杭州灣跨海大橋海中承臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)表面涂層質(zhì)量控制

摘 要:本文根據(jù)杭州灣跨海大橋腐蝕環(huán)境特點(diǎn)、涂層體系設(shè)計(jì)和涂層性能要求,系統(tǒng)地介紹了涂料產(chǎn)品質(zhì)量控制、施工質(zhì)量控制和涂層質(zhì)量檢驗(yàn)。

關(guān)鍵詞:杭州灣跨海大橋承臺(tái)涂層質(zhì)量控制

中圖分類號(hào):TE986  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A  文章編號(hào):1008-7818(2008)01-0021-04

0 前言

  杭州灣跨海大橋(以下簡(jiǎn)稱大橋)全長(zhǎng)36公里,其中跨越海域約32公里。大橋主體結(jié)構(gòu)除南、北航道的鋼箱梁外,其余均為混凝土結(jié)構(gòu),混凝土用量近250 萬立方米。而杭州灣為世界三大強(qiáng)潮海灣之一,在自然條件方面,受風(fēng)、流、潮、氣的影響比較大,腐蝕環(huán)境比較惡劣[1]。特別是處于潮差區(qū)和浪濺區(qū)的大橋承臺(tái),由于氯離子侵蝕嚴(yán)重,且海水富含氧氣,腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重,因此采取防腐措施顯得尤為重要。涂層防護(hù)是一種保護(hù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)較為方便和實(shí)用的方法,涂層的致密性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土結(jié)構(gòu),相當(dāng)于大大增加了鋼筋混凝土層的厚度,從而有效地阻止氯離子、氧氣、二氧化碳和海水等腐蝕介質(zhì)浸入。

  為了確保大橋的涂裝質(zhì)量,指揮部在選擇涂料供應(yīng)商和考察涂裝效果時(shí),在潮差區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)涂裝試驗(yàn)。有10 多家單位參加了試驗(yàn),但現(xiàn)場(chǎng)涂裝效果總體不夠理想,僅少數(shù)試驗(yàn)性能達(dá)到要求,大多數(shù)試驗(yàn)片效果不好,有的試驗(yàn)片涂裝不久后涂層就出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。我單位的現(xiàn)場(chǎng)涂裝效果比較理想,試驗(yàn)室檢測(cè)性能優(yōu)異,被選中為大橋涂Ⅰ、涂Ⅱ標(biāo)段提供涂料,并且實(shí)際涂裝效果很好。

  眾所周知,提供性能優(yōu)異的涂料和嚴(yán)格的施工工藝過程是確保涂裝質(zhì)量的兩大關(guān)鍵因素。而大橋海中承臺(tái)的表濕區(qū)涂裝條件更為苛刻,可涂裝時(shí)間短、表面含水率高、涂層不能在大氣中徹底固化、施工環(huán)境惡劣等等因素影響著涂裝效果。因此,系統(tǒng)地介紹大橋海中承臺(tái)表面涂層質(zhì)量控制對(duì)確保潮差區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)涂裝質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 腐蝕環(huán)境特點(diǎn)和涂層體系設(shè)計(jì)

1.1 腐蝕環(huán)境特點(diǎn)

  杭州灣腐蝕環(huán)境屬于海洋腐蝕環(huán)境,氯離子滲透危害嚴(yán)重,夏季氯離子含量為5602~5864mg/L,冬季氯離子含量約為8220mg/L,而且海水溶解氧濃度約為6.21~8.89mg/L,屬于富氧環(huán)境[1]。海水中氯離子含量較大,當(dāng)含氯離子的溶液侵入砼中時(shí),通常生成Friedel 鹽C3A·CaCl2·H10,F(xiàn)riedel 鹽會(huì)產(chǎn)生破壞性膨脹。在氯鹽的作用下,水泥砼中不穩(wěn)定產(chǎn)物可生成水化氯鋁酸鈣,固相體積可增大2 倍多[2]。同時(shí),當(dāng)氯離子滲透到鋼筋表面時(shí),鋼筋表面局部的保護(hù)膜被破壞,使其成為活化態(tài)。

