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作者

文字/馮少廣1，吳方鈺2

1.中國石油管道技術研究中心；2.浙江大學建筑工程學院；

摘要：針對跨海大橋鋼結構防腐涂料性能評價周期長的問題，提出了基于差異掃描量熱法（DSC）、熱重法（TGA）紅外光譜分析（FTIR）三種技術可分別或組合使用，實現各批環氧粉末一致性的快速判斷。利用這三種技術，隨機批環氧粉末產品隨機抽取5批樣品進行比較測試，分析產品的反應放熱量、玻璃化溫度、分解模式、填料含量和紅外光譜。結果表明，各批環氧粉末的質量一致性應用于判斷DSC環氧粉末放熱量變化不得超過分析±5J/g玻璃化溫度變化不超過±５℃；采用TGA樹脂分解模式相同，填料含量變化不超過5%。FTIR特征峰的位置和峰強應與基本圖譜一致。舟山港主通道工程推薦DSC和FTIR試驗技術已完成11批環氧粉末原料質量的快速判斷，保證了防腐涂料的質量。

關鍵詞：跨海大橋；鋼結構；環氧粉末；防腐涂層；差示掃描量熱法；熱重法；紅外光譜分析；質量控制

跨海橋一般靠近入口，大氣濕潤，氯離子含量高，環境惡劣，對橋梁鋼管樁、鋼管筒等鋼結構造成嚴重腐蝕威脅[1]。此外，還應特別注意暴露在腐蝕性環境中的混凝土結構、鋼筋腐蝕造成的早期腐蝕風險以及由此產生的經濟和安全問題。跨海橋鋼結構防腐通常采用增加金屬保護層、環氧樹脂涂層、陰極保護等方法。隨著鋼結構防腐技術的不斷發展，作為一種阻擋金屬腐蝕的有機涂層防腐技術，已逐漸從初始涂料發展能更好、成本更經濟、可實現自動噴涂的熔融環氧粉末。目前，熔融環氧粉末涂料已應用于國內外許多石油、輸水和跨海橋梁工程，取得了很好的應用效果，大大提高了鋼結構的防腐性能[5-6]。

鑒于此，考慮到工程建設的實際需要，本文提出了基于差示掃描量熱法（DSC）、熱重法（TGA）紅外光譜分析（FTIR）快速檢測技術通過比較5批樣品的反應放熱、玻璃化溫度、分解模式、填料含量和紅外光譜數據，獲得每批質量一致性的判斷依據，并將研究成果應用于寧波舟山港主通道工程，確定該技術快速判斷環氧粉末質量的可行性。

環氧粉末批次質量快速檢測技術

在國內跨海大橋項目中選擇5種具有代表性的環氧粉末樣品（A～E），每個樣品隨機抽取5批，分別進行DSC、TGA和FTIR測試。

（１）通過DSC環氧粉末的反應放熱量分析技術測試（ΔH)和玻璃化溫度（Tg）[7-10]。美國用于測試儀器TA公司DSCQ2000 ，根據《鋼管熔結環氧粉末外涂層技術規范》附錄B進行測試。測試程序如下：①N氣氛2，升溫率20℃／min，由（25±5）℃升溫至（70±5）℃，然后冷到(25)±５）℃；②N氣氛2，升溫率20℃／min，由（25±５）℃升溫至（285±10）℃，然后冷到(25)±5）℃；③N氣氛2，升溫率20℃/min，由（25±5）℃升溫至（150±10）℃。

（２）利用TGA熱分解技術測試材料分解模式、分解溫度、填料含量和失重曲線。測試儀器在美國使用TA公司Q50.根據《塑料聚合物熱重法》（TG）第一部分：通則（GB/T33047.1-2016)測試。測試程序如下:N氣氛2，升溫率10℃／min，測試溫度范圍為室溫~1000℃。

2 測試結果分析

2.1 DSC測試

通過DSC環氧基團與固化劑反應交聯時的放熱量和涂層的玻璃化溫度可在特定固化條件下進行測試，以確定環氧粉末的組成和原材料結構是否發生變化。由于熱固性樹脂的交聯反應是不可逆轉的，化學鍵反應中的放熱可以DSC記錄下來。環氧粉末樣品DSC典型的環氧粉末和涂層熱特性曲線如圖1所示。從圖1可以看出，環氧粉末曲線的峰值是環氧粉末交聯時的熱峰，峰值面積為35.22J/g。涂層曲線是粉末固化后第二次掃描獲得的涂層熱特性曲線，可以確定環氧粉末固化后涂層的玻璃化溫度Tg為101.17℃。

