重防腐技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝中的應(yīng)用

1.鋼橋的結(jié)構(gòu)特點及其采用重防腐技術(shù)的必要性

現(xiàn)階段國內(nèi)外鋼制橋梁的結(jié)構(gòu)形式非常豐富，主要形式有大型鋼箱梁結(jié)構(gòu)、鋼桁架結(jié)構(gòu)、鋼管拱或鋼箱拱結(jié)構(gòu)，以及多種鋼制疊合梁結(jié)構(gòu)等，相對于一般的混凝土橋梁，鋼制橋梁具有跨越能力大、強度高、建造周期短等上風。

從1955年第一座跨越長江的鋼桁架橋梁——武漢長江大橋的建成以來，大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁不斷涌現(xiàn)，這類橋梁的鋼材用量一般都在萬t甚至10萬t以上。而表面腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲憊是使這種特大鋼橋構(gòu)件產(chǎn)生外觀缺陷、壽命降低以至失往工作能力的重要原因之一。

到目前為止，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕題目正在給世界各國的國民經(jīng)濟帶來巨大的損失。一些主要的產(chǎn)業(yè)國家每年由于鋼結(jié)構(gòu)腐蝕而造成的經(jīng)濟損失約占國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的2%一4%。美國1975年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失約為700億美元，約占當年國民生產(chǎn)總值的4.2%，1982年高達1260億美元； 英國1969年腐蝕損失為13.65億英鎊，占國民生產(chǎn)總值的3.5%；日本1976年腐蝕損失為92億美元，占國民生產(chǎn)總值的1.8%；據(jù)我國1995年統(tǒng)計，腐蝕損失高達1500億元人民幣以上，約占國民生產(chǎn)總值的4%。

目前，全世界每年因鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟損失已高達數(shù)千億美元以上。而且，鋼結(jié)構(gòu)由于腐蝕造成的事故危及到結(jié)構(gòu)的安全運行，腐蝕引起的災(zāi)難性事故屢見不鮮，特別是焊接鋼結(jié)構(gòu)和承受較大應(yīng)力狀況下的鋼結(jié)構(gòu)，由于在應(yīng)力作用下，腐蝕將大大的加速。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護日漸成為人們關(guān)注的課題。只有在設(shè)計建造時，針對其自身的結(jié)構(gòu)特點和所處的環(huán)境條件采用相應(yīng)的重防腐技術(shù)，同時公道考慮后期的涂層養(yǎng)護，才能確保鋼橋的正常使用和長久壽命。

2.重防腐技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

2.1重防腐技術(shù)的應(yīng)用趨勢

在歐美地區(qū)鋼橋的防腐發(fā)展過程是：20世紀40年代為油漆防腐；50～70年代為重防腐涂料防腐、熱浸鋅防腐、火焰噴涂防腐、電弧噴涂防腐并存；80年代以后，隨著電弧噴涂技術(shù)的發(fā)展，電弧噴涂防腐得到廣泛應(yīng)用，初期大多為噴涂鋅，現(xiàn)在電弧噴涂鋁日漸成為防腐發(fā)展的趨勢。

20世紀90年代后，隨著國際交流的日益頻繁，歐美的一些技術(shù)先進的重防腐涂料品牌相繼進進我國，如Akzo Nobel、丹麥的Hempel、荷蘭的Sigma等國際著名的涂料公司相繼在國內(nèi)建廠，客觀上促進了國內(nèi)重防腐技術(shù)的發(fā)展，逐步改進了我國鉛系涂裝體系的傳統(tǒng)模式，形成了以金屬噴涂和含鋅涂料為核心的重防腐技術(shù)。

2.2 目前流行的橋梁鋼結(jié)構(gòu)外表面重防腐配套表

2-1 體系編號品種涂料類型應(yīng)用實例

體系一 噴鋁 電弧噴鋁  封閉漆 環(huán)氧云鐵封閉漆 中間漆 環(huán)氧云鐵中涂漆 面漆 聚氨酯面漆 武漢陽邏長江大橋（在制）、武漢軍山長江大橋、海南瓊州大橋、浙江千島湖南浦大橋、船山桃夭門大橋、萬縣長江大橋等

