重庆朝天门大桥防腐涂装方案

    通常桥梁受到的腐蚀主要是大气腐蚀，但是随着大气环境的不同，桥梁受到的腐蚀也不同。朝天门长江大桥是处于工业城市的桥梁，位于重庆市朝天门两江交汇处下游1.7公里，该地区雨水PH年平均值在4.016左右，冬季高达3.0，硫酸根离子占阴离子总量的70-90%，属典型硫酸型酸雨；常年温度较高（年平均气温为18℃），相对湿度大（大于80%的时数为5112小时/年），尤其是江面上湿度更大，受到的腐蚀比较严重。以嘉陵江大桥为例，其锈蚀速度达每年0.16mm，每年用于钢结构的维护费用达数十万元。
    朝天门长江大桥为全钢结构，结构比较复杂，不但是我国最大的公轨两用桥，甚至在世界同类型桥梁中跨度也居第一（全长约4881米，由主桥、北引桥、南引桥、江北桥头立交、弹子石立交和黄桷湾立交等五大部分组成。其中主桥长932米。桥体分上下两层，上层为双向6车道，下层中间为双向交通轻轨，两边为预留汽车道。整个工程大桥结构为中承式钢桁系杆拱桥），所以桥梁各部位的腐蚀情况也会有明显不同。例如：桥梁外表面由于处于潮湿和酸性大气中，又容易积水积灰，腐蚀最历害；铆钉、焊缝等处，由于一般涂装过程中不容易引起足够重视，涂膜有缺陷，是最容易受到腐蚀的地方；桥的钢箱梁内部，通风欠佳，常常聚集大量湿气，进而引起涂层的起泡锈蚀等等。
    本文从重庆朝天门长江大桥的防腐蚀要求出发，根据我们对中国建桥行业的工程施工实际情况的了解，针对桥梁的不同部位、不同结构及不同要求，提出以下具体的防护涂装配套体系和施工工艺，供桥梁设计单位和建设单位的有关专家们讨论和参考。
二、涂装方案
1、引用标准
ISO 12944  钢结构保护涂层
GB/T15957  大气环境腐蚀性分类
GB8923 涂装钢材表面锈蚀等级和除锈等级
GB/T13312  钢铁件涂装前除油程度检验方法（验油试纸法）
HG/T3656   钢结构桥梁漆 
TB/T1527 铁路钢桥保护涂装
TB/T2772 铁路钢桥用防锈底漆供货技术条件
TB/T2773 铁路钢桥用面漆、中间漆供货技术条件
TB/T2486 铁路钢梁涂膜劣化评定
GB/T1766 色漆和清漆涂层老化的评级方法
GB/T1740 漆膜耐湿热测定法
有关漆膜的物理机械性能测定，按相应的国家标准执行。
2、桥梁的油漆涂层防护寿命
在涂装方案设计时，需要重点考虑的问题是涂装配套的耐久性，根据国际标准ISO 12944中“结构利用油漆涂装系统进行防腐保护”的规定，涂装的耐久性是指：涂层系统在进行第一次大修之前所期望保护的年限，它是有关方面在涂层进行第一次大修之前，根据国际标准ISO4628-1～5（或其它协议）的规定来判断涂层的破坏程度，从而确定是否要对桥梁进行涂装的依据。
根据朝天门长江大桥业主方的要求，该桥梁在涂装施工质量达标、建成通车后，在对油漆涂层进行正常的维护及保养的前提下，桥梁油漆涂层的有效防护寿命不应低于15年，因此本文的涂装方案按照15年以上的有效防护寿命设计。若采用氟碳面漆体系，可保证桥梁底面涂层的有效防护寿命达到25年以上；若采用脂肪族聚氨酯面漆体系，可保证桥梁底面涂层的有效防护寿命达到15年以上（底漆的防腐蚀寿命可达到25年以上）。
3、涂装前的表面处理
严格的表面处理是决定桥梁钢结构涂层寿命诸多因素中的首要因素。表面处理不但要形成一个清洁的表面，以清除金属腐蚀的隐患，而且使用表面的粗糙度适当，以增加涂层与基地金属间的附着力。喷砂迄今仍是钢箱梁涂装前表面处理的最佳工艺选择。
3.1喷砂前表面处理
应在钢材切割、矫正、组装完成后进行。
应除去焊渣、起鳞、割孔等表面缺陷，打磨圆顺所有锐边、尖角和毛刺，经检验合格后方可进行喷砂作业。
使用除油剂去除表面油污，并用高压淡水枪冲洗掉所有残余物，干燥后经检验合格，进行喷砂。
3.2喷砂作业的环境条件
   钢板表面温度高于露点3摄氏度以上，有条件的在厂房内施工时，厂房内相对湿度低于70％，露天作业相对温度低于90％。
3.3磨料
喷砂所有磨料应符合GB6484、GB6485标准规定的钢砂、钢丸或使用无盐分无污染的石英砂。磨料粒度和表面粗糙度的关系，参考TB/T 1527附录A。
3.4喷砂工艺要求
喷砂除锈等级应达到GB8923的Sa2.5级；对于局部因环境因素或施工条件不能喷砂的部位，采用动力工具机械打磨除锈，至少达到GB8923中的St3级，即露出金属光泽。
涂装前钢材表面的粗糙度要求：按GB6060.5标准规定,达到Rz40-75微米之间粗糙度要求。符合该标准粗糙度样板Ra6.3微米和Ra12.5微米之间粗糙度要求。
清洁后的表面要达到ISO8504中除尘要求，不能高于3级标准。
在喷砂施工期间，要确保磨料没有受到灰尘和有害物质的污染。
3．5检验
喷砂完工后，除去喷砂残渣，使用真空吸尘器或无油无水压缩空气，吹去表面灰尘，经质量自检，并取得监理工程师认可，合格后必须在4小时内喷漆。
4、配套方案
配套一    用于所有钢结构内外表面工序间防护
 
