橋梁螺栓連接處的涂漆

在“鉚釘和螺栓結(jié)構(gòu)接頭研究委員會（RCRBSJ - Research Committee on Rivet and Bolted Structural Joints）”的研究支持下，高強度螺栓用于鋼結(jié)構(gòu)裝配已有60多年的歷史。RCRBSJ成立于1947年，現(xiàn)在被稱為結(jié)構(gòu)連接研究委員會（RCSC - Research Council on Structural Connections）。盡管這種結(jié)構(gòu)連接使用歷史很悠久，但在涂裝接合面、螺栓孔和緊固件時仍然存在很多的難點和困惑。本文所描述的內(nèi)容將消除在有些方面的混淆(專業(yè)噴漆房、噴漆線及廢氣治理設(shè)備廠家：樊13141458653)，并且提供在設(shè)計和涂裝螺栓連接時需要考慮的注意事項。

在對用于摩擦型連接節(jié)點的涂層測試結(jié)果進(jìn)行解釋之前，我們了解一下相關(guān)的測試程序是很有幫助的。這種特殊涂層的測試和認(rèn)證在RCSC的《使用高強度螺栓的結(jié)構(gòu)接頭規(guī)范》中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)說明。本文撰寫時生效的修訂版本為2014年8月1日（2015年4月勘誤表），盡管目前正在討論擬議進(jìn)行修訂。認(rèn)證要求滑移系數(shù)試驗和拉伸蠕變測試都符合標(biāo)準(zhǔn)，如規(guī)范附錄A所述。

在進(jìn)行拉伸蠕變測試之前，試樣必須首先通過滑移系數(shù)測試。A級認(rèn)證要求小的滑移系數(shù)為0.30，B級認(rèn)證要求小的滑動系數(shù)為0.50。雖然本文未作出討論，但也有C級認(rèn)證，要求小滑移系數(shù)為0.35。C級適用于粗糙的熱浸鍍鋅表面。

滑移系數(shù)試驗用于確定在短期靜載荷下涂層的平均滑移系數(shù)。用于滑動系數(shù)測試的測試板由15.8毫米（5/8英寸）厚的扁平碳鋼（無凸起邊緣、突出缺陷或彎曲）制成，小屈服強度在36-50 ksi之間。鋼制樣板的尺寸為15.8 毫米 x 101.6毫米 x  101.6毫米（5/8英寸 × 4英寸 × 4英寸），其中距邊緣38毫米（1 ?英寸）鉆出一個直徑25.4毫米（1英寸）的鉆孔，其中一側(cè)（5/8英寸×4英寸）進(jìn)行加工光滑。雖然，規(guī)范沒有明確指出是使用熱軋鋼還是冷軋鋼，但表面必須盡可能保持平整。冷軋鋼的表面通常比熱軋鋼的表面更平坦，可以提供更大的平整度，因此測試通常會使用冷軋鋼。

對鋼板進(jìn)行噴砂清理，并涂敷待評估的涂層材料，例如無機鋅、有機富鋅涂層或熱噴涂金屬層（TSC）。該標(biāo)準(zhǔn)要求將測試的涂層材料涂敷在每塊樣板的兩側(cè)，其涂膜厚度比將要涂敷在結(jié)構(gòu)上的大干膜厚度大50微米（2密耳）（通常，比制造商建議的大干膜厚度高2密耳），但認(rèn)證報告的厚度不包括額外的2密耳。

試驗板滑移系數(shù)試驗

通過測試五個重復(fù)試樣（每個試樣三個試板）來確定涂層的平均滑移系數(shù)。試驗裝置有兩個主要的加載部件，一個用于向試樣板施加夾緊力，另一個用于對中心板施加壓載荷，從而通過摩擦將載荷傳遞到接合表面（圖2）。螺紋桿插入三個板的鉆孔中，而不是螺栓上。桿端上的螺母固定板，在整個試驗過程中使用液壓缸施加并保持49±0.5 kips的夾緊力，以表示A490螺栓的小夾緊力。隨后以不超過25 kips/分鐘的速度向中心板施加垂直荷載，直到板之間發(fā)生滑移。每個復(fù)制樣本的測試大約需要七分鐘才能完成。