(桃夭門大橋 圖源：wikipeida)

體系二 底漆 無機硅酸富鋅底漆  封閉漆 環(huán)氧鐵紅封閉漆 中間漆 環(huán)氧云鐵中間漆 面漆 聚氨酯面漆 體系三 底漆 環(huán)氧富鋅底漆 上海黃浦大橋、上海楊浦大橋、蕪湖長江大橋、東莞大汾北橋等 中涂漆 環(huán)氧云鐵中間漆 面漆 各類型面漆  廣東佛山東平大橋（在制）、廣東虎門大橋、廈門海滄大橋、南京長江二橋、宜昌長江大橋、日本明石海峽大橋等

(日本明石海峽大橋 圖源：FknvermiLLion)

3.橋梁鋼結(jié)構(gòu)的重防腐涂料涂裝

3.1 重防腐涂料涂層的作用機理和失效機理

隨著涂裝工藝的發(fā)展，重防腐涂裝成為鋼橋防腐的主流（如表2-1中的體系二與體系三）。在重防腐涂料中，其防腐涂裝工藝和涂料品種都非常相似，即涂層設(shè)計由底漆、中間漆和面漆組成的多層涂裝體系；油漆品種均為環(huán)氧（無機）富鋅底漆、環(huán)氧云母氧化鐵中間漆和聚氨酯類或環(huán)氧類或氯化橡膠面漆等組成。其作用機理如表3-1所示。表3-1 編號 作用類型 作用機理 1 屏蔽作用 涂層將鋼鐵與腐蝕環(huán)境機械隔離開。

3.2 鈍化緩蝕作用涂裝

體系中，第一道車間底漆對鋼鐵有鈍化緩蝕作用，增加油漆層附著力3.3 陰極保護作用防腐底漆中如添加鋅粉（如富鋅底漆），對鋼鐵提供陰極保護 涂層對橋梁鋼結(jié)構(gòu)提供的腐蝕保護以機械屏蔽的隔離防護為主，涂層的老化、粉化使這種隔離作用減弱或失往作用，其陰極保護作用的鋅粉是*涂料中成膜物質(zhì)的粘合與鋼鐵相結(jié)合，隨著成膜物質(zhì)的裂解、老化使鋅粉無法與鋼鐵相結(jié)合，這樣陰極保護作用自然消失。其次，油漆涂層本身有無數(shù)微針孔，長期處在鹽霧、濕潤環(huán)境下，氯離子、水分子等會透過針孔腐蝕基體金屬，在油漆層與基體金屬交界處鋼鐵腐蝕產(chǎn)物體積積聚膨脹，導致油漆層剝落，腐蝕并沿著油漆層剝落處四周迅速擴展，導致整個防腐體系失效。

3.2 重防腐涂料的施工工藝

3.2.1 重防腐涂層的涂裝前表面處理

重防腐涂層底漆的涂裝前表面處理等級通常為清潔度Sa2.5-Sa3.0級、相對粗糙度25-70μm，表面處理通常采用噴砂、噴丸等噴射除銹方式，局部小面積區(qū)域可機械除銹至St3級。

特殊情況下，如水性無機富鋅涂料的表面處理等級要求更高，有時其清潔度要求必須達到金屬噴涂的表面處理等級。 3.2.2高壓無氣噴涂工藝的廣泛應(yīng)用目前，國內(nèi)外最流行的方式涂料噴涂方式是采用高壓無氣噴涂工藝。其工作原理是將涂料增壓到210千克/平方厘米，通過噴嘴把涂料霧化成細小的微粒，直接噴射到被涂物表面。與一般的空氣噴涂方式相比，高壓無氣噴涂具有效率高、涂料損失小、涂膜成膜厚、遮蓋率高、附著力強等特點，很好地適應(yīng)了橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐的大面積涂裝。

