橋梁對(duì)社會(huì)至關(guān)重要，它使得人和貨物方便地跨越河道、峽谷和高速公路等物理障礙，是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)健康所必需的。

鑒于橋梁的重要性，在建造新橋時(shí)，保持現(xiàn)有橋梁的安全和工作狀態(tài)，并保護(hù)它們免受過(guò)度使用、天氣和腐蝕造成的退化，是最符合社會(huì)利益的做法。然而，問(wèn)題來(lái)了，橋梁的建造和維護(hù)費(fèi)用非常昂貴。

 

涂料在保護(hù)橋梁免受風(fēng)雨侵蝕和腐蝕方面無(wú)疑發(fā)揮著重要作用，有效的涂料系統(tǒng)可以延長(zhǎng)橋梁的使用壽命，延長(zhǎng)維護(hù)周期之間的間隔時(shí)間。

 

橋梁涂裝

在橋梁上使用涂料是為了提高其美觀度，但保護(hù)才是其最重要的功能。橋梁通常由鋼筋混凝土（約占 75%）和鋼材（約占 25%）建造而成。因此涂裝的基材主要是這兩種。

當(dāng)水和可溶性鹽滲入混凝土并導(dǎo)致鋼筋腐蝕時(shí)，混凝土就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。隨著鋼筋的腐蝕，腐蝕產(chǎn)物的膨脹會(huì)導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。使用粉末涂層鋼筋有助于緩解這一問(wèn)題，有時(shí)也會(huì)在混凝土上涂抹硅烷密封劑和防水劑，以防止水/鹽滲透。另外，環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸和聚氨酯等著色涂料也可用于混凝土橋梁，以達(dá)到美觀和隔離保護(hù)的目的。不過(guò)，混凝土橋梁大多沒(méi)有涂層。

另一方面，鋼橋幾乎都需要涂漆，來(lái)保護(hù)鋼材免受腐蝕。一些由特定合金鋼（即耐候鋼）建造的橋梁可以不涂漆，因?yàn)楹辖痄撛陲L(fēng)化過(guò)程中會(huì)形成銅銹或保護(hù)層。但在大多數(shù)情況下，如果不噴漆，鋼材會(huì)迅速腐蝕。如果存在可溶性鹽，如道路除冰鹽，則會(huì)加速腐蝕。

由于小氣候的原因，橋梁的某些區(qū)域更容易受到腐蝕。位于漏水橋面接縫處的鋼材處于強(qiáng)腐蝕環(huán)境中。濺水區(qū)更容易有水和鹽濺到鋼材表面，既存在于橋面表面之上，有時(shí)也存在于另一條道路通過(guò)的橋下。任何可能積水/鹽并長(zhǎng)時(shí)間保持潮濕的區(qū)域，如工字鋼的底部翼緣，也會(huì)產(chǎn)生侵蝕性小氣候。

 

鋼橋涂料歷史

在歷史上，直到20世紀(jì)70年代中后期，許多鋼橋都是直接在軋制鱗片上涂刷多層含有鉻酸鹽和紅鉛等有毒緩蝕顏料的醇酸樹(shù)脂涂料。軋制鱗片是熱軋鋼材在軋制過(guò)程中形成的一層薄薄的鐵氧化物。它附著在鋼表面，只要沒(méi)有破損，就能保護(hù)鋼的底層。但是，由于軋制鱗片對(duì)鋼材具有電化學(xué)陰極性，因此軋制鱗片的任何破損都會(huì)導(dǎo)致底層鋼材的腐蝕。紅鉛醇酸樹(shù)脂涂料曾經(jīng)很有效，但由于有毒的鉛和鉻酸鹽顏料受到管制，以及人們認(rèn)識(shí)到表面處理的好處（即通過(guò)噴砂去除軋制鱗片），這種涂料最終被取代。

20世紀(jì)80年代，由富鋅底漆和溶劑型乙烯基面漆組成的涂料系統(tǒng)取代了紅鉛醇酸樹(shù)脂。然而，由于乙烯基面漆的揮發(fā)性有機(jī)化合物含量極高，最終被其他面漆所取代。

 

圖1. 新橋橫跨密西西比河，承載著伊利諾伊州貝滕多夫和伊利諾伊州莫林之間的 I-74。大橋于 2021 年通車(chē)，所有鋼質(zhì)外表面均采用三層涂層系統(tǒng)，即富鋅底漆、環(huán)氧中層漆和氟聚氨酯面漆。照片由 AGC Chemicals Americas 提供。

圖2. Tokiwa 大橋位于日本廣島附近的山區(qū)，1986 年采用了三層涂料系統(tǒng)。該涂料系統(tǒng)使用富鋅底漆、環(huán)氧中涂和氟聚氨酯面漆，30 多年來(lái)一直表現(xiàn)良好。照片由 AGC Chemicals Americas 提供。

 

現(xiàn)代鋼橋涂料

如今，橋梁行業(yè)使用多種類(lèi)型的涂料系統(tǒng)，但最常見(jiàn)的是由富鋅底漆、環(huán)氧中間漆和脂肪族聚氨酯面漆組成的三層涂料系統(tǒng)。

