水工金属结构中水性无机富锌涂料的应用

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　　摘要：水性无机富锌涂料是一类有别于溶剂型涂料的环保型涂料,用作水工金属结构的永久性保护涂层,较其它防护材料具有较大的优越性。但由于该涂料以水为溶剂,汽化潜热大,故其涂装及固化受环境温度、湿度的影响较大。通过一些水电工程金属结构涂装施工的实践和材料实验,总结出如下经验: ①须注重钢结构的前处理,喷砂宜在晴朗的白天进行; ②涂装时应控制环境温度和湿度指标以及边角部位的涂装方法; ③注重涂层的干燥和固化,保证构件下水前的涂层质量; ④合理选用配套面漆等,以期达到预期的施工效果,延长涂层的使用期。
　　主题词：钢结构施工方法金属除锈防锈涂料
　　水工金属结构多采用碳钢、锰钢、铸钢等钢材,不锈钢则用量较少。为实现长期使用的目的,必须采用永久性保护涂层。一般常用的有3 种:热喷锌、铝，有机富锌涂料与无机富锌涂料。它们对金属结构的保护作用有3 种,即屏蔽作用、阴极保护作用及钝化作用。
　　一般的防腐涂料如氯化橡胶、环氧铁红、环氧煤沥青等都只具有屏蔽作用。热喷锌、铝是将线材熔化、雾化后喷涂在金属基体上,存在着残余应力,且孔隙率高,屏蔽性能差,须再加封闭涂层,施工中产生的锌雾对施工人员有很大的危害。有机富锌涂料与无机富锌涂料均采用高细度锌粉为原料,对金属基体屏蔽性好,但有机富锌涂料多采用环氧类粘结剂,它不具备导电性,故其阴极保护性能远不及热喷锌、铝与无机富锌涂料。水性无机富锌涂料结合了热喷锌、铝与有机富锌涂料的优点,且以去离子水为溶剂,施工方便,对环境无污染、无毒害,是目前国际上最具发展前途的环保型涂料。水性无机富锌涂料在发达国家已广泛使用,如英国北海海上采油平台、美国旧金山金门大桥、日本本州与四国岛跨海大桥均采用该涂料作底漆,对钢铁结构进行永久性保护。
　　水性无机富锌涂料的发展经历了3 个阶段。第1 阶段采用硅酸钠作为基料,加入大量锌粉,防蚀性好,但施工麻烦。涂布干燥后,喷磷酸溶液或氯化镁溶液使涂层固化,再用热水洗去涂膜表面的水溶性盐类,这一阶段的涂料属于后固化。第2 阶段采用硅酸钾为基料,不再加固化剂,施工方便,为自固化,但涂层易吸潮,固化速度慢。第3 阶段采用硅酸锂为基料,亦为自固化,且涂层不吸潮,耐磨性、耐候性及耐水性均属优良。
　　水性无机富锌涂料以水为溶剂,与醇、甲苯类溶剂比较,其汽化潜热大,施工与固化受当时的温度、湿度影响较大。目前国内一些著名的水利水电设施上都已经使用水性无机富锌涂料,如葛洲坝水利枢纽,清江隔河岩水利枢纽的升船机和自备电厂,红水河天生桥水电站,黄河万家寨水利枢纽等。但是也有一些水利工程施工中不注重该涂料的特点要求,结果出现了一些问题。我们通过多年工程实践,分析这些工程施工中的现象,并做了很多不同条件的实验,总结出以下经验,供设计施工及监理人员参考。
　　1 钢结构的前处理
　　涂层防护效果与前处理质量的关系非常密切。水工金属结构表面处理多采用喷砂方式,喷砂后的金属构件须达到Sa2级。如喷河砂,一般不易达到Sa2级,且工件表面残存氧化铁皮不易去除,故最好采用喷棕刚玉、铜矿砂等。水工金属结构拼装施工多在野外，夜晚气温低、湿度比白天大,易产生露水,这样喷砂后构件马上会出现棕红色锈蚀点,致使涂料喷涂后涂层质量低劣,大大降低使用寿命。为获得高质量的涂层,喷砂应在晴朗白天进行施工。
　　2 涂装过程中的涂层开裂问题
　　在涂层干固过程中易产生收缩,使涂层内部收缩力超过涂层本身的表面张力,促使涂层开裂。其主要原因有: ① 涂料使用前搅拌不均匀; ②前道涂层干燥不彻底或涂层过厚; ③空气中有污气或空气压缩机排出气体含有油水分离物; ④恶劣环境下施工(尤其是温度、湿度变化较大) 均会导致涂层早期开裂。水性无机富锌涂料在施工中普遍存在涂层早期开裂现象。目前对水性无机富锌涂料的施工,多半采用压缩空气喷涂法,虽装有油水分离器,如果未能严格控制,仍会有少量残余油水排出混入涂料中,会严重地影响涂层的质量。如若采用高压无气喷涂,虽能避免上述现象,但也应采取必要的喷涂措施。如喷涂不同的几何形状(边角凸凹) 物面时应改用一些适应并能严格控制雾流大小不同的喷嘴,这样会大大改善喷涂质量,并可克服因施工不当所产生的涂层开裂缺陷。水性无机富锌涂料涂装施工时对施工环境要求十分严格,尤其是在野外恶劣环境中施工,温度、湿度变化大,加之在施工中常遇到露水、雾等。这不单单会影响涂层以致产生多孔、疏松、开裂等现象,甚至有时也会遇到雨天,雨水将未固化的涂层冲掉,这就需要施工管理人员掌握天气情况加以避免。温度和日照对涂层质量影响很大,开裂现象则是由于涂料喷到钢件上遇到强烈的日光照射后,涂层表面的水份快速蒸发而出现的。疏松多孔现象则是由于钢件本身太热,整个涂层中的水份迅速蒸发。疏松多孔的涂层粗略看起来没有问题,且具有一定硬度,但其孔隙率非常高,涂层形成时根本没有流平,造成涂层厚度实测时超出正常涂装下的1倍,导致涂层阴极保护性能急剧下降。这一点很容易被施工和监理人员忽略。因此涂装施工宜在室内进行,如在野外施工应尽可能避免高温强日照而导致钢件表面温度过高。