（虎門二橋鋼箱梁涂裝 圖源： 宋丙軍/上海建冶科技股份公司）

3.2.2 高壓無氣噴涂工藝的廣泛應(yīng)用

目前，國內(nèi)外最流行的方式涂料噴涂方式是采用高壓無氣噴涂工藝。其工作原理是將涂料增壓到 210 千克/平方厘米，通過噴嘴把涂料霧化成細小的微粒，直接噴射到被涂物表面。

與一般的空氣噴涂方式相比，高壓無氣噴涂具有效率高、涂料損失小、涂膜成膜厚、遮蓋率高、附著力強等特點，很好地適應(yīng)了橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐的大面積涂裝。

3.2.3 無機富鋅涂料的涂裝及后養(yǎng)護無機富鋅涂料

由于硅酸鹽或硅酸乙醋水解物在與鋅粉結(jié)合的同時還與鋼鐵反應(yīng)形成硅酸鋅鐵，對鋼鐵表面形成很強的化學鍵，從而可抵抗水、海水、氯化物的腐蝕。

無機富鋅涂料耐蝕、耐久性遠優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂料，據(jù)（美國）國家航空-航天總署（NASA）報告，在各類富鋅涂料中，耐腐蝕性能最佳的為水性無機富鋅涂料，它在海洋大氣條件下的使用壽命至少為25年。無機富鋅涂料的防銹蝕機理，是通過鋅粉與基材鋼鐵表面直接接觸，并形成很強的化學鍵結(jié)合，當水分滲透漆膜時就會形成一個由鋅粉和基材鋼板組成的電池，因鋅的電化學活性（標準電極電位為-0.763 V）較鐵（-0.449 V）活潑，電流由鋅流向鐵，使鋼鐵受到陰極保護。因此對基材表面的處理要求嚴格，必須達到Sa 2.5級，并使表面有一定粗糙度，增加基材的表面積，確保鋅粉能同鋼鐵緊密接觸，如處理不完全，有銹層殘存時，上述防銹機理就不能成立。以下為水性無機富鋅涂料的成膜機理。 式中：Me — Na、K、Li H+ — ①對后固化涂料為外加酸性化合物如稀H3PO4 ②對自固化涂料為空氣中的（CO2+H2O）水性無機富鋅涂料以水為稀釋劑，只有通過水分的揮發(fā)才能使?jié)衲ば纬晒杷徜\致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的漆膜，因此這類涂料必須在規(guī)定的溫度（表面施工溫度5℃以上，50℃以下）和濕度（相對濕度85%以下）環(huán)境下施工。同時由于無機富鋅涂料在固化時必須吸收空氣中的水分，因此對其涂層的后養(yǎng)護須保持空氣相對濕度在60%以上，其固化時間也在5-7天。

3.3 金屬噴涂技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

目前，重防腐涂料的防腐壽命一般為10～15年，世界各國大量應(yīng)用實例都證實了這一點。英國標準BS5493中規(guī)定無論何種環(huán)境，防腐年限在15年以上主張采用金屬噴涂防腐（如噴鋅、噴鋁）。

3.3.1 金屬噴涂（電弧噴涂）的防腐原理

金屬噴涂技術(shù)中尤以電弧噴涂應(yīng)用最為普遍，其應(yīng)用遠景也更為廣泛（如表2-1中的體系一）。電弧噴涂防腐原理是利用電弧噴涂設(shè)備，對兩根帶電的金屬絲（如鋅、鋁等）進行加熱、熔融、霧化、噴涂形成防腐涂層，外加有機封閉涂層的長效防腐復(fù)合涂層，該涂層的明顯特點是：

·具有較長久的耐腐蝕壽命，其防腐壽命可達到50年以上，同時該防腐涂層在30年使用期內(nèi)無須其它任何防腐維護；30年以后的維護，僅須在電弧噴涂層上刷封閉涂料；無須重新噴涂，實現(xiàn)一次防腐，涂層經(jīng)久有效。

