張澤揮， 朱翃宇， 陶擁政， 巫亞明， 張永勝

(1.南京航空航天大學(xué)， 江蘇 南京 210016； 2.泰州市引江河河道工程管理處， 江蘇 泰州 225300；3.泰州市城區(qū)河道管理處， 江蘇 泰州 225300； 4.江蘇省交通工程集團有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

水利工程是關(guān)乎國計民生的大工程，國家始終高度關(guān)注水利工程的建設(shè)與發(fā)展。江蘇省水系豐富，具有發(fā)展水利工程的優(yōu)越條件。隨著近些年江蘇省水利事業(yè)的發(fā)展，修建了許多水閘以滿足城市用水、景觀建設(shè)及環(huán)境整治和灌溉的需要。鋼壩閘是一種特殊結(jié)構(gòu)的水閘形式，其設(shè)計使用壽命可達50年，其閘門門體、啟閉機等都是金屬結(jié)構(gòu)。由于鋼壩閘可以設(shè)計的比較寬，可以省去數(shù)孔閘墩，所以不但結(jié)構(gòu)簡單，還可以節(jié)省不少投資。因此，鋼壩閘在城市防洪、河道整治、景觀水利工程等領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。但是鋼壩閘的閘門門體、啟閉機等主要結(jié)構(gòu)都是水工金屬結(jié)構(gòu)，其所處的環(huán)境介質(zhì)及運行工況較為復(fù)雜，導(dǎo)致鋼壩閘在使用過程中容易受到環(huán)境因素的作用而發(fā)生腐蝕破壞，從而影響鋼壩閘的安全性和耐久性。因此，為了有效控制鋼壩閘的腐蝕，延長其使用壽命，鋼壩閘的長效防腐問題值得深入研究[1-2]。

水工金屬結(jié)構(gòu)的防腐蝕手段主要為防腐涂層防護、噴涂金屬與涂料聯(lián)合防護、陰極保護等，而防腐涂層是水工金屬結(jié)構(gòu)防護應(yīng)用最為廣泛，也是較為經(jīng)濟、簡便的技術(shù)手段。防腐涂層能與金屬基體緊密結(jié)合，防止腐蝕介質(zhì)與金屬基體接觸，延長水工金屬結(jié)構(gòu)的使用壽命[3-4]。但是在服役過程中，防腐涂層會受到紫外線、溫度、濕度、氯離子等環(huán)境因素的作用，涂層會通過不同降解形式發(fā)生老化降解，產(chǎn)生不同程度的缺陷，如失光、變色、開裂、起泡、剝落等，降低防腐涂層的耐久性，最終導(dǎo)致水工金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕和破壞[5]。目前國內(nèi)外已有一些學(xué)者通過自然暴曬試驗和人工加速老化試驗等方法對防腐涂層的耐久性進行研究。許旭東等[6]分析和探討了防腐材料、表面預(yù)處理、施工工藝、涂層厚度等對水工金屬結(jié)構(gòu)防腐涂層附著力的影響,提出提高涂層附著力的有效方法；王連盛等[7]測試了4種不同防腐涂料的耐人工老化性能，通過中性鹽霧試驗測試了每種防腐涂料老化前后及人為劃痕破壞處理后的耐腐蝕性能；張三平等[8]通過室內(nèi)加速腐蝕試驗，發(fā)現(xiàn)對于不同涂層室內(nèi)加速腐蝕的破壞形式和程度與戶外暴露結(jié)果有差異；Hirohata等[9]模擬海水環(huán)境自行設(shè)計了加速腐蝕試驗系統(tǒng)，對環(huán)氧涂層、聚氨酯涂層和焦油聚氨酯涂層進行加速腐蝕試驗。目前防腐涂層的耐久性研究仍然存在著一些問題：自然暴曬試驗的試驗周期長；人工加速老化試驗考慮的環(huán)境因素有限，與實際工況有差距；防腐涂層壽命預(yù)測難度較大；防腐涂層的維修設(shè)計理論研究較少。

研究鋼壩閘防腐涂層的耐久性，對避免防腐涂層失效導(dǎo)致的鋼壩閘安全性及耐久性的降低具有重要的工程應(yīng)用價值。本文針對泰州老通揚河鋼壩閘防腐涂層進行耐久性試驗研究，分析涂層的光澤度、色差、厚度、生銹面積4個指標(biāo)的變化，并對防腐涂層的耐久性進行分析，為老通揚運河鋼壩閘防腐涂層的維修決策提供依據(jù)。