  在氧和水充足的條件下,活化的鋼筋表面形成小陽(yáng)極,未活化的鋼筋表面成為陰極,發(fā)生電化學(xué)腐蝕從而使陽(yáng)極金屬鐵被溶解,形成腐蝕坑。腐蝕過程主要涉及下列化學(xué)反應(yīng)式:

Fe2++2Cl-+2H2O = Fe(OH)2+2HCl

4Fe(OH)2+O2+2H2O = 4Fe(OH)3(鐵銹)

  Fe(OH)3若繼續(xù)失水就形成水化氧化物FeOH(即為紅銹),一部分氧化不完全的就變成Fe3O4(即為黑銹),在鋼筋表面形成銹層。由于鐵銹層呈多孔狀,即使銹層較厚,其阻擋進(jìn)一步腐蝕的效果也不明顯,因而腐蝕將不斷向內(nèi)部發(fā)展。因此,抗氯離子滲透性是衡量涂層性能的重要指標(biāo)。

  杭州灣為世界三大強(qiáng)潮海灣之一。在自然條件方面,受臺(tái)風(fēng)、熱帶風(fēng)暴影響較大;平均水流速2.39m/s,實(shí)測(cè)最大流速5 m/s 以上,粉砂含量高,最高含沙量為9.605 kg/m3,平均含沙量1.249 kg/m3,潮流紊亂,沖刷嚴(yán)重 [1]。因此,涂層的附著力和耐磨性也是衡量涂層性能的重要指標(biāo)。

1.2 涂層體系設(shè)計(jì)

  根據(jù)杭州灣跨海大橋的設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境狀況以及《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ 275-2000)中的設(shè)計(jì)涂層系統(tǒng)要求,《杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)表面防腐涂裝工程涂料采購(gòu)(供應(yīng)商)》招標(biāo)文件上明確了表濕區(qū)混凝土表面涂層配套體系[3,4(] 見表1)。

  注:底層干膜平均厚度不大于50μm,底層和中間層干膜總平均厚度為310μm。

1.3 涂層性能要求

  根據(jù)《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ275-2000)對(duì)涂層性能基本要求,《杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)表面防腐涂裝工程涂料采購(gòu)(供應(yīng)商)》招標(biāo)文件上明確了表濕區(qū)混凝土表面涂層性能要求(見表2)。

  注:1. 涂層性能試驗(yàn)按涂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)的底層+中間層+面層復(fù)合涂層組成。

  2. 涂層的耐老化性系采用涂裝過的尺寸為70mm×70mm × 20mm 的砂漿試件,按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《色漆和清漆—人工氣候老化和人工輻射暴露(濾過的氙弧輻射)》(GB/T 1865-1997)測(cè)定。

  3. 涂層的耐堿性、涂層抗氯離子滲透性、涂層與混凝土表面的粘結(jié)強(qiáng)度,按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTJ275-2000)附錄C 的混凝土涂層試驗(yàn)方法測(cè)定。

2 涂料產(chǎn)品質(zhì)量控制

  大橋承臺(tái)處于潮差區(qū),混凝土表面常處于潮濕狀態(tài),混凝土露出水面可涂裝的時(shí)間短,因此,要求采用的涂料應(yīng)具有濕固化、快固結(jié)和附著力強(qiáng)的性能。 同時(shí),所選用的配套涂料之間應(yīng)有良好的相容性。因此,選擇性能滿足要求的涂料是整個(gè)涂裝工程的基礎(chǔ),是防腐涂裝成敗的關(guān)鍵因素,涂料選擇應(yīng)滿足以下主要要求:

  (1)封閉底漆應(yīng)具有對(duì)潮濕混凝土基面良好的潤(rùn)濕鋪展性,保證封閉涂料的高滲透性,從而增強(qiáng)混凝土表面的強(qiáng)度,提高涂層附著力,使其具有足夠的能力抵抗來自背面的水壓,以防止涂膜起泡和脫落。

 ?。?)所選涂料要有一定的固化速度,以便在潮差期內(nèi)獲得一定的漆膜強(qiáng)度,抵抗潮水的沖刷,并且漆膜在水下固化性能基本上不受影響。

  (3)涂層面漆應(yīng)有較高的耐候性,在有效保護(hù)期內(nèi),面漆的粉化減薄速度較小;面漆還應(yīng)具有較高的耐磨性,以抵抗含砂海水的沖刷。

