桥梁涂料： 保护我们的基础设施

桥梁对社会至关重要，它使得人和货物方便地跨越河道、峡谷和高速公路等物理障碍，是社会和经济健康所必需的。

鉴于桥梁的重要性，在建造新桥时，保持现有桥梁的安全和工作状态，并保护它们免受过度使用、天气和腐蚀造成的退化，是最符合社会利益的做法。然而，问题来了，桥梁的建造和维护费用非常昂贵。

 

涂料在保护桥梁免受风雨侵蚀和腐蚀方面无疑发挥着重要作用，有效的涂料系统可以延长桥梁的使用寿命，延长维护周期之间的间隔时间。

 

桥梁涂装

在桥梁上使用涂料是为了提高其美观度，但保护才是其最重要的功能。桥梁通常由钢筋混凝土（约占 75%）和钢材（约占 25%）建造而成。因此涂装的基材主要是这两种。

当水和可溶性盐渗入混凝土并导致钢筋腐蚀时，混凝土就会出现问题。随着钢筋的腐蚀，腐蚀产物的膨胀会导致混凝土出现裂缝。使用粉末涂层钢筋有助于缓解这一问题，有时也会在混凝土上涂抹硅烷密封剂和防水剂，以防止水/盐渗透。另外，环氧树脂、丙烯酸和聚氨酯等着色涂料也可用于混凝土桥梁，以达到美观和隔离保护的目的。不过，混凝土桥梁大多没有涂层。

另一方面，钢桥几乎都需要涂漆，来保护钢材免受腐蚀。一些由特定合金钢（即耐候钢）建造的桥梁可以不涂漆，因为合金钢在风化过程中会形成铜锈或保护层。但在大多数情况下，如果不喷漆，钢材会迅速腐蚀。如果存在可溶性盐，如道路除冰盐，则会加速腐蚀。

由于小气候的原因，桥梁的某些区域更容易受到腐蚀。位于漏水桥面接缝处的钢材处于强腐蚀环境中。溅水区更容易有水和盐溅到钢材表面，既存在于桥面表面之上，有时也存在于另一条道路通过的桥下。任何可能积水/盐并长时间保持潮湿的区域，如工字钢的底部翼缘，也会产生侵蚀性小气候。

 

钢桥涂料历史

在历史上，直到20世纪70年代中后期，许多钢桥都是直接在轧制鳞片上涂刷多层含有铬酸盐和红铅等有毒缓蚀颜料的醇酸树脂涂料。轧制鳞片是热轧钢材在轧制过程中形成的一层薄薄的铁氧化物。它附着在钢表面，只要没有破损，就能保护钢的底层。但是，由于轧制鳞片对钢材具有电化学阴极性，因此轧制鳞片的任何破损都会导致底层钢材的腐蚀。红铅醇酸树脂涂料曾经很有效，但由于有毒的铅和铬酸盐颜料受到管制，以及人们认识到表面处理的好处（即通过喷砂去除轧制鳞片），这种涂料最终被取代。

20世纪80年代，由富锌底漆和溶剂型乙烯基面漆组成的涂料系统取代了红铅醇酸树脂。然而，由于乙烯基面漆的挥发性有机化合物含量极高，最终被其他面漆所取代。

 

图1. 新桥横跨密西西比河，承载着伊利诺伊州贝滕多夫和伊利诺伊州莫林之间的 I-74。大桥于 2021 年通车，所有钢质外表面均采用三层涂层系统，即富锌底漆、环氧中层漆和氟聚氨酯面漆。照片由 AGC Chemicals Americas 提供。

图2. Tokiwa 大桥位于日本广岛附近的山区，1986 年采用了三层涂料系统。该涂料系统使用富锌底漆、环氧中涂和氟聚氨酯面漆，30 多年来一直表现良好。照片由 AGC Chemicals Americas 提供。

 

现代钢桥涂料

如今，桥梁行业使用多种类型的涂料系统，但最常见的是由富锌底漆、环氧中间漆和脂肪族聚氨酯面漆组成的三层涂料系统。

工艺的选择对喷漆工艺的总体成本有很大影响。油漆材料的成本通常只占项目总成本的一小部分，主要来自人工和表面处理类型。如果需要清除旧的含铅涂料，那么除铅工艺的健康和安全要求将进一步增加成本。

对于新造桥体的喷涂，通常是在车间对结构钢进行喷漆，因为车间的表面处理和喷漆过程最容易控制。在车间进行喷砂处理后，通常至少要涂刷一层富锌底漆。有时，包括中间涂层和面漆在内的全套涂层系统也会在车间内涂刷，或者在钢结构安装完毕后在现场涂刷剩余的涂层。

对于维护喷涂，有几种可能的情况。当出现较小面积的锈蚀或油漆失效时，可进行点修和修补，这些区域可通过各种表面处理方法进行处理并喷涂。区域喷涂用于清除和更换特定区域或区域的涂层，例如飞溅区内的钢材或距离伸缩缝一定距离内的钢材。当原油漆系统仍处于相对较好的状态且附着力良好时，可使用点修补和罩面油漆。在清除部分失效涂层和锈迹后，进行点涂底漆，然后涂上一层完整的面漆。最后，在原有涂层状况不佳的情况下，可将旧涂层全部清除，更换为新的多层涂层系统。

虽然按面积计算，全面拆除和更换的成本比点状维修和分区涂装要低，但由于需要准备和涂装的表面积较大，因此全面拆除和更换通常是最昂贵的维修涂装方案。与全部拆除/更换相比，罩面油漆的成本较低，因为表面处理的工作量较小。定点维修和分区喷漆的每平方英尺成本最高，但由于维修的面积较小，总体成本最低。

