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JPCL 2009
F档案中的案件
在桅杆臂上
作者：Paul Vinik，理学硕士、体育教授
和
A.、BS、MS、KTA-Tator, Inc.
原文链接：
介绍
下次您驶入有红绿灯的十字路口时，请查看支撑红绿灯的桅杆臂。 桅杆臂是镀锌、混凝土、铝还是喷漆？ 喷漆桅杆臂可能具有直接应用于喷砂清理钢或热浸镀锌钢的涂层系统（双重保护系统）。 本文讨论了佛罗里达州交通部 (FDOT) 镀锌桅杆臂上涂层的失效问题； 失效分析，包括镀锌的关键背景信息； 发现; FDOT 方法用于纠正出现腐蚀的失效镀锌桅杆臂。
佛罗里达体验
FDOT 确定佛罗里达州杰克逊维尔地区的 60 个涂漆和镀锌钢桅杆臂的镀锌钢上有油漆（涂层）剥落。 2004年，一名油漆顾问被聘请来调查这一失败事件。 接受调查的近三分之二的桅杆臂只有两年的历史。 记录显示，1997 年至 2001 年间，建筑项目中纳入了 6 个失败的桅杆臂。
这
调查
显然，涂层性能远低于预期。 2004 年 11 月对桅杆臂的初步检查发现，失效的涂层系统具有完整的气泡，其中充满了腐蚀产物（但没有游离水分），并且涂层破裂和剥落处也有相同类型的腐蚀。 腐蚀产物。 涂层下的腐蚀产物通常是软的、糊状的。 暴露的腐蚀产物很容易碎裂并含有锌和铁。 如图 1、2 和 4 所示的情况示例展示了故障的程度，并且行人可以清楚地看到它们。 图例 3、图例 5、图例 6 和图例 7 显示了几种表面状况。
图 1：镀锌桅杆臂立柱和水平臂上的涂层剥落。 暴露的表面含有白色和红色的腐蚀产物。
照片由作者提供
图 2：镀锌桅杆臂水平部分下侧的涂层剥落。
图 3：水平臂侧面涂层失效的外观。
图 4：图 2 中桅杆臂下侧油漆剥落的特写视图。镀锌层耗尽，钢基体腐蚀。
在里面
分析因素
了解热浸镀锌中如何发生腐蚀以及如何防止腐蚀对于分析至关重要。
钢的热浸镀锌会产生光亮的金属锌表面和多层合金层，并且在镀层深层锌含量逐渐减少。 由于合金化和冷却特性，镀锌层表面通常表现出一定程度的光泽，但随着表面风化和颜色变化，亮度变得不那么明显。 将钢从熔融锌浴中取出后，镀锌表面可分为三个时效阶段之一：新锌层、部分风化或完全风化。
新镀锌层的表面基本上是锌金属。 然而，锌的反应性相对较强，表面会很快发生化学变化。 锌与空气中的氧气反应生成氧化锌。 因此，即使是新镀锌的结构，其表面也会存在一些氧化锌 (ZnO)。 随着时间的推移，水分和表面氧化锌之间会发生反应，形成氢氧化锌 [Zn(OH)2]。 氢氧化锌[Zn(OH)2]与空气中的二氧化碳(CO2)反应生成碱性碳酸锌(ZnCO3)。
根据气候和暴露条件，完整的风化过程可能需要六个月到两年的时间。 碳酸锌不溶于水，在表面形成保护膜。 即便如此，镀锌层仍会继续腐蚀。
部分风化的锌表面主要由氧化锌和氢氧化锌组成，并含有少量碳酸锌。 氧化锌和氢氧化锌生成的多孔薄膜对锌表面几乎没有保护作用。 只要有氧气和湿气存在，就会不断产生氧化锌和氢氧化锌[ZnO和ZnOH2)]。 薄膜中的碳酸锌含量通常逐渐增加，直至薄膜覆盖整个表面，此时薄膜呈现深灰色。
空气中的污染物，特别是二氧化硫（SO2），会产生酸性湿气，溶解碳酸锌（ZnCO3）层，暴露金属锌并导致腐蚀继续。 因此，镀锌涂层在中性大气条件下性能最佳。 即便如此，富锌表面最终会在腐蚀环境中短短一个月内磨损，但在轻度腐蚀环境中可以持续数十年。 随着表层锌的消耗，锌铁合金层就会暴露出来并开始腐蚀。 当铁（钢）基体暴露时，腐蚀产物的颜色会发生变化，由白灰色变为浅锈色，再变为较深的锈色。
烤漆镀锌
有机涂层用于保护镀锌钢和钢材免受腐蚀环境的影响，并在较温和的环境中提供颜色和一定的使用寿命。 涂料制造商和行业协会，例如美国镀锌协会 (AGA)、SSPC：防护涂料协会 (SSPC) 和 NACE 国际 (NACE)，为镀锌结构的制备和涂层提供指导。 ASTM A780，“热浸镀锌涂层损坏和未涂覆区域修复的标准实践”和 ASTM D6386，“准备镀锌（热浸镀锌）钢制品和硬件的涂漆表面”中的 ASTM (ASTM) 涂层的使用修复新镀锌涂层的方法在《标准实践规范》中得到了解决。后一个文件包括准备新镀锌层、部分风化镀锌层和全风化镀锌层的推荐实践。