  (4)涂層體系應(yīng)具有優(yōu)異的屏蔽效果,可以有效地抵抗氯離子、氧氣、二氧化碳等腐蝕介質(zhì)的滲透。

 ?。?)涂層體系應(yīng)具有優(yōu)異的附著力、韌性和抗沖擊性能,從而有效地抵抗背水壓以避免起泡,并能有效地抵抗混凝土的伸縮性。

  根據(jù)上述要求,我公司選用881-S01濕固化環(huán)氧封閉漆、881-S02濕固化厚漿型環(huán)氧涂料、881-Y01丙烯酸聚氨酯面漆組成了表濕區(qū)的涂層配套體系,涂層體系性能數(shù)據(jù)見國(guó)家涂料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出具的檢驗(yàn)報(bào)告(見表3)[5]。

  從表3可以看出,抗氯離子滲透性的檢驗(yàn)結(jié)果比技術(shù)指標(biāo)小約200 多倍,說明涂層體系抗?jié)B透性非常好,從而能有效地阻止氯離子、氧氣、二氧化碳和海水等腐蝕介質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕。粘結(jié)強(qiáng)度的檢驗(yàn)結(jié)果比技術(shù)指標(biāo)大2 倍多,耐磨性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于技術(shù)指標(biāo),說明涂層體系能更好地抵抗含沙量高的海水沖刷。同時(shí),從人工氣候老化檢驗(yàn)結(jié)果可以看出,涂層體系耐老化性能優(yōu)異。因此,從上述數(shù)據(jù)可以看出我單位選擇的涂層體系完全能滿足大橋涂裝的特殊要求。

3 施工質(zhì)量控制

3.1 施工工藝流程。

  施工工藝流程圖見圖1。

3.2 涂裝工藝關(guān)鍵控制因素

  為達(dá)到優(yōu)質(zhì)的涂裝工程,僅依靠?jī)?yōu)質(zhì)的材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,涂裝工藝過程控制起著更加重要的作用, 因此涂裝工藝關(guān)鍵控制因素如下:

 ?。?)采用高壓淡水(壓力不小于20MPa)清潔待涂混凝土表面,徹底除去混凝土表面上的不牢灰漿、尖角、碎屑、海生物、苔蘚、油污等污染物及其它松散附著物。對(duì)施工接縫處和表面的一些蜂窩進(jìn)行涂裝前的預(yù)處理。在施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)這些部位不斷有水滲出,這些明水的存在對(duì)涂層防護(hù)是非常不利的,也是造成涂層起泡、脫落的主要因素。

 ?。?)采用外加熱源或壓縮空氣除去殘留在混凝土表面上的水珠、水跡,必要時(shí)可用棉布、海綿等吸濕工具抹去,涂裝前的混凝土表面應(yīng)無流水、滲水現(xiàn)象,盡可能使混凝土呈表干狀態(tài)。雖然封閉底漆具有濕固化功能,但是潮濕的基面影響涂料的滲透性,從而影響附著力。

 ?。?)每道涂裝前均要注意對(duì)漏涂的孔洞進(jìn)行補(bǔ)涂?,F(xiàn)場(chǎng)許多完工的試驗(yàn)片存在孔洞,有的孔洞直達(dá)混凝土表面,施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)不斷有水緩慢滲出。這樣的涂裝短期會(huì)影響防腐效果,長(zhǎng)期還會(huì)造成涂層附著力下降,甚至脫落,導(dǎo)致防腐失敗。

 ?。?)涂裝下一道涂料前,應(yīng)對(duì)上一道涂層進(jìn)行表面清潔,使用飲用水徹底除去涂層表面的鹽分、泥塵、油污等污染物,可用清潔劑清除油污。如上一道涂層太光滑影響下一道涂層的粘結(jié)強(qiáng)度,應(yīng)對(duì)上一道涂層進(jìn)行打毛處理。

