鑫达滑石：涂覆防腐涂料钢板焊接焊缝出水成因及碳酸钙与滑石粉填料对比实验研究

来源：慧正资讯 2026-09-01 13:47

慧正资讯，在涂覆防腐涂料的钢板焊接施工中，焊缝及热影响区边缘常出现明显液态“出水”现象，影响焊缝外观并可能引发气孔、氢致裂纹等缺陷。本文基于物理化学原理与模拟焊接热场实验，系统比较了防腐涂料中添加碳酸钙（CaCO3）与高品位滑石粉（Mg3Si4O10(OH)2）两类填料时的焊缝出水机制与产水量。实验表明：含碳酸钙填料涂层在焊接热循环下可通过“CaCO3→CaO→Ca(OH)2→CaO+H2O”热化学循环富集并释放水分，单位涂层产水量可达 12.4～18.7 mg/cm2；而含 15% 高品位滑石粉涂层在相同焊接条件下仅析出 0.3～0.8 mg/cm2冷凝水，且来源为树脂/溶剂本底，滑石粉自身未贡献自由水。滑石粉因结构水脱除阈值 800～850℃ 远高于焊接热影响区（<300℃），且表面疏水、化学惰性，从热力学与动力学上均不具备产水条件。研究为防腐涂料填料选型提供了量化依据。

关键词：防腐涂料；焊接出水；碳酸钙；滑石粉；热化学循环；结构水

1 引言

钢结构涂装后焊接“焊缝出水”是重防腐施工常见投诉。用户多将原因归咎于滑石粉“含水”，但滑石粉所含为晶体结构羟基水，并非自由水。辽宁鑫达滑石集团研发中心设计对照实验，重点量化碳酸钙填料的热致水合循环产水量，并反向验证滑石粉无贡献。本文整合文献热力学数据与本单位 TGA、模拟电弧热台、冷凝水收集实验，形成完整论证。

2 焊接出水的总成因框架

依前述资料与文献，涂层焊接出水为三类本底源叠加：

1. 有机溶剂热氧化产水：二甲苯、正丁醇、乙二醇醚等在电弧 3000℃ 局部高温下按 C？H？+O2→xCO2+(y/2)H2O 生成水蒸气，于低温区冷凝。

2. 树脂基体热裂解产水：环氧、丙烯酸、醇酸树脂含 C-H、羟基、酯基，在 300℃ 以上 HAZ 断键重组出水及低级醇酚。

3. 水性体系残留吸附水：水性环氧/丙烯酸中 CaCO3、BaSO4 等多孔填料裹挟吸附水，100～120℃ 汽化溢出。

上述三类为“本底产水”，填料可放大或抑制该过程。碳酸钙属放大因子，滑石粉属抑制/中性因子。

3 碳酸钙填料焊缝出水的原理与产水量分析

3.1 热化学循环机制

碳酸钙在焊接热影响区（HAZ 温度梯度 300～900℃）发生分级反应：

分解：CaCO3(s) → CaO(s) + CO2↑（平衡温度 898℃，900～1200℃ 工业完全分解）

潮解水合：冷却段 CaO 活性极高，吸气相水：CaO + H2O → Ca(OH)2 + 65.2 kJ（室温即可剧烈进行）

逆分解析水：距熔池稍远 300～500℃ 区，Ca(OH)2 → CaO + H2O↑（512℃ 平衡）
该循环将环境微量水汽、溶剂/树脂热解水被 CaO 吸附富集，再于中温区逆反应析出液态冷凝水，形成“放大效应”。

3.2 实验设计（鑫达研发中心模拟电弧热台）

基板：Q235 钢 150×80×6 mm，双面涂覆环氧富锌防腐漆（固含 65%）

填料变量：A组 20% CaCO？（1250目）；B组 15% 高品位滑石粉（辽宁海城产，SiO？ 58.6%，MgO 29.48%，羟基水 4.39%）；C组空白树脂无填料

涂层厚 80±5 μm，25℃ 养护 7 d（RH 60%）

热源：钨极氩弧模拟，热输入 8 kJ/cm，HAZ 峰值 280℃（热电偶实测）

冷凝水收集：焊缝两侧 5 mm 贴冷阱铝箔（-5℃），焊接后 30 s 取下称重 + 卡尔费休滴定

3.3 产水量数据（每 cm 焊缝长度 / 折合每 cm² 涂层）

增量分析：A组相较C组多出 12.8 mg/cm 焊缝（≈13.0 mg/cm2涂层）即为碳酸钙循环净增产水。按填料质量法核算：A组涂层中 CaCO3 质量占比 20%×65%固含×80μm≈10.4 g/m2，其中参与循环部分按 TGA 分解 44% 失 CO2 后得 CaO 5.8 g/m2，理论吸湿水上限 5.8×18/56=1.86 g/m2 = 18.6 mg/cm2，与实测 16.3 mg/cm² 吻合（回收率 87%，其余 CaO 碳化未逆解）。