拉伸蠕變是涂層在持續(xù)使用載荷下發(fā)生變形的趨勢，包括由于涂層的顯著壓縮或蠕變變形而導(dǎo)致的夾緊力損失的影響。拉伸蠕變試驗板由5/8英寸厚的扁平碳鋼（同樣沒有凸起邊緣、突出缺陷或彎曲）組成，尺寸為101.5毫米x 177.8毫米（4×7英寸），兩端1?英寸處各鉆兩個1英寸的鉆孔。試驗材料的表面處理和應(yīng)用與為滑移系數(shù)試驗制備的板材相同。每個試樣由三塊板組成，上半部分涂有測試的涂層材料。圖3顯示了用于拉伸蠕變試驗的兩塊板。

三個復(fù)制樣品（每個三個板）以單鏈狀排列連接在一起（圖4和圖5）。夾緊力通過用7/8英寸直徑的A490螺栓連接板的涂漆部分來實現(xiàn)，A490螺栓用相應(yīng)的螺母固定。未涂漆部分僅使用松銷螺栓連接，不屬于測試的一部分。在張力下向鏈條施加負(fù)載并保持1000小時（約42天）。在1000小時結(jié)束時，張力在幾分鐘內(nèi)增加至終載荷。1000小時的鎖定張力和施加在試樣上的終張力均來自基于試樣滑移系數(shù)分類和平均夾緊力的公式。雖然實際夾緊力取決于螺栓類型或安裝方法，但對于B級，鎖定張力小為32.7 kips，終張力小為49 kips。由于螺栓用于固定樣品，如果任何材料（例如，接合表面上或螺栓頭或墊圈/螺母和鋼板下方的油漆、TSC或鍍鋅）受到嚴(yán)重壓縮，則結(jié)果可能會受到影響，這可能會影響夾緊力。

滑移系數(shù)和拉伸蠕變結(jié)果的解釋 INTERPRETATION OF SLIP COEFFICIENT AND TENSION CREEP RESULTS

根據(jù)RCSC規(guī)范，涂層的平均滑移系數(shù)可分為A級或B級，如前所述，A級滑移系數(shù)等級低為0.30，B級低為0.50。

磨料噴砂清理的裸露鋼基底和大多數(shù)的無機鋅底漆都能符合B級要求。一些有機富鋅底漆可以滿足B級要求，但其他的一些有機富鋅底漆則僅能滿足A級要求。對于TSC金屬涂層，F(xiàn)HWA研究（《熱噴涂涂層的滑動和蠕變》，出版物編號FHWA-HRT-14-083）測試了封閉的的和未封閉的100%鋅和85/15（鋅/鋁）合金金屬層。兩個未封閉的金屬涂層系統(tǒng)的滑移系數(shù)均大于0.75，十分容易超過B級的要求。封閉的涂層系統(tǒng)的滑動系數(shù)，100%鋅為0.414，85/15合金為0.439，僅滿足A級的要求。對于拉伸蠕變，兩個未封閉的金屬層系統(tǒng)均符合B級標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)封閉時，兩個涂層系統(tǒng)都失效了，即使拉伸蠕變參數(shù)基于不太嚴(yán)格的A級要求。當(dāng)用于接頭時，TSC金屬涂層不應(yīng)進(jìn)行封閉。

在車間和現(xiàn)場工作中應(yīng)用滑移系數(shù)和拉伸蠕變試驗結(jié)果時，需要注意幾個因素。應(yīng)該意識到測試是在配合面上使用相同的材料進(jìn)行的。例如，將同一品牌X底漆涂敷在測試板的所有表面上，然后為測試的特定產(chǎn)品頒發(fā)證書。雖然也可以將X品牌的無機鋅涂敷于接頭的一面，而將Y品牌無機鋅涂敷于接頭的另一面，但是，除非經(jīng)過專門的測試，否則該認(rèn)證并不涉及在單個接頭中使用兩種不同的品牌。同樣，該認(rèn)證并不涉及一面使用X品牌無機鋅，另一面使用Z品牌有機富鋅，即使這兩種產(chǎn)品都由同一制造商生產(chǎn)，除非經(jīng)過專門的測試。

在裝配接頭之前，必須嚴(yán)格遵守資格測試期間使用的短底漆固化時間；否則，接頭處未固化的油漆可能起到了潤滑劑的作用。RCSC規(guī)范指出，研究表明“在接頭組裝時，所有的固化反應(yīng)都已有效地停止了，而未完全固化的油漆會起到潤滑劑的作用。如果接頭處的固化時間比資格試驗中所使用的固化時間短，那么，組裝后接頭的滑移系數(shù)將會嚴(yán)重降低。因此，接合面匹配前的固化時間是施工期間需要嚴(yán)格規(guī)定和控制的一個重要參數(shù)。”資格試驗確定了實現(xiàn)產(chǎn)品充分固化所需的短時間，從而避免影響結(jié)合面的防滑性能。

