填充型环氧涂层钢绞线涂层厚度均匀性控制研究

文/费汉兵1,李洪涛2,金平1,林海峰2,钱杰2,赵军1

1.江阴法尔胜住电新材料有限公司 2.江苏省交通工程建设局

摘要:以五峰山过江通道公路接线工程为依托,对影响填充型环氧涂层钢绞线涂层厚度均匀性的因素进行研究分析和控制。结果表明:通过对材料、设备和工艺等方面的改进,可提高填充型环氧涂层钢绞线的涂层厚度均匀性,使钢绞线外层6根钢丝冠部的环氧涂层厚度控制在(500±100)μm范围内。进行防腐性能和锚固性能试验,验证了改进后的填充型环氧涂层钢绞线具有优良的耐久性和锚固可靠性。

关键词:填充型环氧涂层;钢绞线;涂层厚度;耐久性;锚固性能;防腐性能

Researchon coating thickness uniformity control of filled epoxy coated steel strand

Fei Hanbing1,Li Hongtao2,Jin Ping1,Lin Haifeng2,Qian Jie2,Zhao Jun1

( 1.Jiangyin Fasten Sumiden New MaterialCo.,Ltd.,Jiangyin 214445,China; 2.Jiangsu Provincial Transportation Engineering Construction Bureau,Nanjing 210004,China)

Abstract:Factors that influence coating thickness offilled epoxy coated strand are analyzed and controlled based on the highway lineof Wufengshan cross-river channel. Results show that the coating thickness uniformity offilled epoxy coated strand can be improved,the epoxy coating thickness on crown of six steel wires are kept within ( 500 ±100) μm by improvingmaterial,equipments,and manufacturing process,etc. It is proved that the improved filledepoxy coated strand have excellent durability and anchoring reliability throughquality verification tests such as corrosion resistance test and anchoringperformance test.Keywords: filled epoxy coated; steel strand; coating thickness; durability; anchoring performance; corrosion resistance performance


0 前言

体外预应力结构中,预应力筋布置在承载结构主体之外并对其施加预应力,预应力筋仅在锚固处和转向处与结构有连接,预应力损失小、结构布置简单、可方便检测和更换[1]。体外预应力束的耐久性是体外预应力技术和产品优先考虑的问题。近年来,在实际工程中也发现体外预应力束锈蚀断裂的情况。如2012年广州市华南大桥主桥北侧边跨靠近中央分隔带位置的左北2-N体外预应力束发生整束锈蚀断裂[2],2019年2月深圳湾大桥体外预应力束锈蚀断裂。锚固可靠性是影响体外预应力结构安全的另一关键因素。尽管现有文献中体外预应力锚固失效事故的公开报道不多,但实际工程中也有部分存在体外预应力钢绞线的锚固失效现象。如宁波某大桥主梁横向33#体外预应力束因钢绞线在张拉锚固过程中被夹片咬伤以及索体在动荷载的反复作用下因疲劳引起索体断裂。

1 填充型环氧涂层钢绞线涂层均匀性要求

填充型环氧涂层钢绞线以其优越的防腐性能,已在国内众多桥梁工程中作为体外预应力束使用。填充型环氧涂层钢绞线的横截面示意图如图1所示。现行标准GB/T21073—2007[3]和JT/T737—2009[4]中,对环氧涂层厚度的要求为钢绞线外层6根钢丝冠部的环氧涂层厚度的平均值,分别规定为380~1140μm和400~1100μm,未对钢绞线外层6根钢丝冠部的涂层厚度的均匀性提出要求。体外预应力工程中,一般采用夹片在钢绞线外层6根钢丝上夹持锚固。为确保锚固可靠,夹片的齿牙需刺透钢绞线冠部的环氧涂层,咬合到钢丝上。在夹片的齿牙深度一定时,如冠部局部环氧涂层过厚,则夹片齿牙咬入钢基体的深度不足,易产生“滑丝”现象;如环氧涂层过薄,则夹片齿牙咬入钢基体过深,在长期荷载作用下易产生“断丝”现象。因此,需对填充型环氧涂层钢绞线的涂层厚度均匀性进行控制,在保证其防腐性能的基础上,确保锚固可靠性。

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根据交通运输部《品质工程攻关行动试点方案(2018—2020年)的通知》的要求,江苏省交通工程建设局科技项目《基于品质提升的填充型环氧涂层钢绞线体外预应力钢绞线及附件的制作和安装工艺研究》以五峰山过江通道公路接线工程为依托,在充分分析填充型环氧涂层钢绞线涂层厚度影响因素的基础上,从材料、设备和工艺等方面进行控制,使钢绞线截面上6根钢丝冠部的环氧涂层厚度控制在(500±100)μm范围内,并进行防腐性能和锚固性能试验,以验证改进后的填充型环氧涂层钢绞线的耐久性和锚固可靠性。