為了研究DSC測試用于判斷固化后環氧粉末的放熱特性和涂層玻璃化溫度的重復性和再現性。每個樣品隨機選擇5批環氧粉末樣品DSC試驗。不同批次環氧粉末放熱試驗結果如表1所示，不同批次環氧粉末固化后涂層玻璃化溫度試驗結果如表2所示。

由表1可知：樣品A～E放熱量的平均值分別為43.02，35.08，36.16，35.57，40.76J/g。樣品A～E不同批次放熱量的最大值和最小值分別為1.70，0.84，1.90，1.66，1.04J/g。

由表2可知：樣品A～E固化后涂層玻璃化溫度Tg平均值分別為100.09，100.56，100.92，100.57，9.28℃。樣品A～E不同批次玻璃化溫度的最大值和最小值分別為0.43，1.45，1.16，0.82，0.26℃。從五種環氧粉末樣品的試驗結果可以看出，同一批環氧粉末之間的放熱量和玻璃化溫度具有良好的重復性和再現性。根據上述試驗結果，考慮到取樣操作、不同設備、不同操作人員、不同質量控制和評價水平的差異，環氧粉末的熱量變化不得超過±5J/g玻璃化溫度的變化不得超過±5℃，不同批次作為同一環氧粉末使用DSC質量控制要求。

2.2 TGA測試

通過TGA測試粉末中填料的含量和樹脂的分解特性，可確控制環氧粉末填料的添加量和樹脂特性。5種環氧粉末樣品TGA曲線如圖2所示。從圖2可以看出，5種環氧粉末樣品TGA曲線差異明顯。A～D四種樣品的分解模式是單階損失，但樣品E是雙階損失，表示A~D四種樣品中使用的樹脂與樣品E有很大的不同。第一階段各樣品的分解溫度顯示，AC和D樹脂的結構與B樹脂相似，但兩者之間也有很大的差異。一般來說，五種環氧粉末樣品的樹脂體系是不同的。

從環氧粉末剩余的質量百分比(見表3)可以看出，各種樣品填料的添加量差異很大，其中樣品C填料的添加量最大，約為46.13wt.%，樣品A的添加量最約為16.61 wt.%。樣品B和樣品E分別占39%.39wt.%和40.72 wt.%，數據非常相近，但樣品Ｂ只有1次分解（最快失重速率時的溫度為417.50℃），樣品E分解兩次(最快失重率為404.08℃和698.60℃），說明這兩種樣品之間存在明顯差異。可見，TGA在測試過程中，不僅要注意填料的添加，還要比較樹脂的分解模式(單階損失或多階損失)和失重率最快的溫度。

2.3 FTIR測試

DSC和TGA環氧粉末的反應特性和組成特性分別分析。如果粉末之間的差異需要從微觀官能團的情況來區分，可以通過FTIR實現測試分析。根據《紅外光譜定性分析技術通則》（GB/T32199-2012)通過比較譜帶是否存在，各譜帶的相對強度，判斷各樣峰的歸屬是否一致。如果待測樣品的光譜圖與初始工藝評價中粉末的對照光譜圖一致，通常可以判斷兩種化合物為同一物質；如果兩種光譜不同，則可以判斷兩種化合物不同。紅外光譜對比曲線如圖3所示。從圖3中可以發現各種光譜圖之間存在明顯差異。因此，首先可以通過工藝評價確認合格的環氧粉末掃描紅外光譜圖，并將其作為樣品的基本圖譜，以便于后續樣品的比較。同時，特征峰的位置和峰強度與基本圖譜一致。

