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涂料助剂
冷涂锌复合涂层体系在钢桥梁上的施工应用
2021-06-21 13:21  浏览:177
冷涂锌是一种单组分涂料，主要由高纯度的锌粉、溶剂和特殊有机混合树脂三部分组成。涂层干膜中含锌量高达96％，具备热镀锌及富锌涂料的双重优点，常温施工便可达到热浸镀锌的效果，提供阴极保护及物理屏蔽双重保护功能，防腐性能优异、施工便捷。近年来，冷涂锌作为桥梁行业防腐新型材料，越来越多地被各大桥梁设计院所采用，应用在钢结构桥梁工程中。例如本公司近两年承制的三官堂大桥、芜湖二桥、北京永定河大桥、淮海路钢塔、宝鸡联盟路大桥、植物园大桥和阳平大桥等多个钢桥梁项目都采用了冷涂锌复合涂层防腐体系，但在施工过程中发现其对施工要求比较高，在施工性和配套性方面均存在不同程度的问题，例如涂层起泡、剥落、附着力不稳定等。为此，本文对冷涂锌复合涂层施工技术进行了总结，针对配套性和施工性方面存在的问题和缺陷进行分析，并提出了优化改进建议。

1 冷涂锌复合涂层的施工技术
1. 1 冷涂锌复合涂层体系介绍
与冷涂锌配套的涂层有冷涂锌专用的封闭漆，也有用常规重防腐体系中的环氧封闭漆和云铁中间漆。表1是本公司施工的桥梁钢结构采用的2种典型的冷涂锌复合涂层体系。
表1中“冷喷锌涂料”和“涂膜镀锌”是不同的称谓，也有称之为“冷涂锌”、“锌基涂镀”。2015年发布的化工行业标准《冷涂锌涂料》（HG/T 4845—2015）中，将其名称明确为“冷涂锌涂料”。虽然在标准中对其技术条件进行了明确规定，但目前市场上的产品配方差异依然很大，树脂类型不尽相同。而冷涂锌专用的封闭漆，由于兼具封闭漆和中间漆的作用，各厂家的产品技术条件也不统一，缺少标准的判断依据。

表2为冷涂锌涂料生产厂家及所用树脂类型。

1. 2 施工环境条件控制
冷涂锌涂料喷涂时要求环境相对湿度在85%以下，钢板温度在露点温度3 ℃以上，施工环境温度5～40 ℃。由于我国南北跨度大，涂装施工环境差异明显，在施工时要充分考虑环境的影响，尤其是温度的影响。高温条件下施工时，由于溶剂挥发迅速，容易造成冷涂锌涂料的干喷，形成松散、粗糙的涂层；另外，高温还会导致涂层出现起泡和针孔问题。因此，夏季施工时应注意采取有效的遮阳措施并避开高温时段。低温条件下施工时，由于涂层干燥、固化缓慢，再加上冷涂锌本身是单组分涂料，而中间层和面层为双组分涂料，二者固化机理不同，其配套涂层的附着力需要较长的时间才能达到理想状态。北方某项目在冬季施工检测中发现，构件涂装完成后需要20 d左右附着力才能达到标准要求，若温度更低则所需时间更长。
1. 3 施工参数控制
1. 3. 1 涂装道数与厚度
冷涂锌涂料中锌粉含量高达96%，仅通过极少量的树脂来实现对基体的附着。为保证冷涂锌涂层与基体以及层间的结合力，冷涂锌涂料好一次喷涂完成，且厚度不宜超过80 μm，否则附着力会下降，甚至造成涂层开裂，作为复合体系的底层配套使用时更是如此。
第1道封闭漆的作用是对冷涂锌涂层表面的毛细孔隙进行填充和封闭，一般来说第1 道喷涂30～40 μm可达到较好的封闭效果；第2道封闭漆（或中间漆）起的是增加厚度的作用，在第1道封闭漆充分封闭的基础上，可以实现厚涂。
面漆分2道喷涂，每道40 μm，厂内涂一道，成桥后现场再涂一道。
1. 3. 2 重涂时间
当冷涂锌涂料一道喷涂无法达到设计要求厚度，必须分道涂装时，应在上一道表干后立即涂装下一道，2道之间间隔时间不宜过长。如果等第1道冷涂锌干燥后再涂第2道，可能会影响层间附着力。在单组分冷涂锌涂层上喷涂双组分涂料，要确保冷涂锌涂层干燥，否则会出现涂层咬底、鼓包、脱层等严重问题。因此要严格控制冷涂锌复合涂层中各道涂料的短重涂时间，短重涂时间根据厂家产品要求、温度、膜厚不同而异，一般来说温度越低、膜厚越厚，则重涂时间越长。总之，必须保证上一道涂层实干后再进行下一道的涂装，但也不能间隔太久以免影响层间附着力。
1. 3. 3 涂装工艺参数
喷涂压力要按照产品说明书的要求，喷涂压力太小则雾化不充分，涂层不均匀；压力太大会导致过度雾化，容易产生大量漆雾、形成干喷。尤其对于锌含量较高的冷涂锌涂料来说，过高的喷涂压力会使锌粉堵塞喷嘴，无法继续施工。
根据涂料种类的不同，以及喷涂厚度和构件尺寸、形状，选择适宜的喷嘴型号，可以保证涂层外观平整、厚度均匀，还可以有效控制涂料消耗率。表3为冷涂锌喷涂方式及相关工艺参数。