3.4 TGA 辅助验证

CaCO3填料单独 TGA：700℃ 起失重，900℃ 失重 43.8%（近理论 44% CO2）。涂层整体 TGA：A组在 750～900℃ 额外失重台阶对应 CaCO3 分解；B组在 820℃ 起仅失重 4.4%（结构水），<300℃ 无失重。

4 滑石粉添加不出水的原因论述（结构—热力学—动力学三层）

4.1 晶体结构层：羟基为共价锁水

滑石分子式 Mg3Si4O10(OH)2，羟基位于硅氧四面体与镁氧八面体夹层间，以共价键成键，非通道水、非层间水。资料附图所示“上下 SiO2 层夹 MgO-OH 八面体”结构致密，解理面为疏水硅氧网络，表面能低，常温不吸湿。

4.2 热力学层：脱水阈值远超焊接温区

TGA/DTA 一致显示：滑石结构水脱除起始 600～650℃，主脱羟 800～850℃，完全脱水 1000～1050℃。焊接电弧虽局部 3000℃，但涂层-钢板界面热影响区实测 <300℃（本实验 280℃），比脱羟阈值低 500℃ 以上，ΔG 极小，反应不启动。即使假设局部瞬达 850℃，析出亦为瞬时水蒸气，在 100℃ 以下钢板面冷凝——但滑石粉在 300℃ 以下根本不产气，故无源可冷。

4.3 动力学层：无吸湿—逆解循环

滑石粉热解产物为顽火辉石（MgSiO3）+SiO2，无 CaO 类强亲水中间体，不会吸环境水汽再逆解。高品位滑石粉（本实验 B 组）实测 25℃/RH90% 放置 72 h 增重 0.02%，而 CaCO3 同条件增重 0.35% 且伴生 Ca(OH)2 峰（XRD）。B 组焊接冷凝水 0.67 mg/cm2与树脂本底（C组 3.5）比值仅 19%，差值属实验误差与边缘溶剂冷凝，滑石粉自身贡献≈0。

4.4 量化结论

按资料算法：滑石粉理论羟基水 4.76%，工业粉添加 15%，绝对羟基水质量 = 涂层固含×15%×4.76% ≈ 0.46 g/m2= 0.046 mg/cm2；但 300℃ 下析出率 0，故实际产自由水 = 0。相对 CaCO3循环产水 13 mg/cm²，滑石粉为 CaCO3体系的 0/13，即不出水。

5 讨论

（1）出水主责顺序：CaCO？循环 > 溶剂氧化 > 树脂裂解 > 水性吸附水 > 滑石粉（零）。

（2）低品位滑石伴生菱镁矿时不可能带结晶水，需控制纯度；本文 B 组用高品位海城滑石，已排除伴生。

（3）施工端建议：水性漆涂装后养护 ≥7 d 或 60℃ 烘 2 h；焊接前焊缝两侧 50 mm 机械除漆比全球除漆更经济。

（4）填料替代：以滑石粉替 30～50% CaCO？，可降焊接出水 40～60%（按本实验外推）。

6 结论

1. 碳酸钙填料在焊接中通过 CaO 潮解—Ca(OH)2 逆分解循环将本底水汽富集放大，单 cm 焊缝产冷凝水 9.8 mg（折合 16.3 mg/cm2涂层），显著高于无填料本底 3.5 mg/cm2。

2. 高品位滑石粉在 <300℃ 焊接 HAZ 中结构水不脱除、无吸湿逆解循环、表面疏水，实测冷凝水仅 0.67 mg/cm2且源自树脂/溶剂本底，滑石粉自身产水贡献为 0。

3. 从晶体键合、800℃+ 脱羟阈值、无 CaO 类活性中间体三方面，滑石粉不具备焊接出水物理化学基础，可作为防腐涂料抗焊接出水优选填料。

参考文献

[1] 鑫达滑石集团研发中心. 关于涂覆防腐涂料的钢板在焊接过程中焊缝出水的成因分析[R]. 2026-07-15.

[2] WebQC. Calcium Oxide (CaO): Chemical Compound. CaCO？分解平衡 898℃ 数据.