港珠澳大桥钢箱梁外表面涂装配套性能研究
1. 引言
港珠澳大桥地跨香港、内陆和澳门地区，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程，是我国继三峡工程、青藏铁路、京沪高铁后又一项超级工程，是当今世界上规模最大、标准最高、技术最复杂的桥、岛、隧一体化的集群工程，它是我国由桥梁及交通建设大国迈向强国的里程碑项目。
港珠澳大桥作为设计全寿命长达120a的重要基础设施，要长时间经受严酷的环境、负荷作用，其性能难免会随着时间推移而发生衰退。由于钢箱梁结构已成为港珠澳大桥主要结构构件，为了保证桥梁120a的安全使用寿命，必须对桥梁钢结构进行全面防腐蚀保护和精心维养。港珠澳大桥钢箱梁处于严重的海洋大气腐蚀环境条件，长效防腐涂层配套系统的高耐久性设计可大大降低使用期间维修保养频次和费用，以及维修保养对交通和环境的影响。因此，对港珠澳大桥钢钢箱梁防腐蚀涂装配套的各项性能进行深入研究是非常必要的。
2. 港珠澳大桥的腐蚀环境
为确定港珠澳大桥腐蚀环境级别是，我们参考了ISO 12944《Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems》中对于大气环境腐蚀性级别的定义.该标准中描述了钢结构所处的典型自然大气环境，并将之分为6类大气腐蚀性级别：
表1 大气环境腐蚀性分类和典型环境案例
港珠澳大桥地理位置见图1。
图1 港珠澳大桥地理位置示意图
由上图可见，大桥位于南亚热带海洋性季风气候区，年平均气温在22.4~23℃之间。桥址区域年盛行风向以东南偏东和东风为主，热带气旋影响十分频繁，平均每年2个左右，最多时每年可达6个，自4月至12月均有可能发生，主要集中在6~10月。桥区重现期120a/10min，平均风速达48.7m/s，由上述介绍可知，港珠澳大桥所处的腐蚀环境为C5（严重腐蚀）级别。
需要说明的是，对于港珠澳大桥钢箱梁的涂装配套设计要充分考虑到海洋大气严重的盐雾腐蚀。为了比较同一腐蚀环境下的涂装配套体系性能上的差异，本文中所对比的配套体系均符合C5（严重腐蚀）级别要求。
3. 港珠澳大桥钢箱梁外表面涂装配套体系的对比
在设计桥梁钢箱梁外表面涂装配套体系时，我们通常参考JT/T 722-2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》以及ISO 12944《CorrosionProtection of Steel Structures by Protective Paint Systems》。在这两个标准中，按照各个腐蚀环境以及不同保护年限下分别给出了对应的防腐蚀涂装配套。
针对C5-M级腐蚀环境，ISO12944-5中的编号为A5M的油漆重防腐涂装体系以及编号为A8的金属喷涂复合配套体系均符合长效型（15a以上）要求。
JT/T 722中针对腐蚀环境C5级下的长效型（15~25a）的防护要求，所给出的油漆重防腐涂装体系与金属喷涂复合配套体系为S07~S11。
港珠澳大桥设计使用寿命长达120a，而配套涂层体系的使用寿命肯定要低于这一年限，因此，设计涂装配套时应充分考虑大桥在全设计寿命期间，所选用配套涂层的标准应当是防护寿命最长、维修次数最少，维修费用最经济。
本文将港珠澳大桥钢箱梁外表面的涂装配套方案与跨海大桥涂装配套中常见的四个涂装配套体系进行对比，对比方案如下：
上述5个方案中：方案1为港珠澳大桥钢箱梁外表面涂装配套体系，该配套基于JT/T 722中S07配套体系，由于大桥处于高腐蚀性的海洋环境条件下，且考虑到大桥超长的设计使用寿命，以及业主对于涂装配套体系的高防腐蚀性能的要求，因此配套体系中的底漆和中间漆厚度有所增加。