表面处理
在所有表面（包括镀锌）上涂漆之前必须清除油脂和污垢。 镀锌的其他要求包括避免水淬和铬酸盐处理，以防止镀锌过程中经常出现的白锈。 如果不可避免，则必须清除这些残留物，因为它们会阻碍涂层附着力。 还必须保证镀锌层表面光滑，尤其是存在锌液流挂或其他镀锌副产物的情况。 否则，粗糙的表面纹理（例如钢上的粗糙焊缝）可能会导致后续涂覆的涂层不连续。 此外，与钢不同，钢允许残留一定量的残留但紧密粘附的铁锈（氧化铁），而锌的氧化物和氢氧化物腐蚀产物较弱且松散粘附。 在施加有机涂层之前，必须通过物理手段和/或表面处理（化学蚀刻、转化涂层）去除锌腐蚀产物。
新镀锌钢材（涂漆用）定义为未经表面处理的镀锌，且镀锌在48小时内完成。 尽管如此，建议采取措施确保从表面去除锌腐蚀产物[ZnO 和 Zn(OH)2]。 当采用喷砂清理表面轮廓并去除腐蚀产物时，如果条件容易形成锌盐，则应在 60 分钟内涂覆涂层。 应评估部分风化镀锌是否存在（铬酸盐）表面处理和白锈（主要由 Zn(OH)2 组成的白色锌盐）。 一旦这些问题得到解决，部分风化的镀锌钢可以按照与新镀锌钢相同的方式再次进行表面处理，同样需要考虑容易发生锌腐蚀的条件。 另一方面，在没有其他干扰因素的情况下，完全风化的碱性碳酸锌 [ZnCO3] 表面适合涂漆，无需大量准备。
和
涂料及其施工
热浸镀锌桅杆臂最常见的涂层技术是喷涂和静电粉末涂层或液体涂层和流化床粉末涂层的刷涂和辊涂。 通过适当的表面处理，许多常见的涂层类型可以成功地应用于镀锌钢。
然而8分镀锌钢材，一些树脂，如醇酸树脂、油基水基树脂和环氧酯树脂，不适合镀锌钢，因为它们可能与锌表面形成的碱性盐发生反应。 虽然这些涂层通常非常适合干燥环境，但它们在潮湿环境中很容易失效。
聚酰胺环氧树脂可能是直接应用于新型热浸镀锌的最常见的工业涂料。 涂完底漆后，可以在表面涂上与底漆兼容的面漆，通常是聚氨酯。 粉末涂料包括环氧树脂、聚氨酯和聚酯。 涂料制造商可能会推荐表面处理，例如转化涂层。 一般认为，双重保护系统的性能与将活性锌金属表面与腐蚀环境隔离有关。 然而，涂料系统干膜厚度 (DFT)、指定的具体产品配方以及整体系统渗透性的确切影响尚未得到充分讨论，可能需要进一步研究。
全风化镀锌钢比新镀锌或部分风化镀锌钢更有可能成功涂覆。 一些涂料制造商的技术数据表建议在涂装前让镀锌钢风化几个月，因为在此阶段将涂料涂在镀锌钢上的风险最低，但在涂漆前基材确实需要进行一定程度的彻底清洁。 不幸的是，这通常是不现实的。 风化和老化的镀锌钢上出现红锈通常需要富锌有机涂层。
对于桅杆
佛罗里达州桅杆要求
FDOT 2004 道路和桥梁施工标准规范（标准规范）第 649 节钢染色棒、钢桅杆臂和单管组件 - ASTM A123 钢产品镀锌（热浸镀锌）涂层标准规范的要求 » 镀锌结构，使用适合绘画的方法。 所有镀锌表面的表面处理均应按照 ASTM D6386 进行，然后进行溶剂清洁、溶剂擦拭，并根据 SSPC-SP 1（溶剂清洁）涂两层液体涂料系统或粉末涂料系统。
指定的液体涂料系统是环氧底漆（DFT 100 至 150 微米）和脂肪族聚氨酯面漆（DFT 50 至 100 微米）。 静电喷涂聚氨酯或异氰脲酸三缩水甘油酯 (TGIC) 聚酯粉末涂料系统要求 DFT 最小为 50 微米。 通过将涂层结构加热至 177°C 至 204°C 来固化粉末涂层。
的
发现
指定的液体涂料系统是环氧底漆（DFT 100 至 150 微米）和脂肪族聚氨酯面漆（DFT 50 至 100 微米）。 静电喷涂聚氨酯或异氰脲酸三缩水甘油酯 (TGIC) 聚酯粉末涂料系统要求 DFT 最小为 50 微米。 通过将涂层结构加热至 177°C 至 204°C 来固化粉末涂层。
锌腐蚀产物的发现表明，失效原因与表面处理不当有关，表面处理不当在镀锌表面留下了氧化锌和氢氧化物。 锌腐蚀产物体积增大，是金属锌体积的500倍。 因此，即使其他表面污染物会损害涂层附着力，但锌填充腐蚀产物的不规则大气泡的存在（如图 5 和 6 所示）表明这是一个持续的腐蚀过程。 而不是干扰性断键层。
图 5：镀锌桅杆臂上的涂层完全起泡。没有游离水