涂层 油漆名称及牌号 干膜厚度(μm)   
车间底漆 TH-GD01无机硅酸锌车间底漆 20   
总计  20 
技术说明：车间底漆是一种工序间临时防护措施。永图牌TH-GD01硅酸锌车间底漆是一种双组份低含锌量无机锌底漆。主要用于喷砂后钢板及其它钢结构的短期保护，其户外保护期大约为6～12个月。在钢结构组装完成后，通常需要重新喷砂，去除车间底漆，并及时喷涂配套底漆。

配套二   大桥钢结构（钢桁拱、钢桁梁及钢箱梁等）外表面涂层配套                                                                                                         
 
涂层 油漆名称及牌号 干膜厚度(μm)   
底漆 GZH203无机磷酸盐富锌涂料 70   
封闭漆 TH-HD54环氧封闭底漆 25   
中层漆 GZH206改性环氧云铁中间漆 120   
面漆 TH-SM03脂肪族聚氨酯面漆/TH-FTM12氟碳装饰面涂料 80   
总计  295 
技术说明：1）底漆采用永图牌无机磷酸盐富锌涂料，该涂料为成都天合宏业科技发展公司的专利产品，其主体成膜物是无机磷酸盐和超细锌粉。在固化过程中，涂料中的磷酸盐和锌粉及钢铁基材通过化学反应紧密结合在一起，因此有极好的阴极保护、化学缓蚀、屏蔽功能。经武汉材料保护研究所等权威部门检测，其耐盐雾性能和其他防护性能明显优于现有国内外各种富锌涂层，并且有良好的施工性能和配套性能。
2）封闭漆采用永图牌TH-HD54环氧封闭底漆，这是一种双组份低粘度环氧涂料，起到填充、封闭无机富锌底漆表面空隙的作用。与下道中层漆具有相同结构的成膜物质-环氧树脂。因此提高了涂层之间的粘结力。
3）中间漆选用永图牌GZH206改性环氧云铁漆，该漆以云母氧化铁作为防锈颜料。云母氧化铁：呈灰色或棕红色三方晶状、薄板形，有金属光泽，化学成分为λFe2O3，化学上呈惰性，能防止紫外线辐射，因而作为颜料用于漆中其光敏性很弱，遇到日光、雨、露水、霜、雪也很难被破坏，在漆膜中采用这类鳞片状颜料，呈层层叠积状排列，加大了水汽渗透阻力。与环氧封闭漆配合，相辅相成，是一种屏蔽性极佳的中间漆。此外云母氧化铁表面具有一定的粗糙度，有利有与面漆的粘结。
4）面漆为喷涂两道TH-SM03脂肪族聚氨酯面漆或TH-FTM12氟碳装饰面涂料。脂肪族聚氨酯面漆是一种双组份丙烯酸聚氨酯涂料。由于聚氨酯大分子结构中含有异氰酸根极性基因，又有柔软的碳碳长链。而异氰酸酯R-N=C=O有两个杂累积双键，非常活跃，极易与丙稀酸树脂中羟基反应，形成坚韧耐磨的漆膜、具有优异的保光、保色、抗老化等耐候性能。
氟碳涂料是近年来开发的新产品，由于氟树脂中分子结构的氟原子，其电负性很高，（4.0），原子半径较小（0.135nm），它和碳原子间形成的C-F键极短，键能高达485.6KJ/mol，因此作为面漆有超强的耐候性，同时该漆表面坚硬，表面能低，因此耐灰尘粘污性能非常好，使用该面漆有更长的有效使用寿命（20年使用后表面光泽下降不超过80%）。
配套三   大桥钢结构内表面
配套3.1 U型肋及桁架梁等密闭结构内表面
 