1. 4 工件摆放位置的影响
工件摆放不但要保证足够的操作空间，避免工序之间互相干涉，还要确保工件之间空气流通。另外，应根据构件的结构形式确定合理的摆放位置，尽量减少漆雾的影响，才能得到厚度均匀、成膜质量好、固化完全的涂层。例如在桥面板喷涂施工中，当U 肋面朝上摆放时，由于U肋之间间距较小，喷涂形成的漆雾沉积在U肋之间的桥面板上（如图1），导致该部分涂层过厚且涂层粗糙。漆雾堆积形成的涂层比较松散，不但附着力差而且孔隙率高，容易产生起泡、针孔等缺陷，过厚的涂层也会严重影响附着力。
为了解决这个问题，尝试了将桥面板立起来，采用侧面喷涂。但由于桥面板较高，喷涂时还必须搭支架，如此不便于喷涂施工，而且U肋朝上一面也容易堆积漆雾。终确定比较理想的方式是将桥面板U肋面朝下摆放方式，采用仰喷作业，产生的漆雾会自由散落（如图2），减少了漆雾对涂层质量的影响。但采用此方式施工时，必须保证下方有足够的作业空间和良好的通风条件，同时穿戴好防护用具，以避免散落的漆雾对下方施工人员健康产生不利影响。