方案2为香港昂船洲大桥钢箱梁外表面涂装配套体系。该桥设计120a使用寿命，涂装配套体系采用环氧富锌底漆＋厚浆型环氧云铁中间漆＋聚氨酯面漆的涂料重防腐涂层体系设计，尤其是中间漆涂层采用300μm的超厚设计。预计整个涂层体系具有20~30a使用寿命。该方案存在的主要隐患是过度依赖中间漆超厚设计带来的良好屏蔽作用，而将环氧富锌底漆厚度作了过薄设计，由于阴极保护是靠牺牲涂层厚度来实现的，在合理范围内涂层越厚保护寿命越长，这样该体系中环氧富锌的阴极保护效果将受影响从而导致缩短防护寿命。
方案3依据JT/T722 中S09配套体系设计，利用无机富锌底漆涂层的阴极保护作用，并采用氟碳面漆作为耐候面漆，能保证20a以上的使用寿命，进一步提高了整个配套体系的防护性能。存在的主要隐患是无机富锌底漆施工性能差，又达不到金属喷涂的保护效果。
方案4依据JT/T722中S11配套体系设计，使用氟碳面漆作为耐候面漆，与电弧喷涂Zn/Al涂层形成高性能的金属复合涂层体系，面漆涂层保证20a以上的使用寿命，整个复合涂层体系能充分满足C5环境下的防护要求。
方案5依据ISO 12944-5中A8.02配套体系设计，采用聚氨酯面漆与电弧喷涂Zn/Al涂层形成高性能的金属复合涂层体系，能够满足C5环境下钢箱梁外表面的防护要求。与氟碳面漆相比，使用聚氨酯面漆后整个涂装工程的造价将会下降。
上述五个配套方案涵盖了相关标准中规定的涂装配套，以及大型跨海桥梁工程实例，具备完全的可比性。
4. 实验部分
根据上节拟定的涂装配套体系设计方案，通过实验室试验对比涂膜的各项性能。
4.1 实验内容和方法
4.1.1试验样板的制备
试板：喷砂板（150mm×75mm×2mm），表面处理：Sa2½级，粗糙度：Rz40~75μm
软钢板（150mm×75mm×1mm）
金属涂层试板（300mm×90mm×2.5mm）
施工方式：空气喷涂
4.1.2主要实验仪器和设备
Q-FOG循环腐蚀试验机
QUV/SPRAY加速耐候实验机
CI4000 氙灯老化试验箱
4.1.3选用涂料产品的说明
本试验用金属涂层为电弧喷涂制板，涂层为锌铝合金ZnAl15，于国内某大型桥梁厂制作。
本实验所选取的无机富锌底漆及环氧富锌底漆干膜金属锌含量≥80%，符合HG/T 3668-2009《富锌底漆》及相关技术文件要求。
氟碳面漆符合HG/T 3792-2005《交联型氟树脂涂料》中Ⅱ型产品技术要求。
聚氨酯面漆符合HGT 2454-2006《溶剂型聚氨酯涂料（双组分）》中Ⅱ型涂料产品外用面漆技术要求。
4.1.4涂料的涂装工艺流程
根据涂层配套系统分为以下两种：
（1）金属涂层的配套系统，流程为：
喷涂封闭底漆 → 喷环氧云铁漆 → 喷面漆 →养护
（2）油漆重防腐配套系统，流程为：
喷富锌底漆 → 喷环氧云铁漆 → 喷面漆 →养护
按照设计方案规定喷涂各道涂料，养护期均为7天。通常情况需用配套体系涂料制板的项目应使用统一的制板要求。
4.2 涂层性能测试方法
4.2.1物理性能测试
4.2.1.1 耐冲击性测试
按GB/T 1732《漆膜耐冲击测定法》规定进行。
4.2.1.2 层间附着力
按ASTM D4541-09《Standard Test Method for Pull-OffStrength of Coatings Using Portable Adhesion Testers》规定进行。
4.2.1.3 涂膜外观
样板在散射阳光下目视观察，如果涂膜均匀、无流挂、发花、针孔、开裂和剥落等涂膜病态，则评为“正常”。
4.2.1.4 物理性能测试结果
由配套涂层物理性能测试结果可知：实验对比的五个涂装方案均有着较好的层间附着力，满足涂层体系性能要求（JT/T 722 4.2.2），由于配套涂层厚度较高，因此涂层整体的耐冲击性能稍差，尤其是金属喷涂复合涂层体系，其耐冲击性仅能达到30cm。
4.2.2化学性能测试
4.2.2.2 耐湿热性能测试
按国标GB/T 1740《漆膜耐湿热测定法》进行。试验温度为50℃，相对湿度为98%以上。如出现气起泡、生锈、脱落等涂膜病态现象，按GB/T1766-2008《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》进行描述。