2 环氧涂层生产工艺分析

2.1 工艺流程

填充型环氧涂层钢绞线采用环氧粉末静电喷涂方式进行加工。利用高压静电发生装置在喷枪与接地PC钢绞线之间形成高压静电场,环氧粉末在静电作用下吸附在预热的PC钢绞线表面,经充分熔融、流平和固化后再骤冷,形成致密、坚韧的光滑涂层。其加工流程为:PC钢绞线放线→前处理→环氧喷涂→后处理→膜厚检测→针孔检测→收线→检验→复绕→成品包装。

2.2 静电喷涂

粉末静电喷涂工艺中,环氧粉末在1~2min内完成熔融、流平、交联和固化4个阶段的过程。环氧粉末喷涂到预热的钢绞线表面后开始熔化直至全部熔融;粉末熔融后开始缓慢流动;环氧树脂上的官能团如羟基(-OH)与固化剂中的胺基(-NH)发生缩聚、加成反应,分子由相对分子量较低的线性预聚体交联成大分子立体网状结构;随着反应的继续进行,交联程度增加,涂层开始胶凝并转变为玻璃态,直至完全固化[5]

2.3 环氧涂层厚度均匀性的影响因素

2.3.1 环氧粉末原料

环氧粉末原料是确保环氧涂层防腐性能的根本,其主要成分是环氧树脂、固化剂、颜料、填料及各种助剂。除需满足涂层固有的防腐性能、黏结性能、弯曲性能等基本要求外,需考虑粉末原料的流平性和粒度分布对涂层厚度的影响。

流平性是指环氧粉末熔融后在PC钢绞线表面分布均匀且光滑平整的性能。环氧粉末配方因素,如流平助剂、粉末粒度等是影响环氧粉末流平性的主要因素。环氧粉末中添加适当的流平助剂后,粉末熔融时,这些助剂能降低涂料的表面张力,促进涂料在固化成膜前快速流动。如流平性太差,则无法形成连续的涂层;如流平性太好,则因自重影响导致钢绞线同一截面上涂层厚度不均匀。

环氧粉末中,大、中、小粒径的颗粒按一定比例混合。如大粒径颗粒过多,则粉末带电能力强,但流平性差,涂层表面或内部易产生空隙,固化过程中气体溢出形成“针孔”;如小粒径颗粒过多,则流平性好,但粉末带电能力差,难以得到较厚的涂层[6]

2.3.2 喷涂设备

粉末静电喷涂设备中,喷枪是使粉末带电并实现均匀喷涂的关键设备。喷枪的出粉稳定性、电场均匀性、一次上粉率,喷枪的数量和布置等均对涂层厚度及其均匀性有重要影响。压缩空气的湿度和洁净度将影响喷枪的出粉均匀程度,从而影响涂层厚度均匀性,造成涂层出现针孔、起泡等现象。

2.3.3 喷涂工艺参数

填充型环氧涂层钢绞线生产时,喷枪固定不动,钢绞线按一定速度直线运动。钢绞线的预热温度和运动速度、喷涂电压、电场电流等参数将影响环氧涂层厚度的均匀性。

3 改进措施

3.1 环氧粉末原料改进

采用多因子试验设计,并通过热板试验,选用二氧化硅吸附聚丙烯酸酯流平剂,添加质量分数为0.9%~1.1%,以改善粉末熔融后的流平性。对粉末粒径分布进行调整,改进前原粉末平均粒径为65μm,粒径为35~116μm的比例约占72%;改进后,筛除粒径小于20μm的超细颗粒和粒径大于100μm的大颗粒,使粉末平均粒径为45μm,粒径为30~75μm的比例约占99.85%。

3.2 喷涂设备改进

3.2.1 喷枪

实际生产中发现,喷枪布置不合理时,相邻喷枪工作时相互干扰,粉末容易黏附到对角喷枪上引起堵塞,导致涂层厚度不均。为避免该情况发生,将喷枪数量由6把增加到8把,各相对喷枪错位布置,改进前后喷枪数量和布置如图2所示。

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选择内文丘里自动粉末喷枪,并通过iControl集成控制系统对反馈电流进行自动控制(AFC)。在AFC模式中,控制器自动调节静电电压输出,使上粉率和外部电场强度不会随喷枪与钢绞线之间的距离改变而发生变化,从而确保整根钢绞线上粉末喷涂的均匀性。