涂层系统的最终选择取决于各种因素，如涂装方案（如新建筑、全部拆除或更换、或局部拆除或过度涂装）、预期耐久性以及即时和/或生命周期成本。

对于新造桥体，通常在车间环境中使用无机或有机（如环氧树脂或湿气固化聚氨酯）富锌底漆。对于现场应用系统，则使用有机富锌底漆。使用人工富锌底漆是因为它们是防止经过适当处理（喷砂）的清洁钢材腐蚀的最有效底漆。有几种类型的两层和三层涂层系统可用于新建筑和旧涂层的全面清除/更换。如前所述，最常见的是三层涂层系统，在富锌底漆上使用双组分环氧中间涂层和双组分脂肪族聚氨酯面漆。富锌底漆具有耐腐蚀性，环氧中间涂层可保护底漆，并通过其出色的阻隔性能增加耐腐蚀性，而聚氨酯面漆则可提供具有出色光泽和保色性的高耐久性饰面。

目前的趋势是使用具有出色光泽和保色性的超耐久面漆，其中一种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）。图1显示了最近使用这种系统涂层的一座桥梁的实例。该桥横跨密西西比河，承载着爱荷华州和伊利诺伊州之间的I-74，于2021年12月通车。在这个耗资10亿美元的项目中，保护钢材的系统是由富锌底漆、环氧中涂和氟聚氨酯面漆组成的三层涂层系统。

基于含氟聚合物的类似涂层系统已在世界其他地方，特别是日本使用多年。图2显示了日本广岛附近的一座桥梁的实例，该桥梁在1986年使用了基于FEVE的含氟聚氨酯面漆的三层涂层系统。

 

图3. 常盘桥钢制楣梁在不同曝光时间拍摄的照片，显示出氟乙烷面漆极佳的光泽保持性。2016 年拍摄的照片代表了 30 年的暴露时间。照片由 AGC Chemicals Americas 提供。

表1. 日本广岛附近 Tokiwa 桥 30 年间氟乙烷面漆的光泽度和光泽保持率数据

表1显示了Tokiwa大桥三十年来的一些光泽度和光泽保持率读数，说明这些系统具有极佳的光泽保持率。在擦拭去除油漆表面的污垢后，发现60°的光泽保持率在30年后达到97%。图3中的照片显示了面向外部的楣梁上观察到的极佳光泽度，预计在30年的暴露期中，楣梁受到的阳光和天气照射最多。

另一种趋势是使用双涂层系统，实际上是用单层面漆取代环氧中层漆和聚氨酯面漆。使用涂层较少的桥梁涂层系统具有劳动力成本低、恢复服务快（如减少交通线的停机时间）的优势。聚硅氧烷可直接在两层涂料系统中的富锌底漆上使用，也可提供出色的耐久性。

氟聚氨酯和聚硅氧烷是当今最抗紫外线、最耐用的面漆之一，两者都具有出色的光泽度和保色性。聚硅氧烷还可用于耐久性要求较高的其他细分市场，如船舶涂料。

 

图4. 氨基功能聚天冬氨酸树脂的分子结构 可与多异氰酸酯交联的胺功能聚天冬氨酸树脂的分子结构（X = 脂肪族或环脂族桥基，R = 烷基）。

聚天冬氨酸面漆基于与脂肪族多异氰酸酯交联的胺功能天冬氨酸酯树脂（如图4），也可用于双涂层桥梁涂料体系中。与聚氨酯相比，聚天冬氨酸涂料的干燥时间更快，固化寿命更长，涂膜厚度更高，并具有同等的光泽和保色性。较厚的涂膜有利于在不牺牲耐腐蚀性的情况下改用双涂层体系。

 

图5. 密苏里州圣路易斯市郊外马里兰高地多塞特路的 I-270 号公路桥照片。钢结构采用新的专有双涂层系统喷漆。照片由 Carboline 提供。

有关双涂层桥梁涂料系统的工作仍在继续。图5显示的是密苏里州的一座公路桥，该桥最近采用了基于 Carboline 新技术的专有双涂层体系。

水性丙烯酸面漆在富锌底漆的两层和三层体系中也有一定的应用，可用于完全清除/更换的情况，也可用于多层涂层的情况。丙烯酸具有良好的外部耐久性、低挥发性有机化合物（VOC）的优点，而且测试表明它们在桥梁典型的侵蚀性环境中表现良好。

随着相关法规推动最终用户使用低挥发性有机化合物涂料，他们有多种选择来摒弃高挥发性有机化合物溶剂型涂料，包括用挥发性有机化合物豁免溶剂替代传统溶剂，以及使用高固体份溶剂型涂料或水性涂料。加利福尼亚州和北卡罗来纳州等一些州的规范允许在钢桥上使用水性丙烯酸涂料。加利福尼亚州最近率先使用了几种基于丙烯酸/FEVE 混合物的水性涂料，作为耐久性更高的水性选择。

 

结论

建造新桥和更换不安全或陈旧的桥梁耗资巨大，因此保护和维护现有桥梁以防老化就显得异常重要。涂料在保护桥梁等重要基础设施方面发挥着关键作用。经过几十年的发展，桥梁涂料已经变得更加安全和有效。如今，最常见的是基于富锌底漆、环氧中间涂层和聚氨酯面漆的三层涂料系统。不过，还有许多其他系统也在使用，包括使用更耐用的面漆（如含氟聚氨酯和聚硅氧烷）、环保型水性涂料以及涂料层数更少的系统。桥梁和其他基础设施所面临的挑战很多，也很艰巨，但毫无疑问，未来的涂料创新将是解决方案的一部分。

来源：Paintology Coatings Research LLC
编译整理：冯颖

 

来源：荣格-《涂料与油墨—中国版》

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