涂层 油漆名称及牌号 干膜厚度(μm)   
车间底漆 TH-GD01无机硅酸锌车间底漆 20   
总计  20 
配套3.2 钢箱及其它开口结构内表面涂层配套
 
涂层 油漆名称及牌号 干膜厚度(μm)   
底漆 GZH204无机磷酸盐富锌涂料 80   
面漆 TH-HLD52环氧煤沥青厚浆漆 150   
总计  230 
技术说明：对于U型肋及桁架梁等封闭的内表面，由于封闭后不存在水汽进入，因此只作车间底漆即可。而钢箱及其它开口结构内表面不直接暴露于大气中，不受紫外线的照射，因此选用富锌底漆配环氧煤沥青厚浆漆，具有突出的防腐性能和物理机械性能。
配套四  大桥桥面铺装用配套底漆
 
涂层 油漆名称及牌号 干膜厚度(μm)   
底漆 GZH204无机磷酸盐富锌涂料 70   
总计  70 
技术说明：由于桥面铺沥青路面， GZH204无机磷酸盐富锌涂料作为底漆，可以起到阴极保护防腐蚀作用，并且能与沥青材料良好结合，施工中能够耐受热沥青的温度。
配套五  钢结构栓接摩擦面涂层配套
 
涂层 油漆名称及牌号 干膜厚度(μm)   
底漆 GZH203无机磷酸盐富锌涂料 50   
总计  50 
技术说明：钢结构栓接摩擦面需要坚硬和耐磨的涂层，同时摩擦系数比较大，保证使用过程螺栓不滑动松脱。GZH203无机磷酸盐富锌涂料符合以上要求，而且有良好的防腐蚀性能。
配套六  轻轨纵梁上翼缘板涂层配套
 
涂层 油漆名称及牌号 干膜厚度(μm)   
面漆 TH-HM806环氧玻璃鳞片涂料 3×100   
总计  300 
技术说明：轻轨纵梁上翼缘板长期在轻轨列车高速运行之下，风砂和水汽侵蚀严重，采用环氧玻璃鳞片涂料可以增强系统的耐磨和耐久性，装饰性高，外观稳定性好，减少维修的工作量。
配套七  桥面行车道护栏、人行道栏杆等
 
涂层 油漆名称及牌号 干膜厚度(μm)   
底漆 GZH204无机磷酸盐富锌涂料 70   
中漆 GZH206改性环氧云铁中间漆 80   
面漆 TH-SM03脂肪族聚氨酯面漆/TH-FTM12氟碳装饰面涂料 80   
总计  230 
技术说明：桥面行车道护栏、人行道栏杆等暴露在外，应该有美观的外观和良好的耐腐蚀耐老化性能，成为被来往的行人所关注的景观，因此选用富锌涂料体系保证长效的防护，表面采用脂肪族聚氨酯面漆（15年）或氟碳装饰面涂料（25年），可以保证15-25年的外观寿命，具体技术性能与钢结构外表面配套体系相类似。
若采用喷锌（铝）工艺，则先采用环氧封闭漆作封闭涂层，再用改性环氧云铁中间漆作封闭涂层，配以脂肪族聚氨酯面漆，效果更佳。
 
涂层 油漆名称及牌号 干膜厚度(μm)   
底漆 喷锌（铝） ——   
封闭漆 TH-HF01环氧封闭漆 25   
中漆 GZH206改性环氧云铁中间漆 100   
面漆 TH-SM03脂肪族聚氨酯面漆/TH-FTM12氟碳装饰面涂料 60   
总计  185 