認(rèn)證上顯示的大厚度和稀釋劑類型必須不被違反，認(rèn)證才有效。這就是為什么為連接點指定的底漆厚度通常與為鋼材上其余指定的厚度不同(更低)。

測試板通常在背面（螺栓、墊圈和螺母下方）和接合面上涂敷相同厚度的相同材料。也就是說，如果在接合表面上涂敷一層177.8微米（7密耳）的無機鋅底漆，則需要在試板背面也要涂敷177.8毫米（7密耳）的相同無機鋅底漆。試樣背面的油漆對滑移系數(shù)試驗結(jié)果沒有影響，因為(專業(yè)噴漆房、噴漆線及廢氣治理設(shè)備廠家：樊13141458653)在整個試驗過程中，夾緊力始終保持不變。然而，拉伸蠕變試驗樣品背面的油漆可能會影響結(jié)果，因為夾緊力是使用7/8英寸A490螺栓實現(xiàn)的，而夾緊力的損失可能是由于涂層的壓縮造成的

組裝拉伸蠕變樣品，以確定應(yīng)用于背面的全涂層系統(tǒng)的效果。注意預(yù)拉伸螺栓后涂層的可見壓縮。

由于底漆作為正常測試方案的一部分于涂敷于試板背面，因此涂層的任何壓縮都將被納入測試結(jié)果部分。然而，施加在鋼板背面的任何附加涂層對螺栓預(yù)拉伸的影響并未被納入正常的試驗方案。因此，對于給定的項目，如果決定用全涂層系統(tǒng)而不是僅涂敷底漆對拼接板的背面進(jìn)行涂裝，則認(rèn)證并未明確說明全涂層系統(tǒng)對拉伸蠕變性能的影響。然而，需要注意的是，與RCSC規(guī)范密切相關(guān)的專業(yè)人員表示，在鋼板背面涂敷250微米（10密耳）涂層厚度的試樣在過去已經(jīng)成功通過了測試；因此，我們可以假設(shè)高達(dá)381微米（15密耳）的涂層厚度/鍍鋅厚度（在鍍鋅緊固件的情況下）雙系統(tǒng)可能并不會影響結(jié)果。雖然這一假設(shè)可能是有效的，基于現(xiàn)場將使用許多不同的涂料類型和品牌，筆者的觀點是，如果在螺栓連接之前將會在拼接板背面涂敷多種涂層材料，那么應(yīng)該考慮對系統(tǒng)進(jìn)行必要的測試，至少是在那些需要B類認(rèn)證的情況下。

螺栓孔涂漆 PAINTING OF BOLT HOLES

螺栓孔的涂漆不會影響鋼材的防腐壽命，因為一旦螺栓和鋼板安裝就位，外部條件就會被密封起來，可以防止腐蝕。當(dāng)規(guī)定對螺栓孔進(jìn)行噴漆時，通常也是為了防止在噴漆和組裝期間螺栓孔內(nèi)可能形成銹蝕。

AASHTO/NSBA《鋼橋協(xié)作S 8.1-2014》中提供了有關(guān)螺栓孔涂漆的建設(shè)性信息資源，該文件也作為SSPC-PA指南13《鋼制橋梁富鋅底漆涂層系統(tǒng)應(yīng)用指南規(guī)范》出版。

SSPC-PA Guide 13 states the following in paragraph 3.4:

SSPC-PA指南13第3.4段規(guī)定了以下內(nèi)容：

“待涂漆的其他表面和待使用的涂層系統(tǒng)應(yīng)如計劃和/或合同文件所示。除非另有說明，否則嵌入混凝土的法蘭表面或螺栓孔內(nèi)不需要進(jìn)行涂漆，盡管法蘭表面和螺栓孔內(nèi)允許出現(xiàn)一些噴逸(overspray)?！?/p>

螺栓孔內(nèi)部僅出現(xiàn)一些噴逸的漆霧。

另一份文件SSPC-PA 1《鋼材的車間、現(xiàn)場和維護(hù)涂裝》已經(jīng)進(jìn)行了修訂，正在進(jìn)行終審核。雖然以下內(nèi)容在撰寫本文時尚未獲得SSPC的正式批準(zhǔn)，但它確立了負(fù)責(zé)起草修訂的委員會的立場。注意后一句話。