　　涂层开裂还可能因一次喷涂涂层过厚引起。钢构件中弯角处会因重复喷涂和流挂现象而容易出现局部涂层过厚,使涂层的两面和接合部表面张力处于不平衡状态,而引起接合部涂层开裂,这种现象在施工中经常出现。上海沪东造船厂在涂装美国IC - 531 水性无机富锌涂料时,施工人员先用刷子将所有边角部位涂刷一层,在以后的喷涂施工中不喷涂这些部位,这样就避免了由于局部涂层过厚而出现的开裂现象。此外还可先喷涂一面,涂层干燥后再喷涂另一面,也不会引起开裂。
　　总之,水性无机富锌涂料应在无雨、温度5 ℃以上、湿度85 %以下、无强日照且钢件不是过热的情况下施工,施工时对边角部位应特别注意,这样才能形成良好的涂层,达到预期的防腐蚀效果。
　　3 涂层的干燥与固化
　　对水性无机富锌涂料而言,涂刷后首先是让作为溶剂的去离子水挥发、干燥。干燥时间一般不超过2 d。水性无机富锌涂料的化学固化过程需要7～14 d(视气温而定,高温度、低湿度所需时间短) 。它的基料主要是硅酸钠和硅酸锂的混合物，颜料为325 目的锌粉，涂覆于钢铁表面后，须吸收空气中的二氧化碳来逐步完成固化过程。其固化机理为:
　　Li2SiO3 + CO2 →SiO2 + Li2CO3
　　Zn + Li2SiO3 + H2O + CO2 →ZnSiO3 + Li2CO3 + H2 ↑
　　Fe + Li2SiO3 + 2H2O →FeSiO3 + 2LiOH + H2 ↑
　　2LiOH + H2O + CO2 →Li2CO3 + 2H2O
　　由以上固化过程可知,水性无机富锌涂料固化后,在钢铁表面形成一种复合硅酸盐结构的薄膜,因而具有良好的耐水性和耐候性。同时由于在固化过程中生成碱式碳酸盐,所以涂层表面往往伴随有白色的盐析物出现,尤其在淋雨后,这种现象更为明显。在施工过程中,人们常常通过观察涂层表面的盐析现象来判断其固化情况。
　　水性无机富锌涂料在固化时,受空气温度和湿度的影响较大,一般要求温度在5 ℃以上,相对湿度在85 %以下。温度越低,相对湿度越大,其溶剂(水分) 挥发越慢,则固化越慢;反之则快。
　　水的汽化潜热高,会导致水性涂料较有机溶剂型涂料实干慢一些,而且施工大多在野外,经常会遇到淋雨的情况。对有机涂料来说,涂覆在钢铁表面后,溶剂能很快挥发,加之其憎水性,涂完后淋一点雨,影响不会很大,但对于水性无机富锌涂层来说情况则不同。由于它以水为溶剂,涂层是亲水的,其表面未固化到一定程度前就淋雨,将造成不同程度的粉化以至涂层被淋下来露出金属基体,导致前功尽弃。涂层水份挥发固化到一定阶段后可露天放置,不怕雨淋,但这时涂层并未完全固化,不可下水使用。
　　通过不同温度、湿度下的固化实验,得出了多种条件下涂层能够经受淋雨的时间关系表,供施工人员参考(见表1 、表2) 。
　　
　　注: 3 指温度在35 ℃以上。
　　
　　表1 、表2 所列情况只针对钢构件上的涂层可以淋雨而言,并不是说涂层完全固化,可以下水使用。一般来说, 温度在20 ℃以上,需固化5～7 d 才能下水使用;温度在12 ℃以下时,需固化10～15 d 才能下水使用。
　　4 配套面漆的选用
　　在水性无机富锌涂料上罩面漆时,必须注意配套性以免起泡或脱落: ①上罩面漆必须有耐碱性; ②富锌涂料必须充分固化后才可罩面漆; ③锌粉颗粒间不可残留溶剂; ④富锌涂层厚度宜在规定范围内。
　　对于水性无机富锌涂料上的罩面漆,一般可用磷化底漆作为过渡层,或采用环氧沥青、氯化橡胶类不含油脂的涂料等,可取得较好效果。
　　5 结语
　　目前,国内工程界对水性无机富锌涂料的防蚀性能及施工特点还了解不多,往往将它与有机溶剂型涂料同等对待使用,结果有些工程使用后效果不甚理想。本文主要在施工技术方面对它进行一些分析与探讨,希望工程人员在施工中能充分认识到水性无机富锌涂料与其它涂料的区别,以达到设计预期的使用效果。
　　
　　
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