由于港珠澳大桥地处珠江口，环境温度高、湿度大，因此配套涂层的耐湿热性能也就显得非常重要。由表3结果可看出，五个配套方案的耐湿热性能均十分优异。
4.2.2.3 耐盐雾测试
按国标GB/T 1771《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》进行试验。样板进行喷砂处理，除锈等级达到ISO 8501中规定的Sa2½级。漆膜厚度按照配套厚度。样板须在GB/T 9728《化学试剂 硫酸盐测定通用方法》规定的标准条件下放置7天，在试验样板上划加速线，然后进行试验。
实验后的试板表面损坏程度，如起泡、生锈、加速线锈蚀宽度等，按照GB/T1766-2008《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》进行评价。
在耐盐雾实验中，所有选择的方案体系都没有出现明显的漆膜异常情况，比如气泡、剥落、开裂等，方案1、2、3在加速线附近出现了流锈，方案4和方案5在加速线上无任何锈蚀迹象，但有白色晶体析出。方案1、2、3出现流锈的主要原因是漆膜被破坏而使基材暴露在盐雾中，致使钢材表面被氧化。而方案4、5没有出现流锈，主要原因是两个配套都使用了金属涂层做阴极保护，当氧气与基材接触时，氧气首选与化学活泼性更强的金属涂层反应，生成金属盐类，这也同时解释了加速线有晶体生成的原因。
4.2.2.4 耐盐水测试
按国标GB/T 9274《色漆和清漆 耐液体介质的测定》进行试验，NaCl水溶液符合GB/T 1763《漆膜耐化学试剂性测定法》要求，浓度为30g/L。
在耐盐水实验中，所有选择的配套方案板面均未出现任何涂膜缺陷。
4.3 耐化学品测试
按国标GB/T 9274《色漆和清漆 耐液体介质的测定》进行试验，使用NaOH和H2SO4水溶液浓度均为50g/L，符合GB/T 1763《漆膜耐化学试剂性测定法》要求，板面状态依照GB/T 1766-2008《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》进行评价。
由上表可知：与氟碳面漆相比，聚氨酯面漆的耐化学品性能稍差，经浸泡后板面有极轻微发白现象，而氟碳面漆则基本上未出现涂膜变色的情况。总体来说，本文所对比五个配套方案，经耐化学品测试后，板面均未出现明显涂膜缺陷。
4.4 加速老化实验
我们选取了本实验中涉及到的两种耐候面漆，即氟碳面漆与聚氨酯面漆进行人工加速老化与户外暴晒实验，并分阶段对涂膜表面进行500倍扫描电镜放大对比。
4.4.1人工加速老化实验
不同面漆人工加速老化后的涂膜表面微观结构变化见表9。
由上表结果可知，人工加速老化750h后，聚氨酯面漆老化开始加速，面漆表面均产生很多小颗粒，即残留的颜料粒子，孔隙率也进一步增大，人工加速老化达到1500h后，聚氨酯面漆涂膜表面形成了较大的团聚颗粒，空隙深度也很深，这也说明聚氨酯面漆的涂膜耐老化性能无法达到人工加速老化1500h。
反观氟碳面漆，在人工加速老化750h后，涂膜表面没有出现微小的孔隙，1500h后，其涂膜表面依然保持完好的状态。这也说明，氟碳面漆较聚氨酯面漆有着更为优秀的耐老化性能。
4.4.2户外暴晒老化对比
目前，国际上认可程度最高的暴晒场为美国佛罗里达州暴晒场和日本的千仓暴晒场；而在国内，认可程度最高的暴晒场位于海南及珠海。本实验选取了珠海暴晒场进行耐候面漆的户外暴晒老化实验。不同耐候面漆经户外暴晒后的扫描电镜对比情况见表10。
表9中分别给出了氟碳面漆和聚氨酯面漆在自然暴晒不同辐照时间内（1000h、3000h和5000h）的扫描电镜图，均放大500倍。