1 試 驗

1.1 工程背景

本文研究的工程背景是江蘇省泰州市老通揚運河鋼壩閘，位于S231省道道路橋梁西側(cè)與老通揚運河交匯處，閘寬35m，底高程0.0 m，可調(diào)節(jié)擋水高程最高至5.0 m，于2011年5月完工驗收。老通揚運河鋼壩閘設(shè)底軸驅(qū)動式翻板閘門1扇，孔口尺寸:28 m×5 m ，底軸外徑1 500 mm；配套2×2 000 kN/2×500 kN-4.65 m液壓啟閉機1套，沖於系統(tǒng)1套，工程擋水高程最高均達5 m。鋼壩閘的金屬結(jié)構(gòu)總重約379 t，采用防腐涂層防腐輔之以陰極保護系統(tǒng)。通過實地考察，老通揚河為淡水河，由此分析得出影響防腐涂層防護性能的主要環(huán)境因素為：紫外線、溫度、濕度、雨淋、干濕交替。

1.2 試驗材料

本文所用的試驗材料環(huán)氧涂層，是一種雙組份、低表面處理、耐磨、高固體含量，并采用聚氨固化的改性環(huán)氧厚漿漆，可達到很高的涂層厚度，特別適用于不易噴砂處理的表面，或經(jīng)高壓水噴射處理后表面依然潮濕的部位。環(huán)氧涂層的參數(shù)如表1所示。試驗所用的鋼材型號為Q235，彈性模量為200 GPa，鋼板尺寸為140 mm×70 mm×4.5 mm，鋼板的屈服強度為325 MPa，抗拉強度為492 MPa，伸長率為36%。涂覆涂料前，按照國標(biāo)GB/T 8923—2011《涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評定》中關(guān)于涂覆涂料前鋼材的表面粗糙度等級相關(guān)規(guī)定，對鋼板進行機械打磨處理至St 2，然后用金屬清洗劑進行除油，無水乙醇除水，待鋼板風(fēng)干后。置于室內(nèi)干燥箱體內(nèi)備用。按標(biāo)準(zhǔn)方法共制備3個涂層試件，編號分別為D01、D02、D03。

表1 環(huán)氧涂層參數(shù)

1.3 試驗方法

鋼壩閘防腐涂層的人工加速老化試驗在YSZW-P型紫外線加速老化箱中進行，將制備好的涂層試件放置于紫外線加速老化箱和自制的浸潤箱，紫外線加速老化箱可模擬紫外線、溫度、濕度、雨淋以及干濕交替等環(huán)境因素，同時能夠在不改變涂層失效機理的前提下達到加速老化的效果。一個加速試驗周期為7 d，其中前4 d放置于紫外線老化箱進行紫外線加速老化試驗，后3 d放置于淡水全浸箱中進行浸泡試驗，淡水溶液為常溫自來水，每周更換1次溶液。人工加速老化試驗程序如圖1所示。

采用3nh型60°鏡面光澤度儀測量涂層的光澤度變化，測量前在標(biāo)準(zhǔn)鏡面上進行儀器校準(zhǔn)，每個試件測量5個點，然后計算測量平均值得到涂層試件的光澤度。采用CT-220型涂層測厚儀測量涂層在老化過程中的厚度變化，測量前在標(biāo)準(zhǔn)金屬塊進行儀器校準(zhǔn)，確認(rèn)測量精度滿足要求，每個涂層試件測量5個點，并取5次測量值的算術(shù)平均值為試件的涂層厚度。采用相機采集涂層表面照片，通過Matlab2014 Ra色差程序計算涂層試件的色差變化。通過放大鏡目視觀察和圖像處理手段計算涂層的生銹面積率變化。不定期測量防腐涂層表面的光澤度、色差、涂層厚度、生銹面積等指標(biāo)的變化，分別繪制指標(biāo)變化曲線，分析防腐涂層的耐久性。

圖1 人工加速老化試驗程序

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 光澤度

涂層光澤度的變化能很好的表征老化初期階段防腐涂層所發(fā)生的變化。圖2為環(huán)氧涂層試件在加速老化試驗條件下的光澤度變化曲線，試件編號分別為D01、D02、D03。從圖2可以看出，在整個老化期間，涂層的光澤度整體是呈下降趨勢。在0～300 h之間時，光澤度急速下降，失光率接近80%，這是因為涂層受到紫外線輻照的作用，涂層樹脂發(fā)生分解，涂層中的顏料粒子在表面堆積，使涂層變得粗糙，造成涂層光澤度的快速下降；而在300～600 h之間時，涂層的光澤度開始緩慢上升，這是因為受溫度的影響，光澤度有個緩慢恢復(fù)的過程；在600～600 h之間時，涂層的光澤度緩慢下降，直至涂層完全失光。