“7.8.1摩擦連接中用高強度螺栓連接的構(gòu)件的接觸面（接合面）應(yīng)根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防滑等級提供所需的滑動系數(shù)(專業(yè)噴漆房、噴漆線及廢氣治理設(shè)備廠家：樊13141458653)。未涂敷的接合表面應(yīng)符合規(guī)定等級的表面處理和清潔度要求，并且應(yīng)無油和油脂。如果要求或允許接合表面使用涂層，則所用涂層應(yīng)進(jìn)行測試并認(rèn)證其能達(dá)到所需的等級（見注釋15.13），且不得超過測試時的涂層厚度。除非采購文件中有規(guī)定，否則無需在螺栓孔內(nèi)部涂敷或去除涂層，盡管經(jīng)常會存在一些噴逸造成的漆霧?！?/p>

常見的情況是，螺栓孔中只是偶爾地涂上了噴逸的油漆，而不是特意涂覆上去的（圖7）。

緊固件的清潔和噴漆 CLEANING AND PAINTING OF FASTENERS

螺栓連接使用多種緊固件類型，但以下討論僅限于黑色螺栓和鍍鋅螺栓（熱浸鍍鋅和機械鍍鋅）。SSPC-PA指南13還涉及第5.4節(jié)和第5.5節(jié)中的緊固件涂裝。

黑色螺栓 BLACK BOLTS

根據(jù)SSPC-PA指南13，當(dāng)在清潔和涂漆之前安裝黑色螺栓時，緊固件應(yīng)與鋼材一起進(jìn)行噴砂清理，以達(dá)到規(guī)定的表面清潔度和輪廓，并涂上與結(jié)構(gòu)規(guī)定相同的無機或有機鋅。（請注意，本指南僅適用于鋅底漆的使用。如果在結(jié)構(gòu)上使用非鋅底漆，則應(yīng)在緊固件上也使用相同的底漆。）

當(dāng)完成噴漆后安裝黑色螺栓時，指南建議在噴漆前對緊固件進(jìn)行噴砂清理。雖然噴漆后對安裝的螺栓進(jìn)行噴砂清理可獲得良好的涂層外觀，但在實施過程中，這種方法存在明顯的缺陷。為了正確制備緊固件，噴砂嘴必須與緊固件表面成多個不同的制備角度，保持多個方向的制備處理。其結(jié)果就是可能對緊固件附近完好涂層造成嚴(yán)重的過度噴砂損壞。

當(dāng)完成噴漆后安裝黑色螺栓時，指南建議在噴漆前對緊固件進(jìn)行噴砂清理。雖然噴漆后對安裝的螺栓進(jìn)行噴砂清理可獲得良好的涂層表面，但在實施過程中，這種方法存在明顯的缺陷。為了正確準(zhǔn)備緊固件，噴砂嘴必須與表面成許多不同的角度，并指向多個方向。其結(jié)果是可能對緊固件附近完好的涂層造成嚴(yán)重的過度爆炸損壞。

如果車間涂層已經(jīng)包括了底漆涂層和環(huán)氧中間涂層，則應(yīng)在潛在的損壞區(qū)域涂上為修補結(jié)構(gòu)而指定的中間涂層。受損區(qū)域的中間涂層的制備應(yīng)與規(guī)范要求的用于制備中間涂層以獲得現(xiàn)場飾面的相同。如果損傷暴露出鋼基底，則應(yīng)在涂敷中間涂層之前到在這些位置將底漆點涂修復(fù)。

如果所有涂層均已在車間完成涂敷，則必須嚴(yán)格評估損壞程度，以確定是否僅使用面漆修補就足夠了，或者是否需要現(xiàn)場完整地涂敷底漆和中間涂層以及終涂層。在涂抹飾面層時，可能需要先對現(xiàn)有飾面層進(jìn)行粗化處理，以獲得良好的附著力。還應(yīng)該認(rèn)識到，使用新飾面層修復(fù)的區(qū)域?qū)⒑苋菀妆豢闯鰜?，因此很重要的一點就是將涂覆區(qū)域修復(fù)成正方形，但但是，如果拼接的外觀不可接受，則必須將修復(fù)的飾面涂覆于合理的結(jié)合處。

為了避免在組裝后需要對螺栓進(jìn)行噴砂清理并進(jìn)行維修，在可行的情況下，指定人員使用鍍鋅螺栓或經(jīng)過處理的螺栓（例如，具有專有的無機涂層），這些螺栓可以在溶劑清洗和/或壓力清洗以及有限的手動/動力工具清洗后進(jìn)行現(xiàn)場涂漆。

