橋梁鋼結構防腐蝕技術探析
日期：2017-08-02 10:21:49
1.鋼橋特點及腐蝕危害
鋼橋具有跨越能力大、強度高、建設速度快、施工期限短等特點。1955年武漢長江大橋的建成使萬里長江聳立起中國人民征服長江的第一座豐碑；近年來，隨著國家基礎設施建設速度的加快，大型鋼結構橋梁不斷涌現。修建一座跨江或跨海的特大型鋼橋，使用鋼材的數量一般都在萬噸甚至10萬噸以上。而腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞是使這種特大鋼橋構件退出工作、壽命降低的重要原因之一。
在20世紀20～30年代歐洲和北美發達國家建造一些鋼橋，因當時防腐技術不能提供長久的腐蝕保護，使得這些鋼橋投入運營后腐蝕嚴重，即使進行定期的刷油漆維護也不能獲得滿意的保護，只得將這些鋼橋降級使用或續建第二座橋，給國家造成巨大的經濟損失；1967年美國東部快樂岬與諾加之間的一座鐵橋，在使用40年后塌落于俄亥俄河中，使46人喪生，調查表明，倒塌原因系大氣腐蝕造成的應力腐蝕開裂。為此鋼鐵橋梁的腐蝕已引起各國的高度重視。據1997年報道，武漢長江大橋每年投入維護費100多萬元，但仍遠遠不夠；腐蝕不僅浪費了大量的人力物力，也大大縮短了橋梁的使用年限。
橋梁鋼結構的腐蝕防護日漸成為人們關注的課題。只有在設計建造的同時，對其進行卓有成效的防腐，才能確保鋼橋的長久壽命。
2.國內外橋梁鋼結構防腐發展的歷史沿革
在歐洲和北美地區鋼橋的防腐發展過程是：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，隨著電弧噴涂技術的發展，電弧噴涂防腐與火焰噴涂相比涂層與基體結合力高、生產效率高，因而得到廣泛應用，初期大多為噴涂鋅，現在電弧噴涂鋁日漸成為防腐發展的趨勢。對環境污染嚴重的含重金屬涂裝底漆和大量有機揮發物的重防腐涂料基本不再在這些發達國家本土使用。
我國鋼橋梁腐蝕到目前為止，仍集中采用刷油漆防腐。建國50年來，鋼橋梁防腐技術的變化也主要集中在對油漆的種類進行調整。如20世紀50～60年代鋼橋梁防腐采用紅丹防銹漆加云鐵醇酸面漆的鉛系環境污染涂料，并一直主導著我國鋼橋梁的防腐。隨著大型鋼橋梁的建設，其防腐問題開始突出，鉛系涂裝體系的防腐耐久性差和維護費用高昂的缺點日漸顯現，80年代開發了重防腐涂料，經過對底、中、面漆的配套使用，使鋼橋的防腐壽命有較大提高，90年代國外重防腐同類涂料開始涌入國內市場。重防腐涂料僅能提供鋼橋10年左右的防腐壽命，10年后必然面臨巨大的防腐維護費用，這在歐洲已被事實所證實。
3.橋梁鋼結構防腐的各種方法
3.1 重防腐油漆涂裝防腐蝕
3.1.1 重防腐油漆的作用機理
油漆防腐具有美麗的外觀，簡單的涂裝工藝，多年來一直被廣泛采用。隨著涂裝工藝的發展，重防腐涂裝成為鋼橋防腐的主流。在重防腐涂料中，無論是國外名牌油漆，還是國內品牌油漆，其防腐涂裝工藝和涂料品種都非常相似，即涂裝工藝由底漆、中間漆和面漆組成的多層涂裝體系；油漆品種均為環氧（無機）富鋅底漆、環氧云母氧化鐵中間漆和環氧聚氨酯或環氧各色面漆或氯化橡膠面漆等組成。
其作用機理為：①屏蔽作用：油漆涂層將鋼鐵與腐蝕環境機械隔離開。②鈍化緩蝕作用：油漆涂裝體系中，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，防腐作用很微弱。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。
3.1.2 重防腐油漆的失效機理
油漆對鋼橋梁提供的腐蝕保護以機械屏蔽的隔離防護為主，油漆涂層的老化、粉化使這種隔離作用減弱或失去作用；其陰極保護作用的鋅粉是靠油漆中有機粘合才能與鋼鐵相結合，隨著有機物的裂解、老化使鋅粉無法與鋼鐵相結合，這樣陰極保護作用自然消失。其次，油漆涂層本身有無數微針孔，長期處在鹽霧、潮濕環境下，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。
3.1.3 重防腐油漆的國內外使用狀況