2 施工中存在的问题及原因分析
2. 1 配套性不佳
由于同时生产冷涂锌涂料及与之可良好配套的中间漆及面漆的企业非常少，通常会出现冷涂锌涂料与后续配套涂料非同一厂家的情况。再加上冷涂锌涂料各厂家配方差异较大，其成膜树脂类型各不相同，从而增加了配套的复杂性。
施工单位只能通过大量的匹配性试验来验证冷涂锌与后续涂层的配套性，而一旦更换厂家或涂料配方有所调整时，则必须重新进行配套性试验。况且从冷涂锌材料本身来说，它是单组分涂料，主要靠溶剂挥发来实现物理干燥，因此成膜后若与双组分涂料配套，易发生咬底现象，其配套本身就存在风险。
2. 2 厚涂性能较差
在实际施工中发现，冷涂锌涂料一次喷涂厚度只能达到50～60 μm，但设计厚度通常是80 μm以上，有的达到100 μm。要想达到设计要求的厚度必须分2道喷涂，否则就会产生流挂。但由于冷涂锌涂料本身锌粉含量很高，树脂含量少，这类涂料好是一次喷涂完成，如果第1道实干后再喷第2道的话可能会影响层间结合力。分道喷涂时应该在第1道表干后立即涂装第2道，尽量缩短间隔时间。但对一些构件来说，必须要等涂层实干后施工人员方可上到构件上进行操作，从而不得不延长重涂间隔时间。因此，冷涂锌涂料若无法实现一次厚涂将导致施工效率的降低，并影响到层间结合力。
2. 3 附着力不稳定
2. 3. 1 配套性能对附着力的影响
根据本公司多个项目的施工情况，不同厂家之间的配套体系结果差异较大。即使是同一厂家的配套，其附着力数值也是存在差距的，这可能和施工时环境条件、涂层厚度、重涂时间等有直接关系。
2. 3. 2 固化时间对附着力的影响
从本公司目前施工情况来看，由于单组分冷涂锌与双组分涂料配套性的原因，再加上冬季固化缓慢，导致固化7～10 d 后（双组分涂料固化期一般为7 d）冷涂锌复合涂层附着力普遍低于3 MPa，且都是从底层拉开。然而随着固化时间的延长，冷涂锌复合涂层的附着力逐渐增加，20 d后可达到6 MPa以上。这就意味着构件需要等待较长的时间，才能达到出厂检验要求。这无疑会严重拖后生产进度，尤其在场地不足、项目工期紧张的情况下，将成为一个大问题。建议冷涂锌厂家进行相关试验，提供出固化时间随温度变化的曲线或数据，用以指导涂装施工。
2. 3. 3 溶剂对附着力的影响
采用拉开法检测时，则应考虑胶粘剂中溶剂的影响。因为冷涂锌为单组分涂料，胶粘剂中的溶剂有可能将其咬起，从而严重影响冷涂锌涂层对底材的附着力。本公司在试验中发现，在冷涂锌复合体系的面层上进行拉开法检测可达8 MPa以上，而在同一块试板上的冷涂锌涂层进行拉开法检测，附着力则很差。当然，这也与冷涂锌涂料的树脂类型以及采用的胶粘剂成分有关。而检测标准《色漆和清漆拉开法附着力试验》（GB/T 5210—2006）中，对于胶粘剂的成分并无明确规定，只要求在与涂层接触的这段时间内“对受试涂层几乎未产生或没有产生可觉察的变化”，使用方需预先进行胶粘剂的筛选。经验证，在冷涂锌单涂层上采用双组分AB胶时，涂层将会被咬起；而采用单组分的3M 胶时，则没有问题。同样的，若封闭层或中间层的溶剂极性太强，也会将底涂层咬起从而丧失附着力。
2. 3. 4 划痕对附着力判定的影响
因为冷涂锌涂层锌粉含量高达96%，树脂含量很少，采用划格法进行检测时，刀口两侧的涂层会出现崩坏而影响评判结果。
2. 4 涂层剥落
从实际施工情况来看，导致涂层剥落的原因主要是涂层太厚或重涂间隔时间太短，上一涂层未干透就涂下一道涂层，导致溶剂无法挥发出来，滞留在涂层中。由于单组分的冷涂锌涂层对后续涂料溶剂耐受程度非常有限，就会导致出现咬底现象，引起涂层剥落。图3分别是在2个项目中出现的涂层剥落问题，该部分涂层先是发现鼓包，然后涂层剥落，将涂层揭开后发现内里涂层发软，且测量该处涂层厚度明显超厚。


2. 5 涂层起泡
冷涂锌涂层存在较多的毛细孔隙，如果不能把底层孔隙封闭，让其中的气体顺利排出，就会造成涂层上出现气泡和针孔（见图4和图5），其原因主要有两方面。

（1）封闭层厚度
首先要严格控制封闭漆喷涂厚度，太厚或太薄都不行。一次喷涂太厚，则孔隙中的空气无法排出，会将涂层顶出气泡；涂层太薄又无法充分封闭孔隙，达不到封孔的效果。
（2）施工温度
夏季涂装施工时，涂层起泡、针孔的问题比较明显。首先，在高温条件下施工，涂料表层干燥过快，导致涂层中的溶剂无法顺利排出，就会顶出气泡或针孔；其次，由于封闭漆喷涂厚度一般较薄，高温下可能还没来得及充分渗入底层孔隙就已经干燥，起不到封孔的作用。
本公司在某大桥的涂装施工过程中也遇到过这样的情况。刚开始采取了增加稀释剂比例、采用多道喷涂等施工措施，虽然情况得到了控制，但大大降低了施工效率，增加了涂料消耗，多加的稀释剂还会造成VOC排放超标问题。终还是由涂料厂家对涂料性能进行调整改进后，减少了施工道数，从而解决了起泡问题。
2. 6 焊缝区域涂层烧损
从目前冷涂锌行业来看，基本上都采用热塑性树脂，热塑性涂层干燥后的漆膜容易受热变软、受冷变硬，且涂膜具有一定可逆性。焊缝周围涂层及火焰矫正区域涂层受热后冷涂锌涂层结构易发生变化，导致涂层出现剥落和损伤。本公司针对冷涂锌复合涂层体系进行了焊接试验，发现不同厂家的涂装材料其焊接性能有所差异，但总体来说，冷涂锌单涂层上，焊缝附近烧损的涂层范围很小，涂层基本牢固附着，但在复合涂层上，涂层大片起皮、剥落现象比较严重（见图6），还有些部位涂层出现鼓包现象（见图7）。对受损涂层进行清理，直至牢固附着的涂层，发现焊接热影响区涂层受损范围宽度大约为单侧120～150 mm，若采用熔透焊缝或厚板焊接则热影响区还可能更大。这就意味着现场焊缝部位的修补宽度将达到300～500 mm，这无疑将大大增加打磨和补涂的工作量。


