熔点高出锌的熔点240 ℃,施工工艺不能很好掌握,喷涂温度达不到时,熔融不充分,雾粒大,附着力就低,孔隙率就高,这也是施工单位愿意喷涂金属锌而不愿意喷涂金属铝的原因之一。

(3) 封闭涂层的间隔时间

对金属涂层进行封孔,其目的是尽可能地将涂层孔隙堵住,并填平其凹坑,以延长涂层的使用寿命。可自然封闭(自然环境氧化封闭)和人工封闭(涂装封闭),自然封闭后不推荐涂装(GB/T 9793—1997 金属和其他无机覆盖层 热喷涂 锌、铝及其合金)。规范SL105—2007“水工金属结构防腐蚀规范”中规定:金属喷涂层检验合格后,应在任何冷凝发生之前进行涂装封闭。

这道时间间隔控制的工序,多被施工单位忽视。在喷涂金属涂层尚有余温下涂装封闭涂层,可以加快封闭涂层的渗透、加快封闭涂层的固化、提高封闭涂层的附着力、减少金属涂层暴露在空气中的时间而避免金属涂层的氧化、封孔效果好。而施工单位是待全部金属喷涂结束后才进行封闭施工,对大型构件来说,时间间隔有时很长。

3.3 涂层体系

涂层体系的配套非常重要。底涂需要与基底金属具有好的渗透性和高的附着力、需要与后道涂层极好的兼容性和附着力;中间涂层需要具备屏障的作用,具有隔断外来介质渗透侵蚀的能力和与底涂、面涂极好的兼容性和高的附着力;面涂是直接接触环境的涂层,通常涂层较薄,需要具有耐受环境的作用,还要具有加强阻断外来介质的侵蚀和与中间涂层高的附着力的要求。所以涂层体系的设计(涂层种类、层数和厚度)影响耐久性的比例较高,达19%。涂层体系耐久性的研究较多,也取得了不少的成果,所以在涂层体系配套合理的情况下,同种涂料不同厂家产品的差异对耐久性影响的比例只有5%。

案例1、案例2 和案例3 的文献作者分析均认为涂层失效是涂层体系配套不合理造成的。

(1) 案例1 的分析结果[2]

氯化橡胶漆不适宜作为海水工况下金属结构防腐蚀涂料,防腐蚀涂料的选择要考虑涂料品种间的配套和施工工艺的配套。

(2) 案例2 和案例3 的分析结果[3-4]

1) 金属材料选择不当:锌在pH 值5~12、铝在pH值3~8 介质中都有很好的耐腐蚀性,因此热喷涂锌涂层用于弱碱性条件下为好,热喷涂铝涂层用于中性或弱酸性条件下为好[6]。规范SL105—2007“水工金属结构防腐蚀规范”中规定“海水环境中热喷涂材料宜选用铝、铝合金、锌铝合金、锌”,DL/T 5358—2006“水电水利工程金属结构设备防腐蚀技术规程”中规定“海洋大气、工业大气和海水,以及污染的淡水中宜选用热喷涂铝、锌合金(锌铝合金)和铝合金”。根据使用实例和研究成果,海水中由于有大量的Cl-,Cl-有去极化作用,可以破坏三氧化二铝薄膜的完整性,使铝呈现为阳极。所以在海水中使用喷铝保护钢铁是成功的。喷锌层虽然可以起到牺牲阳极的保护作用,但由于其腐蚀速度过快,保护年限短而不受推荐。

2) 涂料与被涂材质不适应,涂层配套不合理:在选用涂料时,应考虑涂料对基体表面是否有足够的结合力,会不会发生不利于结合的化学反应。闸门经喷锌处理后,再用氯化橡胶漆封闭,这种配套不当。氯化橡胶漆可以涂在钢铁表面但不宜涂在铝、锌等有色(轻)金属上,这是因为氯化橡胶漆与锌层不仅结合力差,而且它还会与锌层发生化学反应,腐蚀锌层。

3) 底漆选用不恰当:采用铝粉氯化橡胶防锈漆和铁红氯化橡胶漆作底漆欠妥。前者多用于作面漆,后者多用作中间漆,这里忽略了漆中填料铝粉和氧化铁与锌层之间的电偶电位差。

4) 漆膜厚度不足:曾用火花检漏仪检查,发现闸门普遍有漏点。七号闸门当时只涂了两道底漆,漆膜厚度约80μm 就下水,涂膜封闭隔离作用很差。

3.4 施工环境

施工环境也决定涂层体系的耐久性,在表1 中占7%的耐久性影响因素,在施工时如采取相应措施将该因素的影响降到最低,7%的数值是可信的,但如果不重视,环境因素的影响则可能是涂层体系破坏的主要因素,如灰尘、凝露、风、雪、雨、湿度、高温、低温等。涂层施工过程中经常会碰到恶劣的天气,涂料的挥发速度、干燥速度、表面清洁度等经常被突发恶劣环境干扰而降低涂层的质量,影响涂层的耐久性,许多失效案例的显微镜照片显示涂料中夹杂的灰尘颗粒加剧了介质的渗透。

案例5,需要赶潮位施工,24 h 内有2 次涨潮和退潮,有时深夜在潮位退下去时就得立即施工,此时由于一方面光线不足,表面质量很难检查、一方面海浪的不断拍打使得表面不能完全干燥,另一方面可施工时间短,所以,喷涂质量受到环境的影响非常明显。


4 结语

通过表1 的影响因素比例和上述5 个案例的失效原因分析,表1 中的影响因素数值是若干工程的统计结果,不适用于单一工程。为了保证钢结构和混凝土结构防腐蚀涂层体系的耐久性,业主、设计单位和工程施工单位必须重视涂料涂装过程的每个环节,尤其应注意:合理的涂层设计、高质量的表面处理和严格按规程施工的施工工艺流程、完善的施工组织安排、严格的质量检验以及配备具有上岗证的工程施工人员。一个好的涂层体系的耐久性需要优质的施工来保证和强化。


防腐蚀涂料体系的耐久性还可以通过使用新型材料来解决,如表面处理要求较低的防腐蚀涂料、水下可涂装涂料、可自修复涂料、环境适应性涂料等。但目前这些涂料许多仍然处于概念阶段,需要进一步研究开发以进入实用状态。


结构表面防腐蚀涂料体系耐久性影响因素的讨论

孙红尧,李森林,孙高霞,徐雪峰

(南京水利科学研究院,水文水资源与水利工程科学国家重点试验室,水利部水科学与水工程重点实验室,南京210029)


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