隨著防腐技術的發展，人類生存環境的不斷惡化，涂料對環境的污染性逐漸被人們認識，國外已不再在鋼橋上大面積使用重防腐涂料，目前發達國家將其銷售市場直接轉向發展中國家和經濟不發達的國家。如果我們在新建鋼橋中繼續使用有機重防腐涂料進行防腐，那么10年后我們將會步發達國家后塵，面對的是龐大的鋼橋防腐維護費用，嚴重時甚至會影響橋梁的安全性。采用重防腐涂料防腐的鋼橋，最多在建設后10年就需要進行例行維護，除去浮銹和舊油漆，這不僅影響交通正常進行，同時維護的效果也不可能達到建設初期水平，還消耗大量涂料，舊油漆重金屬顏料也會污染周圍環境，甚至還要專門成立一支鋼橋防腐養護隊伍。因此每座鋼橋梁都不得不為此支付一筆相當數量的維護費用，這種開支還不是一次性的，而是以后每隔3～5年就得進行一次。
重防腐涂料的防腐壽命一般為8～10年，世界各國大量應用實例都證明了這一點。英國標準BS5493[1]中規定無論何種環境，防腐年限在10～15年以上主張采用熱噴涂鋅、鋁防腐。
3.2 熱浸鍍鋅防腐
鋼橋的護攔、扶梯及拼裝式小型鋼橋梁采用熱浸鋅防腐，熱浸鋅鍍層一般無法超過80μｍ厚度，在一般工業大氣環境下可以提供10年左右的有效保護。熱浸鋅防腐工藝需要將工件浸入熔融的金屬鋅鍍槽中，受鍍槽容積所限，不能對較大尺寸的鋼橋部件進行防腐施工。其次，不能到現場進行熱浸鋅防腐，只能在固定的工廠施工，勢必造成大量的往返運輸費用，再次，熱浸鋅鍍層碰傷后，自身無法進行修復。因此采用熱浸鋅方法對鋼橋全面防腐有很大的局限性
3.3 熱噴涂防腐
熱噴涂技術是利用熱源對金屬、非金屬、陶瓷等噴涂材料進行加熱，將熔融的粒子霧化、噴射并沉積到基材表面上，形成特殊表面涂層的方法。噴涂使用的熱源主要有三種：一是電弧熱源，二是等離子熱源，三是燃氣熱源。并由此把熱噴涂分為電弧噴涂、等離子噴涂和火焰噴涂，用于防腐領域的主要有火焰噴涂和電弧噴涂。
3.3.1 火焰噴涂
火焰噴涂是采用可燃性氣體的燃燒作為熱源，將金屬絲材或粉末熔融、霧化、吹噴于基體表面的方法。在歐洲及北美鋼橋梁早期熱噴涂防腐為氧、乙炔火焰噴涂，取得很好的防腐效果。我國于1965年曾在南京長江大橋鋼板縱梁上蓋板采用火焰噴鋅加耐磨漆方式進行防腐，13年后檢查效果良好。但火焰噴涂生產效率低，嚴重制約鋼橋的加工工期，因此僅對鋼橋長期積水、陰暗面和主要受力構件進行噴涂防腐。若對整個大橋采用氧、乙炔火焰噴涂防腐可能會出現防腐施工效率與工期矛盾，噴涂層長久附著有效與涂層結合力的矛盾等，因此國內沒有大面積采用火焰噴涂進行鋼橋防腐的例子。
3.3.2 電弧噴涂
電弧噴涂防腐原理是利用電弧噴涂設備，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合涂層，該涂層的顯著特點是1）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，實現一次防腐，涂層經久有效。（2）電弧噴涂層與金屬基體具有優良的涂層結合力，金屬噴涂層以機械鑲嵌和微冶金與基體金屬相結合，在輕微的彎曲、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,其保護效果和結合力也遠遠低于電弧噴涂防腐涂層。
3.3.3 電弧噴涂和火焰噴涂的比較
電弧噴涂同火焰噴涂相比，由于采用了電能代替氣體燃燒，大大提高了工作效率和工作安全性，特別是電弧噴涂機械化設備的出現，電弧噴涂技術已完全可以滿足橋梁建設工期的需要，且電弧溫度遠高于火焰，涂層結合力也遠大于火焰噴涂，因此涂層質量也完全可以滿足長效防腐的需要。美國由于人工費用高，使用電弧噴涂防腐施工的費用甚至低于重防腐油漆。經過幾十年的考驗證明，熱噴涂技術是鋼鐵結構長效防腐的最好方法，這個結論已經得到世界許多國家的政府部門和工程界的認可。
4.國內外熱噴涂長效防腐技術研究進展
4.1 國外熱噴涂長效防腐涂層的腐蝕試驗
1953年美國焊接學會對熱噴涂鋅、鋁涂層在工業環境、海水環境（半浸在不流動海水和全浸在流動海水）和海洋性環境三大類環境進行長達19年的工業掛片試驗，投放試片4248片，試驗結果表明，噴鋅、鋁加封閉涂層都能對以上三大類環境的鋼結構構件提供長期有效防腐保護，公布了世界著名的熱噴涂19年試驗報告AWSC2 14-74[3]。
美國LAQUE腐蝕技術中心在海洋大氣34年防腐涂層性能試驗報告證實，熱噴涂鋅、鋁涂層在各種有害環境中長期有效，美國在此基礎上并結合19年報告，制定了AWSC2 18-93熱噴涂操作指南，作為熱噴涂施工企業質量控制手冊，以期指導生產。
美國海軍土木工程實驗室對75μｍ厚的噴鋅、鋁涂層進行10年的耐海洋氣候和海水試驗，未發現紅銹出現，證明涂層防腐有效。