工藝的選擇對(duì)噴漆工藝的總體成本有很大影響。油漆材料的成本通常只占項(xiàng)目總成本的一小部分，主要來(lái)自人工和表面處理類(lèi)型。如果需要清除舊的含鉛涂料，那么除鉛工藝的健康和安全要求將進(jìn)一步增加成本。

對(duì)于新造橋體的噴涂，通常是在車(chē)間對(duì)結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行噴漆，因?yàn)檐?chē)間的表面處理和噴漆過(guò)程最容易控制。在車(chē)間進(jìn)行噴砂處理后，通常至少要涂刷一層富鋅底漆。有時(shí)，包括中間涂層和面漆在內(nèi)的全套涂層系統(tǒng)也會(huì)在車(chē)間內(nèi)涂刷，或者在鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢后在現(xiàn)場(chǎng)涂刷剩余的涂層。

對(duì)于維護(hù)噴涂，有幾種可能的情況。當(dāng)出現(xiàn)較小面積的銹蝕或油漆失效時(shí)，可進(jìn)行點(diǎn)修和修補(bǔ)，這些區(qū)域可通過(guò)各種表面處理方法進(jìn)行處理并噴涂。區(qū)域噴涂用于清除和更換特定區(qū)域或區(qū)域的涂層，例如飛濺區(qū)內(nèi)的鋼材或距離伸縮縫一定距離內(nèi)的鋼材。當(dāng)原油漆系統(tǒng)仍處于相對(duì)較好的狀態(tài)且附著力良好時(shí)，可使用點(diǎn)修補(bǔ)和罩面油漆。在清除部分失效涂層和銹跡后，進(jìn)行點(diǎn)涂底漆，然后涂上一層完整的面漆。最后，在原有涂層狀況不佳的情況下，可將舊涂層全部清除，更換為新的多層涂層系統(tǒng)。

雖然按面積計(jì)算，全面拆除和更換的成本比點(diǎn)狀維修和分區(qū)涂裝要低，但由于需要準(zhǔn)備和涂裝的表面積較大，因此全面拆除和更換通常是最昂貴的維修涂裝方案。與全部拆除/更換相比，罩面油漆的成本較低，因?yàn)楸砻嫣幚淼墓ぷ髁枯^小。定點(diǎn)維修和分區(qū)噴漆的每平方英尺成本最高，但由于維修的面積較小，總體成本最低。

涂層系統(tǒng)的最終選擇取決于各種因素，如涂裝方案（如新建筑、全部拆除或更換、或局部拆除或過(guò)度涂裝）、預(yù)期耐久性以及即時(shí)和/或生命周期成本。

對(duì)于新造橋體，通常在車(chē)間環(huán)境中使用無(wú)機(jī)或有機(jī)（如環(huán)氧樹(shù)脂或濕氣固化聚氨酯）富鋅底漆。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，則使用有機(jī)富鋅底漆。使用人工富鋅底漆是因?yàn)樗鼈兪欠乐菇?jīng)過(guò)適當(dāng)處理（噴砂）的清潔鋼材腐蝕的最有效底漆。有幾種類(lèi)型的兩層和三層涂層系統(tǒng)可用于新建筑和舊涂層的全面清除/更換。如前所述，最常見(jiàn)的是三層涂層系統(tǒng)，在富鋅底漆上使用雙組分環(huán)氧中間涂層和雙組分脂肪族聚氨酯面漆。富鋅底漆具有耐腐蝕性，環(huán)氧中間涂層可保護(hù)底漆，并通過(guò)其出色的阻隔性能增加耐腐蝕性，而聚氨酯面漆則可提供具有出色光澤和保色性的高耐久性飾面。

目前的趨勢(shì)是使用具有出色光澤和保色性的超耐久面漆，其中一種方法是使用基于含氟聚合物多元醇的聚氨酯，如FEVE（氟乙烯基乙烯基醚）。圖1顯示了最近使用這種系統(tǒng)涂層的一座橋梁的實(shí)例。該橋橫跨密西西比河，承載著愛(ài)荷華州和伊利諾伊州之間的I-74，于2021年12月通車(chē)。在這個(gè)耗資10億美元的項(xiàng)目中，保護(hù)鋼材的系統(tǒng)是由富鋅底漆、環(huán)氧中涂和氟聚氨酯面漆組成的三層涂層系統(tǒng)。

基于含氟聚合物的類(lèi)似涂層系統(tǒng)已在世界其他地方，特別是日本使用多年。圖2顯示了日本廣島附近的一座橋梁的實(shí)例，該橋梁在1986年使用了基于FEVE的含氟聚氨酯面漆的三層涂層系統(tǒng)。

 

圖3. 常盤(pán)橋鋼制楣梁在不同曝光時(shí)間拍攝的照片，顯示出氟乙烷面漆極佳的光澤保持性。2016 年拍攝的照片代表了 30 年的暴露時(shí)間。照片由 AGC Chemicals Americas 提供。

