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摘要：本文依托交通运输行业重点科技项目展开研究。现阶段对桥梁耐候钢表面处理的工艺尚未成熟，直接采用常规防腐工艺经济性不强，且失去了其耐腐蚀的特性。本研究重点探索了在桥梁耐候钢表面涂装装饰性涂装工艺的可能性，并给出最佳涂装工艺方案。结合传统涂装工艺对装饰性涂装在桥梁耐候钢致密层上的适用性进行分析。
关键词：桥梁耐候钢 致密层 装饰性涂装 半涂装
1引言
随着近几年我国交通基础设施建设的大浪潮来临，钢结构桥梁越来越多地被应用到城市桥梁当中。【1】其中耐大气腐蚀钢即常说的耐候钢渐渐进入人们的视野，在钢结构桥梁中崭露头角。从上世纪90年代试制的一孔架设于京广铁路巡司河上的第一座耐大气腐蚀钢桥，到2012年建成的后丁香大桥，再到2016年5月开工建设的藏木雅江特大桥，【2】都说明了耐候钢在钢结构桥梁领域渐渐发挥出自己的优势。但是免涂装耐候钢桥对自然环境提出了严格的要求，尤其是在城市桥梁建设过程中，除了考虑环境的四大指标外【3】，锈迹斑斑的耐候钢桥会严重影响桥梁的美观性。其次由于国内对于耐候钢桥梁腐蚀缺乏设计经验，耐候钢未被普遍应用于城市桥梁中。因此，需要进行大量的基础研究，积累大量的设计经验。本次研究旨在探索装饰性涂装对耐候钢致密层的适用性和影响规律。相较于普通钢材防腐涂装工艺，耐候钢装饰性涂装具有工艺简单、喷涂油漆漆膜厚度小、涂装时间较短等优点。本研究将提出在已经形成致密层的耐候钢表面做装饰性涂装的参考工艺建议。
2试验概况
本研究为分析装饰性涂装在耐候钢致密层上的适用性，采用在锈层上直接涂装的方式展开研究，涂层附着力检测按照油漆拉拔检测标准：GB/T5210执行。并以正常防腐涂装工艺为参照，分析耐候钢半涂装即装饰性涂装的实用性。
2.1试样制备
试验共设计三组，其中每组试件不少于六块，试件规格为70mm×35mm×16mm。试件采用耐候钢Q345qDNH，其化学成分见表1。
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表1 耐候钢材料成分表
此试样材料为运宝黄河大桥中所采用的耐大气腐蚀钢Q345qDNH。
2.2试验方法
2.2.1涂装试验
其中第一组为正常防腐涂装组，作为对照组。钢板全部打磨除锈，除锈等级ST3。涂装体系为底漆+中间漆+面漆，底漆采用环氧富锌底漆，中间漆采用环氧云铁漆，面漆分别采用丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆、氟碳面漆、聚氨酯面漆三种。第二组为无底漆组，体系为中间漆+面漆，中间漆采用环氧云铁漆，面漆分别采用丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆、氟碳面漆、聚氨酯面漆三种。第三组为装饰性涂装组，体系为仅涂面漆。面漆分别采用丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆、氟碳面漆、聚氨酯面漆三种。第一组总的漆膜厚度均为120μm，第二组的漆膜厚度为120μm和180μm两种规格，第三组总的漆膜厚度为60μm、90μm两种规格，以上漆膜厚度均为干膜厚度。
2.2.2锈层腐蚀速率试验
ISO 9223—2012提出了以相对湿度、温度、二氧化硫沉积速率、氯离子沉积速率四项环境因素的年均值对碳钢、铝、锌、铜四种标准金属第一年腐蚀速率影响关系。本次研究以上述两种离子在空气中含量的十倍为基准加速腐蚀，进而形成耐候钢的致密层，在致密层上涂装装饰性涂装，通过观察油漆对致密层厚度即腐蚀速率的影响，测量涂漆后的锈层厚度增长速率，评判装饰性油漆的可行性。锈层厚度测量采用涂层厚度仪，仪器型号为：EC770XE。每1个月对每组试件进行厚度测量，为避免偶然误差，每次测量时取五点位置，并将数据整理记录，绘制折线图。
2.2.3附着力检测试验
为检测油漆的拉拔力，试验采用拉拔式附着力检测的方法，垂直荷载施加采用全自动液压油泵，确保拉力准确和连续，以提供连贯，可重复的结果。工作台为平面，为了防止试件在工作台上随着检测的进行发生移位，在垂直工作台的方向对试件进行固定。附着力检测主要为油漆拉拔实验。依据检测标准：GB/T 5210，ISO4624-2004。