由表9可看出，在自然暴晒1000h后，聚氨酯面漆表面出现少量颗粒，在自然暴晒达到3000h以上，其涂膜表面已有微小的孔隙出现，暴晒达5000h后，涂膜表面粉化现象已比较明显，锈蚀已从基材出现。相比聚氨酯面漆，氟碳面漆的耐候性具有明显的优势，在自然暴晒3000h时，氟碳面漆的变化仍不是很明显。当涂层自然暴晒5000h后，氟碳面漆表面基本上未出现粉化现象。
4.5 面漆重涂性能实验
测试方法参照HG/T 3792-2005中5.12要求。耐候面漆分别对比聚氨酯涂料和氟碳涂料。实验板配套涂层体系依照重防腐涂装方案，即环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+氟碳面漆方案进行制备，按照配套产品规定的干膜厚度、涂装间隔、干燥条件等要求喷涂进行制备，即：
分别取两块样板，首先喷涂80μm的环氧富锌底漆，常温养护2天后，喷涂200μm的环氧云铁中间漆，常温养护2天后，开始喷涂第一度面漆，养护2天后，其中一块作为原始试板不做打磨处理即喷涂第二度面漆，另外一块试板则进行打磨拉毛处理后正常喷涂第二度待考察面漆，喷涂第二度面漆后养护2天，按照GB/T9286-1998规定进行2mm划格法测试配套附着力，对比面漆的复涂性能。
标准中对于耐候面漆的重涂性能考察中规定，两度面漆的养护间隔为2天，但2天的间隔时间不足以反映钢箱梁制造厂实际施工间隔，因此为了考察耐候面漆在不同涂装间隔下的重涂性能，我们增加了试板的养护间隔，在涂装第一度面漆后，将养护时间分别延长至7天、30天、90天，分别对其层间附着力进行考察，其性能结果对比如表11：
由上表可知，氟碳面漆与聚氨酯面漆产品重涂性良好，均符合标准要求。氟碳面漆与聚氨酯面漆，这两种产品的固化机理运用的是成熟的异氰酸酯交联反应，反应速度快，过程平稳，不存在特殊的要求和限制，施工人员易于接受。
4.6 涂装施工性能对比
本文中对比的五个涂装配套，主要区别在与所采用的底漆及面漆有所不同。面漆的施工性能在4.5节有所谈论，以下就不同底漆的施工性能加以对比。
本文中，方案一、二采用环氧富锌底漆，三采用无机富锌底漆，方案四、五采用金属喷涂方案。上述三种底漆中（金属喷涂可以算作一种特殊的富锌底漆），无机富锌底漆与金属喷涂的涂装施工对环境要求高，控制难度较环氧富锌底漆更大。
（1）金属喷涂对于底材处理要求较高。环氧富锌底漆与无机富锌底漆对于底材处理的要求均为ISO 8501规定之Sa2½级，而金属喷涂则要求达到Sa3级。
（2）金属喷涂由于不含树脂，且成膜厚度较高，通常对于底材的粗糙度要求更高。其目的是增加涂层与基材间的接触面，增大涂层与基材的机械咬合力，使基材表面更加活化，以提高涂层与基材的结合强度。
（3）无机富锌底漆因为涂料要与空气中的二氧化碳、水气反应固化成膜。湿度太低涂料不易固化成膜，湿度大于85%时，过多的水分又会使涂膜发生流挂，因此应在相对湿度50~85%环境下进行施工，而环氧富锌底漆与金属喷涂则要求相对湿度＜85%。
（4）由于重防腐涂料涂装时，主要依靠无气喷涂或手工涂刷的方式，因此在施工过程中人的因素影响很大，一次成膜厚度的均匀性对于涂膜整体质量有着很大的影响。无机富锌底漆过度涂装且漆膜厚度不均时，涂层易产生龟裂，配套涂层的层间附着力也大大降低。相对来讲，环氧富锌底漆对于涂膜厚度均匀性的要求更低，对于漆膜过度涂装的容忍性也更好。
（5）无机富锌底漆与金属喷涂涂层在运输安装过程中受到损伤后的修补很困难，不能使用原有涂层修补，不管是不是再喷砂，只能用环氧富锌涂料修补。
由上表可知，环氧富锌底漆的施工性能最好，而金属喷涂虽然有着优异的防腐蚀性能，但其对与底材处理要求最高，施工难度最高，而无机富锌底漆的主要问题是其施工性能差，又达不到金属喷涂的保护效果，因此综合评价介于两者之间。
4.7 后期维养对比
为确保港珠澳大桥钢结构防腐长期有效，必须对防腐涂层进行防腐维护修。