通過分析涂層的光澤度變化曲線，可以得到如下結(jié)論：(1)隨著試驗時間的增加，環(huán)氧涂層的光澤度整體呈下降趨勢，前期下降快，后期下降緩慢；(2)溫度對涂層光澤度的變化有一定的影響。

圖2 光澤度變化曲線

2.2 色差

涂層的色差同樣是表征涂層老化前期變化規(guī)律的重要指標(biāo)，崔曉飛等[10]通過失光率、色差等指標(biāo)研究聚氨酯涂層的老化規(guī)律。隨著Matlab等軟件的廣泛應(yīng)用，測量色差既可以通過色差儀測量也可以通過編程色差程序計算涂層的色差變化，Sharma等[11]通過自行編程的CIEDE2000色差程序計算涂層的色差。本文通過Matlab色差程序計算環(huán)氧涂層的色差值變化，圖3為涂層色差值變化曲線。從圖3中可以看出，在老化前期，涂層試件的色差值呈迅速增加趨勢，這是因為涂層老化的化學(xué)變化，涂層內(nèi)部大分子官能團結(jié)構(gòu)因受到紫外線的破壞，導(dǎo)致光降解作用發(fā)生，涂層中顏料流失，涂層表面變的粗糙，同時有粉化現(xiàn)象，使涂層顏色發(fā)生變化。在老化中期，涂層試件的色差值呈緩慢下降趨勢。在老化后期，涂層試件的色差值變化趨于穩(wěn)定，此時雖然涂層的色差值較小，但是涂層的表面顏色變得十分暗淡，幾乎褪色，這是因為發(fā)生化學(xué)變化后的物理變化，涂層表面變粗糙后，隨著噴淋的進行涂層表面被沖刷，顏色粒子隨沖刷進一步流失，同時有水分滲入涂層，引起表面涂層與中間層的附著力下降，涂層發(fā)生銹蝕并且?guī)缀跬噬?。圖4為涂層顏色變化對比，分別展示了0 h、600 h、1800 h的涂層顏色，可以看出環(huán)氧涂層的顏色在老化前中期變化較為明顯，在老化后期，環(huán)氧涂層的顏色與老化前相對比，顯得更加暗淡，幾乎褪去原先的灰色，這與圖3的色差值變化曲線相一致。

圖3 色差變化曲線

圖4 涂層顏色變化對比

2.3 厚 度

本文對環(huán)氧涂層在老化期間涂層厚度的變化規(guī)律進行了研究，涂層厚度變化規(guī)律通過涂層厚度變化量ΔC來表征，計算公式如式(1)所示：

ΔC=C0-C

(1)

式中，ΔC為涂層厚度變化量；C為老化后涂層厚度測量值；C0為老化前涂層厚度測量值。

圖5為環(huán)氧涂層在人工加速老化試驗條件下的涂層厚度變化曲線，其中橫軸為時間t，縱軸為涂層厚度減少量ΔC。從圖5中可以看出，在整個加速老化試驗期間，涂層厚度減少量呈緩慢上升趨勢即涂層厚度緩慢地降低，對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，具有較好地相關(guān)性，擬合公式如式(2)所示。涂層厚度呈線性下降，這是因為在加速老化試驗期間，涂層在紫外線的作用下，涂層內(nèi)部的樹脂等高分子結(jié)構(gòu)發(fā)生老化降解，在涂層表面發(fā)生粉化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致涂層厚度逐步減少。根據(jù)Fick的擴散定律，水和氧氣等腐蝕介質(zhì)在涂層中的傳輸符合Fick擴散定律，而且在鋼板表面用涂層進行防護，就會在鋼板表面形成一層涂膜，這層涂膜能夠阻擋腐蝕介質(zhì)與鋼材基體接觸[12-13]。不少科技工作者依據(jù)這一理論，認(rèn)為增加涂膜厚度就可以增加涂層對鋼材的防護作用，從而延長涂層的壽命。本文經(jīng)過3 600 h的加速老化試驗，涂層厚度總共下降 32 μm，因此從涂層厚度來考慮，環(huán)氧涂層對金屬基體的防護性能較好，且在實際工程中鋼閘門表面噴涂涂層的厚度應(yīng)當(dāng)有一定的保證，這樣涂層才能起到應(yīng)有的防護作用。

ΔC=11.07+0.006tR2=0.84

(2)