3 试验结果分析
3.1涂装试验结果分析
根据试验分组对试件进行涂装，跟踪观察涂漆后的耐候钢表面情况，并记录涂装表面的变化。
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图1 第一组照片对比
左边照片为第一个月照片
右边照片为第六个月照片
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图2 第二组照片对比
左边照片为第一个月照片
右边照片为第六个月照片
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图3 第三组照片对比
左边照片为第一个月照片
右边照片为第六个月照片
1.试件第一组、试件第二组、试件第三组经过六个月的实验，外观形貌图片分别见图1、图2、图3。
2.三组试件的外观均没有产生明显的鼓包、起皮、漆面龟裂、漆面脱落等现象，油漆色泽均匀，未发现反锈现象。能够表明装饰性涂装在六个月的时间内可以保持应有的美观性，表明在外观形貌层级该处理工艺在6个月内可行，对其继续生长的锈层无影响。
3.2锈层腐蚀速率试验结果分析
涂漆后，测量锈层厚度变化情况，绘制腐蚀速率折线图如下。
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表2第一组锈层厚度变化表
表4第三组锈层厚度变化表
1.根据表2、表3、表4得出：三组试件在刚开始的两个月里锈层厚度增速较快，这表明三种涂装组合均不能完全阻止耐候钢试件生锈，但是锈层的生长速度十分缓慢。
2.根据表2、表3、表4可得出：三组涂漆前锈层厚度一样，在分别涂装三种体系的油漆后，锈层的增长速度发生变化，总体来看，第五个月时，第一组的试件锈层厚度比较小，第二组次之，第三组的锈层厚度最大。说明漆膜越厚，对于锈层成长的阻碍作用越强，封闭性油漆几乎可以停止锈层增长。
3.根据表2的结果可知，第一组试件5个月后，锈层厚度增加了1.6微米，平均腐蚀速率为0.32微米/月。第三月至第五月的平均腐蚀速率0.15微米/月。
4.根据表3的结果可知，第二组试件5个月后，锈层厚度增加了5.9微米，平均腐蚀速率为1.18微米/月。第三月至第五月的平均腐蚀速率0.2微米/月。
5.根据表4的结果可知，第三组试件5个月后，锈层厚度增加了6.8微米，平均腐蚀速率为1.36微米/月。第三月至第五月的平均腐蚀速率0.05微米/月。
6.综合表2表3表4结果得出，从第二个月以后各组试件的锈层生长速度都逐渐趋于平缓，甚至出现连续的零增长现象。表明装饰性涂装对锈层的增长有影响，反之锈层的增长也会影响装饰性涂层的稳定性。当锈层的增长速率接近0时，可以推断出锈层增长对油漆的影响可以忽略不计。
3.3附着力检测试验结果分析
附着力检测主要为油漆拉拔实验。检测标准：GB/T 5210，ISO4624-2004。拉拔试验图如图7所示。
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图4拉拔试验图
由国际标准ISO 4624-2004《色漆和清漆拉开法附着力试验》规范要求，油漆和底材之间的拉拔力大于5MPa即满足规范。
表7第三组拉拔力检测表
1.第一组试件采用正常涂装（底漆+中间漆+面漆），总干膜厚度为120μm。1-1、1-2和1-3分别使用三种不同的面漆进行涂装，从表5可以看出，在全涂装时，不同的面漆种类对于试件的拉拔力检测结果来说没有明显的影响。
2.第二组试件采用（中间漆+面漆）的涂装组合，总干膜厚度为120μm、180μm两种规格。2-1和2-2分别代表相同油漆种类不同的干膜厚度情况，从120μm到180μm干膜厚度增加，所测的拉拔力数值有明显的变化。
3.第三组试件采用装饰性涂装（面漆），总干膜厚度为60μm、90μm。3-1、3-2和3-3分别代表同种厚度的不同面漆情况，检测结果表明三种不同面漆的拉拔力数值十分接近。
4.对比3-1、3-4和3-5这三个试件，三者使用同种的涂装组合，3-1代表90μm的干膜厚度，3-4，3-5代表60μm的干膜厚度，检测结果表明3-4和3-5的拉拔力检测数值小于3-1试件的检测数值。这也说明了漆膜厚度是影响油漆附着力的一个重要因素。