3.2.2 牵引机

填充型环氧涂层钢绞线进行自动化连续静电喷涂时,一般利用牵引机的同步传送带压紧钢绞线使其以一定速度匀速前进。如牵引速度发生变化,则涂层厚度的均匀性将受影响。

对牵引机同步轮组进行改进,将两根同步带分段传动牵引改进为一根同步带牵引,使牵引力均匀稳定,消除生产过程中的钢绞线滑动现象,改进前后的牵引机如图3所示。

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3.2.3 压缩空气

压缩空气中油、水汽过多,会使粉末潮湿和结块,导致喷枪出粉量不均甚至堵塞,使涂层厚薄不均、表面易产生气泡、针孔等缺陷。对现有压缩空气储罐改进,在压缩空气出口管道上安装全自动排水装置,并增加精密过滤器和吸附式干燥机,使压缩空气的露点降至-50℃,消除喷枪出粉量不均的问题。

3.3 工艺参数控制

在设定钢绞线牵引速度为(8.5±0.2)m/min,预热温度为(240±10)℃,固化温度为(400±50)℃的前提下,喷枪静电压、气压和供粉转速成为影响涂层厚度均匀性的主要因素。采用DOE试验设计方法,对3因素进行正交试验,选择最佳工艺参数组合,喷枪静电压、气压和供粉转速工艺参数组合见表1。按此工艺组合,随机挑选10卷填充型环氧涂层钢绞线,随机取样并切片测量试样上6根钢绞线冠部的涂层厚度,实测数据见表2。

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通过对环氧粉末原料、喷涂设备和工艺参数控制等方面的综合改进,实际生产的填充型环氧涂层钢绞线的涂层厚度完全满足所需的(500±100)μm的均匀性要求。

4 试验验证

为验证上述改进对依托工程所使用的填充型环氧涂层钢绞线的耐久性和锚固可靠性,委托第三方检测机构,按照GB/T21073—2007和JT/T737—2009的要求,进行填充型环氧涂层钢绞线的耐久性试验;按照GB/T14370—2015的要求,进行填充型环氧涂层钢绞线-锚具组件的锚固性能试验。试验结果表明,改进后的填充型环氧涂层钢绞线,其6根钢丝冠部的涂层厚度控制为(500±100)μm时,其力学性能、防腐性能和锚固可靠性均能很好地满足标准要求。

5 结语

体外预应力钢绞线的耐久性和锚固可靠性影响体外预应力结构的安全性。填充型环氧涂层钢绞线的涂层厚度均匀性,受环氧粉末原料性能、喷涂设备和喷涂工艺参数等综合因素的影响。从粉末熔融后的流平性、粒径分布等方面对环氧粉末原料进行改性;选择合适的喷枪类型、数量和布置,钢绞线牵引稳定,控制压缩空气的洁净度和湿度;通过正交试验确定合适的喷涂工艺参数,可提高填充型环氧涂层钢绞线的涂层厚度均匀性,使钢绞线外层6根钢丝冠部的环氧涂层厚度控制在(500±100)μm范围内。


参考文献

[1]李晨光,刘航.体外预应力结构技术的发展与应用[J].OVM通讯,2000(3):2-6.

[2]胡宏斌.大跨度桥梁普通预应力体外索更换加固设计研究[J].公路与汽运,2016(3):236-238.

[3]中国钢铁工业协会.环氧涂层七丝预应力钢绞线:GB/T21073—2007[S].北京:中国标准出版社,2007.

[4]中国公路学会桥梁和结构工程分会.填充型环氧涂层钢绞线:JT/T737—2009[S].北京:人民交通出版社,2009.

[5]林丽娟.粉末静电喷涂工艺[J].城市建设,2010(7):146.

[6]魏恒远,王晓梅.粉末静电喷涂工艺探讨[J].上海涂料,2009(9):41-44.

作者简介

费汉兵1975年生,江阴法尔胜住电新材料有限公司研究员级高级工程师。

李洪涛1971年生,江苏省交通工程建设局研究员级高级工程师。

金平1969年生,江阴法尔胜住电新材料有限公司研究员级高级工程师。

林海峰1977年生,江苏省交通工程建设局研究员级高级工程师。

钱杰1976年生,江苏省交通工程建设局高级工程师。

赵军1968年生,江阴法尔胜住电新材料有限公司研究员级高级工程师。


《金属制品》 - 2020


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