鍍鋅螺栓 GALVANIZED BOLTS

SSPC-PA指南13建議鍍鋅螺栓應(yīng)按照SSPC-SP 1“溶劑清洗”、SSPC-SP 2“手動工具清理”、SSPC-SP 3“動力工具清理”和/或SSPC-SP 12(水射流）進(jìn)行制備。自SSPC-PA指南13發(fā)布以來，SSPC-SP 12已被四個單獨的噴水標(biāo)準(zhǔn)SSPC-SP WJ-1至WJ-4取代。

本指南還介紹了涂抹在螺栓上的潤滑蠟/染料的去除工藝，指南提出可以使用堿性的家用清潔劑（如氨水）進(jìn)行去除，同時要小心確保清潔劑中的殘留物也被完全去除。關(guān)于潤滑劑清潔的一個爭議方面在于是否必須去除所有的染料。《指南》第5.4.4節(jié)要求去除“過量的染(專業(yè)噴漆房、噴漆線及廢氣治理設(shè)備廠家：樊13141458653)料”，并在5.4.4的注釋中指出，“鍍鋅螺母在風(fēng)化或所需的表面處理后殘留的任何染料顏色都不會對后續(xù)涂層性能或外觀造成損害。可以使用不染色的白布擦拭試驗來確認(rèn)所有潤滑劑和未吸收的染料都已去除，只會在表面上殘留一些‘污漬’”。

雖然《指南》指出，螺母上的殘留染色不應(yīng)成為問題，但沒有標(biāo)準(zhǔn)來描述或者設(shè)定可接受的染色保留量，因此必須根據(jù)項目的具體情況做出決定。圖8顯示了針對項目的各種清理方法的檢查結(jié)果。顯示了潤滑劑/染料的初始外觀和清洗后殘留的污漬。對于該項目而言，MEK溶劑被確認(rèn)為一種比氨更有效的清潔劑。污漬通過了白布測試，當(dāng)使用該項目指定的涂層系統(tǒng)進(jìn)行噴漆時，附著力沒有受到影響。

當(dāng)鍍鋅層在緊固過程中出現(xiàn)損壞，且緊固件指定需要涂漆時，如何處理損壞在不同中規(guī)范要求也是各不相同。但首先，應(yīng)評估損壞的類型。例如，“涂抹”鍍鋅仍然具有保護(hù)作用。在鍍鋅層完全去除且鋼基底暴露的區(qū)域，規(guī)范通常要求在受損區(qū)域點涂有機富鋅底漆或環(huán)氧樹脂膠泥（通常填充鋁粉），然后在結(jié)構(gòu)的其余部分涂敷相同的中間漆和面漆。

在任何類型的緊固件上涂敷涂層主要的問題是確保涂層完全徹底地涂抹到任何的縫隙和螺紋中，并在邊緣上適當(dāng)?shù)匦纬啥逊e，因為這些區(qū)域通常都是先腐蝕的區(qū)域。

總結(jié) SUMMARY

當(dāng)螺栓連接具有摩擦型加固性時，必須在認(rèn)證要求的厚度和稀釋參數(shù)范圍內(nèi)涂敷認(rèn)證的涂層材料，且接頭的組裝時間不得早于認(rèn)證測試所用的固化時間。當(dāng)TSC金屬涂層用于接頭的接合表面時，根據(jù)FHWA進(jìn)行的測試要求，不應(yīng)封閉TSC金屬層。如果選擇在螺栓連接前將全涂層系統(tǒng)應(yīng)用于拼接板的背面，則應(yīng)首先考慮對其進(jìn)行測試，以確保由于涂層壓縮而可能產(chǎn)生的任何預(yù)拉伸損失不會對拉伸蠕變結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

對于螺栓孔，除非在裝配前有些生銹是不可接受的，否則通常的做法是不要求對內(nèi)表面進(jìn)行涂漆，而是允許噴逸的漆霧粘到孔中，作為構(gòu)件表面涂層的一部分。在涂漆后安裝黑色緊固件時，涂漆前的噴砂清理可能會對周圍涂層造成嚴(yán)重?fù)p壞。如果可行，應(yīng)考慮替代緊固件，如鍍鋅或處理，以避免現(xiàn)場噴砂清理。在涂漆之前，緊固件必須清除表面污染，如果是鍍鋅螺母，則應(yīng)清除潤滑劑，以確保后續(xù)涂層的附著力不會受到影響。如果對清潔的充分性和剩余污漬的可接受性存在疑問，可在測試基礎(chǔ)上應(yīng)用涂層系統(tǒng)并檢查附著力。在所有情況下，當(dāng)緊固件涂漆時，必須將規(guī)定的涂層徹底涂抹在螺紋、裂縫和邊緣上。