法國地下鐵道公司對噴鋅、鋁涂層進行10年的暴露試驗，結果表明防腐有效。
前蘇聯第比利斯地下礦井水試驗指出：噴鋅防腐至少提供30年的耐腐蝕性。
不同國家技術人員的試驗結果是一致的。即熱噴涂鋅、鋁涂層均能夠提供鋼鐵在海洋大氣、工業大氣、海水環境下的長久有效保護。這些試驗結果直接被作為熱噴涂防腐技術標準制定依據，直接推動了20世紀60年代以后世界發達國家大型鋼鐵橋梁熱噴涂防腐的應用，為世界的熱噴涂發展作出巨大貢獻。
4.2 熱噴涂長效防腐在國外鋼結構橋梁的應用
熱噴涂在橋梁上的應用，在20世紀30年代已開始，發展至60～70年代時，歐洲每年用于熱噴涂防腐的鋅絲達4000萬磅，美國每年熱噴涂用鋅絲達200萬磅；一般熱噴涂復合涂層的耐腐蝕壽命為20～40年以上。
英國的許多大橋都有25年以上的噴鋅防腐蝕經驗。負責橋梁維修的工程師們，根據他們對大型結構噴鋅的經驗認為，處于惡劣環境的橋梁，尤以橋上難以接近或不可能接近的部位，噴鋅、鋁是一種有效的處理方法。英國列舉了全國各地大型鋼鐵橋梁采用熱噴涂進行防腐的應用實例，它們都達到了25年以上無需維修的長效防腐效果。其中昆斯費里梅登里德第四公路大橋，在70年代是世界最大鋼橋，耗鋼材2萬ｔ，噴涂耗鋅絲100萬磅，防腐效果很好，使用了20多年無需維修。南威爾士新港（New port）的喬治街大橋（George Steet Bridge）建于1964年，位于高度工業污染環境中，采用噴鋅防腐，到1985年，即經過21年無維修，檢查涂層狀況良好，并證實至少5年內無需維修。蘇格蘭的奢林斯費利（Qucesferry）的第四公路橋，建于1960～1964年，該橋主跨1000ｍ，位于多風的海洋環境，采用噴涂鋅外加封閉處理，經歷13年無維修，發現保護層色澤仍完好，結構完美。
4.3 電弧噴涂長效防腐在國內的應用
電弧噴涂長效防腐技術于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、醫療、電力、消防等領域得到廣泛應用，如寶山鋼鐵集團馬跡山港碼頭鋼樁、上海磁懸浮快速列車軌道功能件、長江三峽水利樞紐工程、武漢軍山長江大橋鋼箱梁及橋面等國家重點建設項目，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構橋梁均采用了電弧噴涂長效防腐技術進行了腐蝕防護，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解決國家大型鋼橋梁的腐蝕防護問題。
5.鋼橋梁長效防腐的必要性
世界各國早期建設的鋼橋梁基本上都采用油漆防腐，普通涂料防腐壽命為3～5年，重防腐涂料涂層為8～10年，以后每隔3～5年需重新涂漆維護，其維護效果難以令人滿意，我國也不例外。歷史上油漆防腐鋼橋腐蝕造成的危害是嚴重的，鋼橋防腐維護費用是巨大的。由于腐蝕效應和現有油漆的風化，目前有大量的鋼橋需要維護、修理和重涂。鑒于此，無論是新建鋼橋梁、還是已經建好使用的鋼橋都迫切需要一種30～50年以上的長效防腐涂層，實現一次防腐，鋼橋經久不腐。
在歐洲，交通部門利用長壽命金屬噴涂防腐涂層已經半個多世紀了。美國、英國、挪威、瑞典等國早在20世紀五六十年代就開始在橋梁防腐上大面積推廣應用金屬噴鋅、鋁防腐涂層；我國熱噴涂（尤其是電弧噴涂）技術已達到國際先進水平，但該項技術在國內鋼橋防腐上的應用極少。我國的鋼橋仍在大量采用重防腐油漆防腐，鋼橋的設計壽命與防腐壽命必然存在較大差距。
近年來國家大力投資交通設施建設，公路投資5000億元，鐵路投資2500億元，在跨越大江、大河的路段要建大量鋼橋梁。對于新建橋梁，只有既能提供優良的耐久性，又與環保沖突最小的涂層才是可用的，熱噴涂金屬涂層由于具有優良的防腐性能和環境適應性，受到橋梁工程師們的關注。90年代以來我國的電弧噴涂工藝得到進一步完善，大大提高了涂層質量、生產效率，降低了生產成本，已廣泛用于鋼結構構件的長效防腐，其防腐效果大大優于油漆防腐，可以做到一次防腐與鋼橋設計壽命同步。在我國鋼橋梁上推廣應用電弧噴涂層長效防腐，在未來的幾十年將為國家節約大量的鋼橋防腐維護費用，減少油漆防腐維護帶來的環境污染，延長鋼橋的使用壽命，必將產生巨大的經濟效益和社會效益。
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