3工程應用

連接舟山本島至岱山的寧波舟山港朱通道公路工程，海域主線橋長16.347km，其中，非通用孔橋主橋70m整孔預制，整孔架設，非通航孔引橋62.5m預應力混凝土預制箱梁。大直徑、超長鋼管樁基礎[11]用于非通航孔主橋和非通航孔引橋基礎。本工程使用的鋼管樁、鋼護筒和鋼筋大量使用環氧粉末作為防腐涂料。環氧粉末批次質量控制時，鋼結構的防腐質量控制可以通過增加檢測頻率來提高，但檢測周期長。如果每批粉末的性能在投入使用前都進行了測試，將極大地影響項目的進度。因此，快速確認每批原材料的質量是保證工程進度和質量的關鍵。本文提出的快速檢測技術應用于橋環氧粉批質量控制，以驗證其有效性和可行性。

在環氧粉末批次質量控制中，選擇具有代表性的樣品進行分析和測試，并將結果作為樣品的基本地圖。每批進場材料與樣品的基本地圖進行比較。與母樣基本地圖分析結果不一致的，視為不合格材料。三種分析技術可分別或組合使用。采用DSC環氧粉末的放熱量變化不得超過±5J/g玻璃化溫度變化不超過±５℃采用TGA測試分析時，應滿足樹脂分解模式相同，填料含量變化不超過5%的要求FTIR在測試分析時，可以根據《紅外光譜定性分析技術通則》來判斷特征峰的位置是否與基本圖譜一致。

推薦這座橋DSC和FTIR當對測試結果有爭議時，測試分析技術會增加TGA測試進一步提高了分析結果的準確性。隨機抽樣11批粉末樣品DSC和FTIR檢測分析有效解決了原料以次充好的可能性，達到了環氧粉末快速檢測的目的，為防腐質量提供了保證。

4結論

跨海橋鋼結構環氧粉批量質量控制是保證橋梁長期安全服務的關鍵，提出了確定環氧粉批產品質量一致性的建議DSC、TGA和FTIR這三種技術可分別或組合使用，并進行相關的測試和應用研究，得出以下結論：

（１）采用DSC在測試技術時，放熱量的變化不得超過±5J/g玻璃化溫度變化不超過±５℃，確定環氧粉質量一致。

（２）采用TGA樹脂分解模式相同，填料含量變化不超過5%，確定環氧粉末質量相同。

（３）采用FTIR在測試技術時，特征峰的位置和峰強與基本圖譜一致，確定環氧粉末的質量一致。

(4)該快速檢測技術已應用于寧波舟山港主通道工程，對隨機抽樣的11批粉末樣品進行了檢測分析，達到了快速有效保證環氧粉末原料質量的目的。

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Study of Batch and Quality Control of Epoxy Powder for Steel Structures of Sea- Crossing Bridge

FENG Shaoguang1. WU Fang-yu2

Abstract:To resolve the issue of long evaluation period for perfor ** nce of corrosion resistant coatings on steel structures of sea-crossing bridges, a rapid testing technique that is based on the differential scanning calorimetry (DSC)，ther ** l gravity ** ysis (TGA) and infrared spectra ** ysis (FTIR) is proposed, in which the three technologies can either be used independently or in combination, to realize the rapid detection of the uniformity of epoxy powder from different bat-ches. The three technologies were independently used to carry out comparative testing of samples randomly drawn from 5 batches of five different epoxy powder products, and the acquired data re-lated to heat released in the exother ** l reactions, glass transition temperature, decomposition par-ttern. filler content and infrared spectra of the products were ** yzed. The results of the testing show that based on the quality uniformity detection of the epoxy powder from different batches，the variation of heat released from the epoxy powder should not exceed +5 J/g, and the variation of glass transition temperature should not surpass +5℃, when the DSC technology was used for ** ysis. When the TGA technology was used for testing, the decomposition pattern of the epoxy powder from different batches should be the same and the variation of filler content should be less than 5%. When the FTIR technology was used for testing, the locations of characteristic peaks and the peak intensity should be in compliance with the basic spectral graph. The DSC and FTIR technologies are recommended for the Zhoushan Port ** in navigation channel project, and the quality of raw epoxy powder ** terial from 11 batches has been detected efficiently, reassuring the quality of the corrosion resistant coatings.

Key words: sea-crossing bridge；steel structure；epoxy powder；corrosion resistant coating；differential scanher ** l gravity ** ysis；infrared spectra ** ysis；quality control

封面圖：Pexels 上的 Charles Parker拍攝的圖片

音樂：Bells of Hi ** laya-Frank Steiner Jr