·電弧噴涂層與金屬基體具有優(yōu)良的涂層結(jié)協(xié)力（可達10Mp以上），金屬噴涂層以機械鑲嵌和微冶金與基體金屬相結(jié)合，在稍微的彎曲、沖擊或碰撞下也能確保防腐涂層不脫落、不起皮、結(jié)合牢固、防腐長久有效，這一點是其它任何表面防腐涂層無法達到的。（3）電弧噴涂鋅、鋁涂層防腐原理為陰極保護，在腐蝕環(huán)境下，即使防腐涂層局部破損，仍具有犧牲自己保護鋼鐵基體之效果。涂層（陽極）與鋼鐵基體（陰極）的面積比≥1；而富鋅涂料的陽極與陰極比都<1，其保護效果和結(jié)協(xié)力也遠遠低于電弧噴涂防腐涂層。

3.3.2 電弧噴涂的技術(shù)優(yōu)勢

電弧噴涂同火焰噴涂相比，由于采用了電能代替氣體燃燒，大大進步了工作效率和工作安全性，特別是電弧噴涂機械化設(shè)備的出現(xiàn)，電弧噴涂技術(shù)已完全可以滿足橋梁建設(shè)工期的需要，且電弧溫度遠高于火焰，涂層結(jié)協(xié)力也遠大于火焰噴涂，因此涂層質(zhì)量也完全可以滿足長效防腐的需要。

美國由于人工用度高，使用電弧噴涂防腐施工的用度甚至低于重防腐油漆。經(jīng)過幾十年的考驗證實，噴涂技術(shù)是鋼鐵結(jié)構(gòu)長效防腐的最好方法，這個結(jié)論已經(jīng)得到世界很多國家的政府部分和工程界的認可。

3.3.3 電弧噴涂的施工工藝

一般電弧噴涂設(shè)備由整流電源、控制裝置、噴槍、金屬絲盤架或送絲裝置、壓縮空氣供給系統(tǒng)等組成。金屬絲盤架和壓縮空氣供給系統(tǒng)與線材火焰噴涂相同。電弧噴鋅、噴鋁工藝參數(shù)除與噴涂材料有很大關(guān)系外，還取決于使用的設(shè)備和生產(chǎn)效率的要求。

3.3.4電弧噴涂長效防腐在國內(nèi)的應(yīng)用

電弧噴涂長效防腐技術(shù)于20世紀90年代起，先后在煤礦、鐵道、水利、港口碼頭、冶金、機械、廣播電視、醫(yī)療、電力、消防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如寶山鋼鐵團體馬跡山港碼頭鋼樁、上海磁懸浮快速列車軌道功能件、長江三峽水利關(guān)鍵工程、武漢軍山長江大橋鋼箱梁及橋面等國家重點建設(shè)項目，以及淳安千島湖南浦大橋、長江黃柏河大橋、下牢溪大橋、廣州機場三元里立交橋、徐連高速公路邳州運河大橋等鋼結(jié)構(gòu)橋梁均采用了電弧噴涂長效防腐技術(shù)進行了腐蝕防護，并取得很好的防腐效果。我國已完全有能力采用電弧噴涂長效防腐技術(shù)解決國家大型鋼橋梁的腐蝕防護題目。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)的重防腐技術(shù)至今，逐漸形成了兩大發(fā)展趨勢，一是發(fā)展迅速的以無機富鋅涂料為基底的重防腐體系，二是較為成熟的以金屬噴涂層作為基底的重防腐體系，這兩種體系由于具有優(yōu)良的防腐性能和環(huán)境適應(yīng)性，受到各類型鋼結(jié)構(gòu)橋梁防腐的關(guān)注。在未來的幾十年將為國家節(jié)約大量的鋼橋防腐維護用度，減少環(huán)境污染，延長鋼橋的使用壽命，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。