式中，ΔC為涂層厚度變化量；t為時間；R2為相關(guān)性系數(shù)。

圖5 涂層厚度變化曲線

2.4 生銹面積

生銹面積是評價涂層耐久性的一項非常重要的指標(biāo)，國內(nèi)外許多學(xué)者將5%生銹面積作為防腐涂層的失效標(biāo)志。圖6為環(huán)氧涂層在加速老化試驗條件下的生銹面積變化曲線。從圖6中可以看出，在0～500 h之間，涂層表面沒有出現(xiàn)生銹，從1 500 h左右開始，涂層表面逐漸出現(xiàn)可見的深褐色銹點。在1 500～3 600 h之間，涂層的生銹面積逐漸上升，并在試驗結(jié)束時涂層表面有較多的銹點，生銹面積接近1.5%，發(fā)生了較為明顯的腐蝕。涂層發(fā)生銹蝕的原因主要有以下幾點：(1)在涂層老化的前期，涂層表面主要出現(xiàn)失光、變色、粉化等現(xiàn)象，水、氧氣并沒有能夠滲透涂層腐蝕金屬基體；(2)當(dāng)涂層老化到一定程度，樹脂等高分子結(jié)構(gòu)的降解導(dǎo)致涂層的空隙變大，水、氧氣等更容易滲透進涂層內(nèi)部而接觸到金屬基體，發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)使金屬基體腐蝕產(chǎn)生深褐色的腐蝕產(chǎn)物，此時在涂層表面可以觀察到明顯的生銹現(xiàn)象，并且生銹面積隨著時間的增加而增加。對生銹面積變化曲線進行非線性擬合，與公式(3)有著高度的相關(guān)性，擬合參數(shù)統(tǒng)計見表2。

S=atb

(3)

式中，S為涂層的生銹面積率；t為試驗時間；a和b為常數(shù)。

圖6 生銹面積變化曲線

表2 擬合參數(shù)統(tǒng)計

3 鋼壩閘防腐涂層耐久性分析

從本文的人工加速老化試驗結(jié)果來看，環(huán)氧涂層在老化初期，涂層表面只出現(xiàn)失光、變色等缺陷，并未出現(xiàn)銹點，而環(huán)氧涂層在老化中后期，涂層表面開始出現(xiàn)銹點，并且生銹面積率不斷增加，在整個老化期間，涂層的厚度呈下降趨勢。日本防腐蝕專家山本隆將涂層的失效標(biāo)志定義為5%生銹面積率，因此本文將環(huán)氧涂層的失效標(biāo)志假定為5%生銹面積率。根據(jù)公式(3)可推導(dǎo)得到防腐涂層壽命經(jīng)驗公式(4)。根據(jù)5%生銹面積率和表2中的擬合參數(shù)值，代入公式(4)可計算得到環(huán)氧涂層在人工加速老化環(huán)境下的壽命為5 227 h(0.6年)。鋼壩閘防腐涂層在實際工況中的預(yù)期壽命需在人工加速老化環(huán)境下的壽命前乘以一個加速倍數(shù)，此加速倍數(shù)根據(jù)國家材料環(huán)境腐蝕平臺的數(shù)據(jù)獲得，經(jīng)過計算加速倍數(shù)為17.3～34.6。因此，老通揚運河鋼壩閘防腐涂層的預(yù)期壽命為10.38～20.76年，此預(yù)期壽命為制定泰州老通揚運河鋼壩閘防腐涂層的維修決策提供理論依據(jù)。

(4)

4 結(jié) 論

通過對老通揚運河鋼壩閘防腐涂層耐久性的試驗研究，可以獲得如下結(jié)論：

(1)隨著試驗時間的增加，環(huán)氧涂層的光澤度整體呈下降趨勢，前期下降快，后期下降緩慢，溫度對光澤度的變化有一定的影響。

(2)在老化前期，涂層試件的色差值呈迅速增加趨勢，在老化中期，涂層試件的色差值呈緩慢下降趨勢。在老化后期，涂層試件的色差值變化趨于穩(wěn)定，此時雖然涂層的色差值較小，但是涂層的表面顏色變得十分暗淡，幾乎褪色。

(3) 涂層的厚度隨著試驗時間呈線性下降，3 600 h的加速老化試驗使涂層厚度失去32 μm。

(4)涂層在老化前期未出現(xiàn)生銹，中后期涂層的生銹面積率隨著試驗時間呈不斷上升趨勢。

(5)根據(jù)試驗結(jié)果和壽命經(jīng)驗公式計算得到老通揚運河鋼壩閘防腐涂層的預(yù)期壽命為10.38～20.76年，為制定泰州老通揚運河鋼壩閘防腐涂層的維修決策提供理論依據(jù)。