四、无机磷酸盐富锌涂料和常规富锌涂料性能分析
（一）无机磷酸盐富锌涂料简介
常温固化无机磷酸盐防腐蚀涂料的发明人于1996年在美国完成了发明，并获得美国Sermatech International 公司的高度评价，解决了美方三十多年未能解决的技术难题。该项发明已获得四项国家专利，由四川省科技厅组织，邀请国内防腐蚀科技界最知名的技术权威人士（包括两位院士）组成的鉴定委员会，对该项发明给予极高的评价，确认该项发明属国内外首创，具有国际领先水平，为各种大型钢铁的长效保护提供了一条切实可行的途径，具有广泛的应用前景。
本发明的涂料其主体成膜物是无机磷酸盐（涂料固化前是酸性的可溶无机磷酸盐）。在固化过程中，涂料中的磷酸盐和锌粉及钢铁基材通过化学反应紧密结合在一起，因此有极好的阴极保护、化学缓蚀、屏蔽功能。
除了上述的三大功能外，常温固化无机磷酸盐防腐蚀涂层还具有耐热（400-600℃）、耐候、耐油、附着力好等优点，并且还能转化轻锈和生成磷化薄膜，提高涂层结合力，改善底漆和面漆间的配套性，简化涂前处理和涂覆工艺，自行干燥固化等优点。其中磷酸盐富锌涂层的耐盐雾性能和其他防护性能明显优于现有国内外各种富锌涂层，并且有良好的施工性能和配套性能。
（二）无机磷酸盐与其它富锌涂料性能对比
传统中，由于热喷（或浸）金属锌（或铝）成本很高，工艺难度也较大，因此大型桥梁工程使用较多的是涂覆富锌涂层，包括硅酸盐富锌涂层或环氧富锌漆。然而，由于富锌涂层的阴极保护作用除了靠锌的负电位外，还应具有较好的导电性，实际应用过程中并不理想。例如：
1、芜湖长江大桥是1998 年开始修建的，使用的油漆涂装体系是2 道环氧富锌底漆、 1 道云铁环氧中间漆和 2 道灰铝粉石墨醇酸面漆。该体系使用中一般每隔 (12 ～ 15) 年需进行一次维护性涂装。
2、英国钢梁涂料防锈以长期保护为主要目标，在城区也有装饰性涂料涂装的钢梁。近几十年来，采用富锌涂料、云铁中间漆和各种面漆的保护涂装方法。在维修方面，每 6 年左右需重涂一次，防止原涂层深度老化破坏。
3、日本钢梁注意防护性和装饰性，最早采用红丹防锈漆和醇酸面漆，在 20 世纪 70 、 80 年代以来采用富锌涂抖、氯化橡胶涂料、聚氨酯涂料等。由于日本已进人老龄化社会，钢结构的维修费用和难度越来越大，日本很重视长寿命涂料和涂装体系的研究和使用，并用全寿命成本分析方法选用、评定涂料和涂装体系，对现有体系并不满意。
环氧富锌涂层由于电阻较大而不能充分发挥阴极保护效果，同时还存在易老化的缺点，因此防腐寿命较短。
专家门推荐采用导电性和耐候性更好，不易老化的无机富锌涂层。无机硅酸盐富锌涂料以碱性的硅酸盐（包括硅酸钠、硅酸钾或硅酸锂等）水溶液基料或硅酸乙酯醇溶液基料，配以锌粉作颜料所组成。硅酸盐富锌涂层虽然耐老化性能超过了环氧富锌涂层，但是用于大型钢铁构件的实际效果并不理想，究其原因如下：
无机硅酸盐富锌涂层涂覆前对钢铁构件表面清理要求过严。对于大型钢铁构件，实际上很难办到，导致涂层粘附不牢。
无机硅酸盐富锌涂层采用的是硅酸盐成膜物，其韧性较差，涂层涂厚了易龟裂剥落，不易控制施工质量。
无机硅酸盐富锌涂层和面涂层的配套附着力较差，并且在使用过程中富锌涂层会产生大量锌的牺牲产物，又明显降低了配套涂层与富锌涂层的附着力，所以容易引起配套涂层鼓泡脱落。
随着桥梁向高速、电气化的方向发展，对钢桥维修、大修的要求更高，不可能像以前那样经常在桥梁上进行施工操作，这都要求研制防腐性能更好、使用寿命更长的对防腐蚀起决定性作用的底漆，优化配套体系。而我公司开发的无机磷酸盐富锌涂料采用无机磷酸盐为成膜物的富锌涂层，再配上适当的面涂层为解决这一课题提供了一套切实可行的方法。
因为，这种涂层除了具有极好的阴极保护功能和一定的屏蔽功能外,还具有缓蚀功能，和单纯的锌（或铝）涂层（或硅酸盐富锌涂层）不同，在同样的腐蚀条件下，同样的时间内，后者会形成大量白色的腐蚀物层（或硅酸盐富锌涂层）不同，在同样的腐蚀条件下，同样的时间内，后者会形成大量白色的腐蚀物（氢氧化锌）而前者则没有或极少（仅仅在涂层破损破损外出现少量白色产物）。这是因为磷酸盐（或铬酸盐）具有卓越的缓蚀效果，磷酸盐能阻止（或延缓）阴极过程，也能延缓阳极过程,从而长期维持完好状态并有效保护钢基材。