5.对比3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6这几个试件可以得出，各个试件在不同涂装情况下的拉拔力测试值都达到了规范所要求的数值，考虑到偶然因素和经济适用性原则，推荐使用面漆干膜厚度至少为60μm的涂装组合。
综上所述，相较于传统涂装而言装饰性涂装最大的优点在于减少了底漆和中间漆，不仅减少了工艺步骤，而且更加经济环保，减少了维护成本。而且耐候钢装饰性涂装，不会影响桥梁本身的结构强度。为城市桥梁建设中采用耐候钢方案提供了更多的参考依据和油漆选择。
4装饰性涂装在耐候钢桥梁上的发展展望
4.1装饰性涂装的优势
当代桥梁施工标准追求对于母材的表面处理采用最好的重防腐涂料、正确的设计、油漆的选择符合“4E标准”【4】。而得益于耐候钢的耐候性，半涂装耐候钢桥梁在建设过程中，省去了超过三分之二的涂装工艺，极大的减少了建设成本和制造时间，并且在后期的维护过程中，在设计基准期内减少了大量的重复的涂装养护工作，降低了钢结构桥梁对环境的污染，更加绿色环保，很大程度降低了运营和维护成本。
目前的我国采用耐候钢的桥梁大多处于山区和边远地区，考虑到观赏性不佳，缺乏城市桥梁中采用耐候钢的案例。半涂装的工艺方案有效解决了桥梁美观性问题，为耐候钢桥进军城市桥梁建设提供了解决方案。
4.2我国半涂装耐候钢桥的设计与应用
在我国的在钢桥制造领域，虽然很早就对耐候钢的应用进行尝试，但由于耐候钢的涂装设计经验缺乏，涂装技术和涂装管理水平与国际上先进体系相差甚远【5】。一直未尝试半涂装的耐候钢桥的使用效果和经济效益。偏远地区的耐候钢裸桥使用已有先例，全涂装的耐候钢桥在京广铁路中也有应用，然而全涂装的耐候钢失去了其特有的耐候性，成本更加昂贵，不适合大范围普及【6】。我国桥梁用耐候钢相关规定较少，在公路桥梁建设应用领域暂未作相应要求。在国内政策的引导下，提倡建设生态文明，钢桥建设对生态环境的保护提出了更高的要求，为降低对环境的破坏，全涂装工艺的桥梁建设成本和维护成本过高，需要半涂装或者免涂装设计方案。欧美及日本的耐候钢桥腐蚀设计方法较为成熟，在设计过程中必须对桥梁所处环境进行分类和研究，然后规定耐候钢的使用范围，根据环境的腐蚀评估来确定相应的板厚设计。不同的环境，需要采取不同的材料要求和涂装要求，因此半涂装方案在城市桥梁建设中大有可为。
5.结论
本研究从宏观形貌、锈层腐蚀速率、油漆附着力三个方面对比分析了装饰性涂装对耐候钢致密层的影响。总结如下：
1.采用装饰性涂装的耐候钢能够应用于桥梁结构中。其宏观形貌在6个月内满足涂装规范和要求。
2.涂装装饰性油漆的工艺对于耐候钢的锈层影响有限，其腐蚀速率的技术指标满足100年内锈层厚度损失1mm的要求。
3.装饰性涂装对耐候钢的致密层无破坏和加速腐蚀的作用，不影响耐候钢的耐候性和结构性。
4.采用上述工艺方案，可以完全满足现行的公路桥梁钢结构防腐涂装工艺要求。
5.采用装饰性涂装的耐候钢更加经济环保，维护成本低，工艺可靠实用。
参考文献：
[1]罗明迪，李航运.浅谈钢结构桥梁防腐涂装方法和质量控制[J].西部交通科技，2018（03）：83-86.
[2]张宇，郑凯锋，衡俊霖.免涂装耐候钢桥梁腐蚀设计方法现状及展望[J].钢结构，2018，33（09）：116-121+52
[3]刘聪，唐其环，王莞，郭赞洪.ISO 9223—2012标准碳钢大气腐蚀速率预测方程在我国典型地区的适用性研究[J].装备环境工程，2017，14（10）：74-77
[4]王卫东，杨巧富，张颍利.钢结构桥梁防腐涂装的质量控制措施[J].公路，2018，63（10）：128-130.
[5]李敏风，唐俊华.我国桥梁涂料及涂装技术发展的新动向[J].中国涂料，2015，30（09）：4-10.
[6]石振家，王雷，陈楠，郝龙，董俊华，柯伟.耐候钢表面锈层及其稳定化处理现状与发展趋势[J].腐蚀科学与防护技术，2015，27（05）：503-508.
作者简介
交通运输行业重点科技项目（2019-MS2-046）中交第一公路勘察设计研究院有限公司科技研发基金项目（KCJJ2019-09）
翟晓亮（1983-），男，陕西凤翔人，博士，主要从事特大桥结构设计与研究E-mail：258453374@163.com
梁智涛，（1962-），男，教授级高工，主要从事特大桥结构设计咨询与审查E-mail：375404587@qq.com