（1）根据涂料重防腐涂层体系现有研究成果、相关工程应用实例分析结果，氟碳重防腐涂层体系每隔25a需要对面漆进行维护，在面漆维护两次后，由于底部钢材部分锈蚀等，需要对整个涂层进行重新涂装，以此类推。因此，该港珠澳大桥120a的寿命周期里，需要在第25a、50a的时候对面漆进行维护，第75a的时候进行整个涂层体系重涂，第100a的时候再次对面漆进行维护。
（2）聚氨酯面漆涂层体系根据涂料防腐涂层现有研究成果分析结果，每隔15a需要对面漆进行维护，在面漆维护两次后，由于钢材底部锈蚀等情况，需要对整个涂层进行重新涂装，以此类推。因此，在涂层120a的寿命周期里，需要在第15a、30a的时候对面漆进行维护，在第45a的时候对整个涂层体系进行重新涂装。在第60a、75a的时候对面漆进行维护，在第90a的时候对整个涂层体系进行二次重新涂装，在第105a的时候对面漆进行维护。
（3）理论上，电弧喷涂可以做到在大桥120a设计寿命中不进行整体重涂，而只是依面漆类型不同，定期对面漆进行围护。
需要说明的是：氟碳面漆25a维护寿命只是实验室研究成果，目前还未有使用25a的工程应用实例检验或验证。与热喷涂金属涂层形成复合涂层体系的防护寿命预测也属于实验研究成果，也未经过实际工程的应用检验与验证。
4.8 涂装配套实验结果
上述实验分别就配套涂层的物理性能、耐化学性能以及施工性能进行了对比，综合对比见下表：
从上表评价结果来看，五个设计方案的化学性能（耐盐水、盐雾、湿热性能）均可满足C5环境下钢箱梁外表面防腐蚀性能要求。
其中，方案1（环氧富锌复合涂层＋氟碳面漆方案）、方案3（无机锌复合涂层＋氟碳面漆方案）与方案4（金属喷涂复合涂层＋氟碳面漆方案）选用了较聚氨酯面漆更加优秀的氟碳面漆作为配套面漆，其配套的耐老化性能优势明显。但方案3与方案4受到底漆（无机锌与金属喷涂）的影响，其配套物理性能及施工性能稍差。因此综合上述方案可知，选用了环氧富锌重防腐涂装配套的方案1综合性能最佳。
5. 结果说明
（1）在富锌漆配套中，富锌底漆通过电化学作用，牺牲阳极，保护了钢铁底材，中间漆通过屏蔽作用阻止了水、氧等腐蚀因子浸入漆膜，同时面漆在提供优异耐候性能的同时，也对腐蚀因子起到了阻止作用。
（2）金属涂层对于增加基材的防腐蚀能力有着得天独厚的优势，不但在物理上增强了底材的防护厚度，而且通过电化学作用，保护了底材。
（3）本实验所所选取的五个设计配套涂层方案，其涂膜配套都表现出了优秀的防腐蚀性能，五个方案中，两个金属喷涂涂层方案的防腐蚀性能最佳，经过5000h盐雾性能试验后，测试板加速线上无锈蚀出现，其他三个方案的样板加速线均出现了一定的锈蚀现象，而主体板面没有明显锈蚀痕迹或起泡。
（4）由面漆的耐候性能实验结果来看，氟碳面漆在耐老化性能上远好于聚氨酯面漆。两种面漆的层间重涂配套性能均很理想。
（5）在JT/T722-2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》中，对处于严重腐蚀环境（C5-M）下的复合涂层耐盐雾及耐人工加速老化性能均要求达到3000h，而在现阶段，大型桥梁运营寿命普遍要求超过100a，甚至达到120a。因此对于处于严重腐蚀环境下的跨海大桥来讲，3000h的耐盐雾性性能已不能满足其要求。
（6）综上所述，本文中的五个钢箱梁外表面涂装配套方案均可满足大型桥梁钢箱梁外表面防腐蚀性能要求。其中，配套方案1（环氧富锌复合涂层＋氟碳面漆方案）与配套方案4（金属喷涂复合涂层＋氟碳面漆方案）综合性能领先于其他配套方案，且两个方案各有优势：方案1初始投资低于方案4，且技术上较为成熟，施工简便，易于维护；而方案4涂层的防护寿命较长、维修次数少，但缺点是施工节奏比较慢、对工艺和质量控制相对要求高，实际施工过程中容易延长工期。这两个方案各有优缺点，相较而言，方案1（环氧富锌复合涂层＋氟碳面漆方案）综合性能优异，最为适合港珠澳大桥钢箱梁防腐项目采用。
参考文献
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此文原发表于《涂料技术与文摘》2013年第9期，作者：马翔宇