表1. 日本廣島附近 Tokiwa 橋 30 年間氟乙烷面漆的光澤度和光澤保持率數(shù)據(jù)

表1顯示了Tokiwa大橋三十年來(lái)的一些光澤度和光澤保持率讀數(shù)，說(shuō)明這些系統(tǒng)具有極佳的光澤保持率。在擦拭去除油漆表面的污垢后，發(fā)現(xiàn)60°的光澤保持率在30年后達(dá)到97%。圖3中的照片顯示了面向外部的楣梁上觀察到的極佳光澤度，預(yù)計(jì)在30年的暴露期中，楣梁受到的陽(yáng)光和天氣照射最多。

另一種趨勢(shì)是使用雙涂層系統(tǒng)，實(shí)際上是用單層面漆取代環(huán)氧中層漆和聚氨酯面漆。使用涂層較少的橋梁涂層系統(tǒng)具有勞動(dòng)力成本低、恢復(fù)服務(wù)快（如減少交通線(xiàn)的停機(jī)時(shí)間）的優(yōu)勢(shì)。聚硅氧烷可直接在兩層涂料系統(tǒng)中的富鋅底漆上使用，也可提供出色的耐久性。

氟聚氨酯和聚硅氧烷是當(dāng)今最抗紫外線(xiàn)、最耐用的面漆之一，兩者都具有出色的光澤度和保色性。聚硅氧烷還可用于耐久性要求較高的其他細(xì)分市場(chǎng)，如船舶涂料。

 

圖4. 氨基功能聚天冬氨酸樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu) 可與多異氰酸酯交聯(lián)的胺功能聚天冬氨酸樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)（X = 脂肪族或環(huán)脂族橋基，R = 烷基）。

聚天冬氨酸面漆基于與脂肪族多異氰酸酯交聯(lián)的胺功能天冬氨酸酯樹(shù)脂（如圖4），也可用于雙涂層橋梁涂料體系中。與聚氨酯相比，聚天冬氨酸涂料的干燥時(shí)間更快，固化壽命更長(zhǎng)，涂膜厚度更高，并具有同等的光澤和保色性。較厚的涂膜有利于在不犧牲耐腐蝕性的情況下改用雙涂層體系。

 

圖5. 密蘇里州圣路易斯市郊外馬里蘭高地多塞特路的 I-270 號(hào)公路橋照片。鋼結(jié)構(gòu)采用新的專(zhuān)有雙涂層系統(tǒng)噴漆。照片由 Carboline 提供。

有關(guān)雙涂層橋梁涂料系統(tǒng)的工作仍在繼續(xù)。圖5顯示的是密蘇里州的一座公路橋，該橋最近采用了基于 Carboline 新技術(shù)的專(zhuān)有雙涂層體系。

水性丙烯酸面漆在富鋅底漆的兩層和三層體系中也有一定的應(yīng)用，可用于完全清除/更換的情況，也可用于多層涂層的情況。丙烯酸具有良好的外部耐久性、低揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）的優(yōu)點(diǎn)，而且測(cè)試表明它們?cè)跇蛄旱湫偷那治g性環(huán)境中表現(xiàn)良好。

隨著相關(guān)法規(guī)推動(dòng)最終用戶(hù)使用低揮發(fā)性有機(jī)化合物涂料，他們有多種選擇來(lái)摒棄高揮發(fā)性有機(jī)化合物溶劑型涂料，包括用揮發(fā)性有機(jī)化合物豁免溶劑替代傳統(tǒng)溶劑，以及使用高固體份溶劑型涂料或水性涂料。加利福尼亞州和北卡羅來(lái)納州等一些州的規(guī)范允許在鋼橋上使用水性丙烯酸涂料。加利福尼亞州最近率先使用了幾種基于丙烯酸/FEVE 混合物的水性涂料，作為耐久性更高的水性選擇。

 

結(jié)論

建造新橋和更換不安全或陳舊的橋梁耗資巨大，因此保護(hù)和維護(hù)現(xiàn)有橋梁以防老化就顯得異常重要。涂料在保護(hù)橋梁等重要基礎(chǔ)設(shè)施方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，橋梁涂料已經(jīng)變得更加安全和有效。如今，最常見(jiàn)的是基于富鋅底漆、環(huán)氧中間涂層和聚氨酯面漆的三層涂料系統(tǒng)。不過(guò)，還有許多其他系統(tǒng)也在使用，包括使用更耐用的面漆（如含氟聚氨酯和聚硅氧烷）、環(huán)保型水性涂料以及涂料層數(shù)更少的系統(tǒng)。橋梁和其他基礎(chǔ)設(shè)施所面臨的挑戰(zhàn)很多，也很艱巨，但毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)的涂料創(chuàng)新將是解決方案的一部分。

來(lái)源：Paintology Coatings Research LLC
編譯整理：馮穎

 

來(lái)源：榮格-《涂料與油墨—中國(guó)版》

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