3 优化改进建议
3. 1 涂料本身性能的优化
目前冷涂锌复合涂层体系在施工中遇到的问题集中体现在施工性、配套性差，涂层质量和附着力不稳定以及耐热性差等方面，这主要是由于冷涂锌涂料本身特性所决定的。要想从根本上解决问题，冷涂锌生产厂家就应该加强其在重防腐涂装行业中的应用性研究，提高冷涂锌的施工性能，解决冷涂锌与中间漆、面漆的配套问题。建议冷涂锌厂家进行相关试验，提供冷涂锌复合涂层固化时间随温度变化的曲线或数据，用以指导涂装施工。避免因不能掌握关键因素和配套性能不好而影响涂层质量，导致涂层失效。
另外，目前采用的冷涂锌涂料封闭剂实际是兼具封闭漆和中间漆的作用。由于作为中间漆要考虑增加厚度，固体含量一般都较高。但是作封闭漆来用时就要额外添加稀释剂，对施工人员来说添加比例不易控制，还会增加VOC排放，不符合节能减排的环保趋势。所以从实际使用效果来看，反而不如分别采用封闭漆和中间漆2种单一功能的涂料效果好。建议冷涂锌厂家同时对冷涂锌封闭剂的性能也进行改善，开发出适宜的配套涂料。
3. 2 施工工艺的优化
对施工单位来说，应该从涂装工艺方面采取措施，例如：选择合适的喷嘴型号、控制喷涂厚度、严格遵守工艺要求的涂装道数、间隔时间，还有采取加热保温、通风措施等手段来控制涂装质量。但这些手段都只能起到改善和控制的作用，并不能从根源上解决问题。况且一些工艺措施的采用会增加施工难度、降低施工效率，而现在各项目施工周期都非常紧张，如何在确保质量的前提上加快施工进度才是业主们关心的。因此，要想解决问题还必须从根源下手，即涂料性能的改善。
3. 3 防腐体系的优化
冷涂锌材料锌含量非常高，电化学防腐能力比普通富锌底漆更优异，作为单涂层防腐材料优势明显。但使用冷涂锌复合涂层的话，对其配套性、施工环境及施工要求均较高。考虑到施工质量的稳定性和防腐性能的可靠性，设计单位在确定防腐方案时应优先选用经实践验证的成熟配套体系，慎重采用冷涂锌复合涂层配套体系。当选择冷涂锌复合涂层的方案时，应设计合理的涂装道数和厚度，并充分考虑各种影响因素和工期进度的要求。

4 结语
冷涂锌涂料作为单层自封闭体系使用时，体现出了良好的施工性能和防腐性能，在电力水力行业、建筑钢结构上都有成功应用经验。有试验显示，其涂层致密度、附着力和耐盐雾腐蚀性能均优于同厚度的富锌底漆和热喷锌涂层。但若想在大型桥梁上推广应用复合涂层体系，就必须要解决其配套性、施工性较差，施工质量不稳定的问题。这就需要从涂料、设计、施工这几个方面做出优化，更希望冷涂锌涂料研发人员能够多从工程实际出发，加强技术研发力度，开发出防腐效果好、施工难度低的冷涂锌及其配套涂料。
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