图 6：在完整水泡底部发现腐蚀产物，包括浅红色锈斑（图 5）。
图 7 显示了与剥落油漆相邻的涂层基底表面。 白色腐蚀产物中的红色锈斑表明下面的含铁锌涂层和/或钢基材的腐蚀。 这与剧烈喷砂清理造成的过度喷砂损坏是一致的。 表面准备不充分的另一个迹象是边缘凸起、锌滴落和锌下垂。
图7：将腐蚀产物刮到基材表面，表明锈斑源自钢基材上的斑点。
该涂料由聚酰胺环氧底漆和脂肪族丙烯酸聚氨酯面漆组成。 涂层之间的附着力良好，系统厚度通常在规格要求范围内。 面漆看起来也不错。 然而，底漆背面的纹理表明可能已进行喷砂清洁，但不均匀。
镀锌过程的质量控制数据不易用于审查，因此对镀锌外表面的回顾性评估效率不高。 然而，对未涂漆内表面上的孔表面的检查表明，锌涂层不能防止钢基体腐蚀。 因此，镀锌工艺本身可能是导致外涂层失效的原因。
对杰克逊维尔桅杆桅杆涂层故障的调查表明，系统工艺问题是根本原因。
FDOT 至
FDOT解决方案
问题和经济考虑
2004 年 9 月，FDOT 检查了佛罗里达州杰克逊维尔和奥兰多的桅杆吊杆结构，报告估计故障率为 15% 至 20%。 根据 9 月份的观察和 2004 年 11 月的一项调查，估计该州大约 15,000 个镀锌桅杆臂中多达 3,000 个可能出现故障。在制定解决现有和未来问题的方法时，发现了许多重大问题。结构处理问题
镀锌桅杆臂上涂层失效的潜在经济影响是巨大的，不仅对佛罗里达州而且对供应商也是如此。 每个桅杆臂投资 50,000 美元，潜在的总体财务影响高达 1.5 亿美元。
目前，所有在 820 天内失效的结构都属于标准规范的潜在缺陷规定，必须由承包商修理或更换。 超过 820 天的结构正在根据具体情况进行评估和处理。
FDOT 于 2007 年 6 月实施了修订后的标准规范第 649 条，以解决未来的结构性问题。 此修订后的规范不包含有关结构涂装材料或方法的新的直接说明。 然而，它确实要求承包商指定一个“责任方”负责结构的粘合和保色。 责任方还必须提供五年保修，从项目最终验收开始，涵盖粘合或颜色保留所需的所有维修。 责任方可能是承包商或制造商。 当责任方为制造商时，其必须经部门预先批准，并应列入涂漆镀锌钢染色杆、单管和桅杆臂组件预审合格制造商名单中。 此外，制造商必须根据上一年向 FDOT 提供的结构数量提供年度保证金。
技术考虑
直接的技术考虑包括识别现有的故障桅杆和维修程序/协议，以及制定性能标准以区分故障桅杆和未故障桅杆。
现有桅杆臂的维修选项包括现场清洁、重新喷漆和更换。 2006 年 4 月发布了一项全州范围的修复计划8分镀锌钢材，以纠正失败的结构，总结如下。
为防止未来发生故障而进行的更改包括 2007 年 4 月实施修订后的合格产品清单 (QPL)。对标准规范第 649 节的修订规定了颜色和涂层附着力要求以及样本标准的准备。
简而言之，当颜色退化大于8ΔE'或涂层分层大于645平方厘米时，则认为涂层失效。
综上所述
预计供应商会拒绝五年附加要求，但供应商选择了参与。 他们有明显的动机来改善质量控制，以尽量减少桅杆臂涂层故障的发生次数。 预计这将在一定程度上增加该州的单位成本。 这些变化的全部影响尚未完全了解。 然而，预计国家将获得改进的产品，整个行业将从中受益。
笔记
评论
可能习惯了，但不习惯什么时候才会。
6881 南霍利，套房 108，，CO 80112。
SSPC：40 24th, 6th Floor, PA 15222-4656。
NACE，1440 South Creek Drive，TX 77084-4906。
ASTM，100 Barr Drive，邮政信箱 C700，西，宾夕法尼亚州 19428-2959。
该是的就是该是的。
SSPC，例如 SSPC-SP 2 手动工具、SSPC-SP 3 电动工具、SSPC-SP 7 刷式爆炸工具。
ASTM D 6386，5.1。
马克 B. PCS，KTA-Tator Pty Ltd，。
有关
关于作者
Paul Vinik，佛罗里达州交通部州立公园的州议员，在佛罗里达州工作。 他是 SSPC 的 BCI、C1 和 C2 的代表。
，与 , Inc. (, PA) 一起，是 F 档案的成员。