 ?。?)要按規(guī)定的比例混合涂料,用機(jī)械式攪拌器攪拌3min 分鐘以上。涂料混合均勻后,必經(jīng)過熟化才能使用,配好的涂料必須在規(guī)定的適用期內(nèi)使用,超過了適用期的涂料不得繼續(xù)使用。表濕區(qū)涂裝完畢后,涂膜在空氣中固化時(shí)間應(yīng)不少于1.5h。

4 涂裝質(zhì)量檢驗(yàn)

4.1 過程檢驗(yàn)

4.1.1 產(chǎn)品檢驗(yàn)

  涂裝前核實(shí)涂料品種和數(shù)量,所用涂料應(yīng)有出廠證明文件,且在有效期內(nèi)使用。

4.1.2 施工過程檢驗(yàn)

  施工過程中,按產(chǎn)品說明、推薦施工工藝、設(shè)計(jì)要求的涂裝道數(shù)和涂膜厚度進(jìn)行施工,隨時(shí)用濕膜厚度規(guī)檢查涂層濕膜厚度,以控制涂層的最終厚度及其均勻性。

4.1.3 涂料用量檢驗(yàn)

  控制涂料實(shí)際用量是保證涂膜厚度和涂裝的重要因素,涂料實(shí)際用量的計(jì)算方法如下:

假設(shè):

  第一:選擇上下游兩個(gè)承臺(tái)作為一個(gè)具有代表性的參考涂裝面積,準(zhǔn)確計(jì)算出涂裝的實(shí)際面積為X m2;

  第二:準(zhǔn)確稱出未使用時(shí)涂裝容器和涂裝工具的重量為a kg;

  第三:準(zhǔn)確計(jì)算出調(diào)配涂料的重量為b kg;

  第四:在每個(gè)橋墩隨機(jī)測(cè)出具有代表性的30 個(gè)點(diǎn)的濕漆膜的厚度為c μm;

  第五:每道漆涂裝完畢后,立刻稱出涂裝容器和涂裝工具的重量為d kg;

  第六:涂料的比重為e。

計(jì)算:

  第一步:計(jì)算每道漆的要求濕膜厚度c:

  c=(干膜厚度÷體積固含量)×(1+稀釋劑用量百分比)

  第二步:計(jì)算涂料的實(shí)際涂裝用量Y:

  Y=X ×(c ÷ 106)× e

  第三步:環(huán)境損耗油漆量Z:

  Z=(a+b)- d - Y

  第四步:計(jì)算出符合涂裝要求的X面積實(shí)際需要的漆量W:

  W=(d-a)+Y+Z

  第五步:計(jì)算出涂料的損耗系數(shù)f:

  f=W ÷涂料理論用量

  說明:①環(huán)境損耗漆量Z與當(dāng)時(shí)的實(shí)際涂裝環(huán)境有密切的關(guān)系,將來實(shí)際涂裝時(shí)的施工環(huán)境與實(shí)驗(yàn)時(shí)的施工環(huán)境有差別,因此必須參考實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境損耗油漆量Z,對(duì)實(shí)際涂裝時(shí)的環(huán)境損耗油漆量作出相應(yīng)的調(diào)整。②如果實(shí)際涂裝時(shí)涂裝工具與實(shí)驗(yàn)時(shí)的涂裝工具不同時(shí),相應(yīng)的油漆損耗也要作出相應(yīng)的調(diào)整。根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)算出的損耗系數(shù)f,可以計(jì)算出涂料的實(shí)際用量,從而控制涂料的實(shí)際用量。

4.2 涂層檢驗(yàn)

4.2.1 涂層厚度檢驗(yàn)

  涂層厚度是保證涂層體系設(shè)計(jì)壽命的關(guān)鍵因素,涂層的厚度控制與檢驗(yàn)通常有下列幾種方法:

 ?。?)濕膜測(cè)試法。此法局限性在于:由于混凝土表面的不平整以及施工條件的不同(比如氣溫高、有風(fēng)的天氣溶劑揮發(fā)快,反之溶劑揮發(fā)慢,同一濕膜在不同條件下測(cè)得結(jié)果可能不相同),導(dǎo)致濕膜測(cè)試法不準(zhǔn)確。但濕膜測(cè)試法可以檢測(cè)涂膜是否均勻,這是濕膜測(cè)試法的可取之處。

  (2)掛片對(duì)比測(cè)試法。此法局限性在于:由于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督不嚴(yán)或涂裝工藝不同,有可能出現(xiàn)掛片比實(shí)際的混凝土面多涂的現(xiàn)象,所以此法也有可能不準(zhǔn)確。

  (3)涂料用量控制法。此法局限性在于:由于無法控制涂料的使用情況,不能保證涂料完全用于涂裝,所以此法也有可能不準(zhǔn)確。但只要對(duì)涂料使用情況進(jìn)行有力的監(jiān)督,是可以保證涂層厚度的。

 ?。?)測(cè)厚儀測(cè)試法。此法局限性在于:由于測(cè)厚儀對(duì)基材的平整度非常敏感,而混凝土表面本身很不平整,所以此法測(cè)量的結(jié)果也不準(zhǔn)確。

  鑒于以上各種測(cè)試方法的局限性,綜合考慮認(rèn)為用濕膜測(cè)試法、測(cè)厚儀測(cè)試法和涂料用量控制法相結(jié)合的方法是比較準(zhǔn)確的方法。因?yàn)橹灰訌?qiáng)涂料使用情況的監(jiān)督,可以通過涂料用量控制法保證涂層的厚度,又通過濕膜測(cè)試法可以控制涂膜的均勻性,以保證涂層的質(zhì)量。

4.2.2 涂層體系粘結(jié)強(qiáng)度檢驗(yàn)

  測(cè)定涂層系統(tǒng)的粘結(jié)強(qiáng)度。涂層經(jīng)7d 自然養(yǎng)護(hù)后,用拉脫式涂層粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)定儀測(cè)定涂層系統(tǒng)的粘結(jié)強(qiáng)度。以測(cè)點(diǎn)的粘結(jié)強(qiáng)度算術(shù)平均值為涂層系統(tǒng)的粘結(jié)強(qiáng)度代表值。涂層系統(tǒng)的粘結(jié)強(qiáng)度代表值應(yīng)不小于1.5MPa,最小粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)值應(yīng)不小于1.2MPa。涂層粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)定后,應(yīng)立即觀察鋁合金鉚釘頭型圓盤座的底面粘結(jié)物的情況,如果底面有75% 以上的面積粘附著涂層或混凝土,則試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。如果底面少于75% 的面積粘附著涂層或混凝土,而且粘結(jié)強(qiáng)度小于1.5MPa,則可在該測(cè)點(diǎn)的附近涂層面上重做粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)。如果涂層粘結(jié)強(qiáng)度不能達(dá)到1.5MPa 時(shí),可在原檢測(cè)點(diǎn)附近涂層面上,按加倍測(cè)點(diǎn)數(shù)量重做涂層粘結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)。如仍不合格,涂裝施工應(yīng)返工。

4.2.3 涂層外觀檢驗(yàn)

  涂裝后應(yīng)進(jìn)行涂層外觀目視檢查。涂層厚度和色澤應(yīng)均勻、無氣泡、無針孔、無裂縫等缺陷。

5 結(jié)束語(yǔ)

  混凝土表面防護(hù)雖然是輔助性防護(hù)措施,但它的防護(hù)機(jī)理就是物理隔絕腐蝕介質(zhì),與增加鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度是同樣道理。因此,只要選材合理,施工過程控制到位,就能夠取得理想的防護(hù)效果。

參考文獻(xiàn):

  [1] 《杭州灣跨海大橋混凝土涂層防腐蝕技術(shù)文件》.

  [2] 梁定.跨海和沿海橋梁鋼筋砼腐蝕與防腐。公路與海運(yùn),2003,10:60-62.

  [3]《杭州灣跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)表面防腐涂裝工程涂料采購(gòu)(供應(yīng)商)》招標(biāo)文件.

  [4] 海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)范》(JTJ 275-2000).

  [5]《國(guó)家涂料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)報(bào)告》(TW06998-5W1、TW06998-5W3、TW06998-5L1).

 
原作者: 李運(yùn)德 馮雍  

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