桥梁钢结构涂装中重防腐技术的应用－大桥喷铝、桥梁喷锌

  1，钢桥的结构特点及其采用重防腐技术的必要性

    现阶段国内外钢制桥梁的结构形式非常丰富，主要形式有大型钢箱梁结构、钢桁架结构、钢管拱或钢箱拱结构，以及多种钢制叠合梁结构等，相对于一般的混凝土桥梁，钢制桥梁具有跨越能力大、强度高、建造周期短等优势。

    从1955年第一座跨越长江的钢桁架桥梁——武汉长江大桥的建成以来，大型钢结构桥梁不断涌现，这类桥梁的钢材用量一般都在万t甚至10万t以上。而表面腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳是使这种特大钢桥构件产生外观缺陷、寿命降低以至失去工作能力的重要原因之一。 

    到目前为止，钢结构的腐蚀问题正在给世界各国的国民经济带来巨大的损失。一些主要的工业国家每年由于钢结构腐蚀而造成的经济损失约占国民经济生产总值的2%一4%。美国1975年因腐蚀造成的经济损失约为700亿美元，约占当年国民生产总值的4.2%，1982年高达1260亿美元；英国1969年腐蚀损失为13.65亿英镑，占国民生产总值的3.5%；日本1976年腐蚀损失为92亿美元，占国民生产总值的1.8%；据我国1995年统计，腐蚀损失高达1500亿元人民币以上，约占国民生产总值的4%。目前，全世界每年因钢结构腐蚀造成的经济损失已高达数千亿美元以上。而且，钢结构由于腐蚀造成的事故危及到结构的安全运行，腐蚀引起的灾难性事故屡见不鲜，特别是焊接钢结构和承受较大应力状况下的钢结构，由于在应力作用下，腐蚀将大大的加速。桥梁钢结构的腐蚀防护日渐成为人们关注的课题。只有在设计建造时,针对其自身的结构特点和所处的环境条件采用相应的重防腐技术，同时合理考虑后期的涂层养护，才能确保钢桥的正常使用和长久寿命。

    2，重防腐技术在桥梁钢结构上的应用

    2.1重防腐技术的应用趋势

    在欧美地区钢桥的防腐发展过程是:20世纪40年代为油漆防腐;50～70年代为重防腐涂料防腐、热浸锌防腐、火焰喷涂防腐、电弧喷涂防腐并存;80年代以后，随着电弧喷涂技术的发展,电弧喷涂防腐得到广泛应用,初期大多为喷涂锌,现在电弧喷涂铝日渐成为防腐发展的趋势。20世纪90年代后，随着国际交流的日益频繁，欧美的一些技术先进的重防腐涂料品牌相继进入我国，如AkzoNobel、丹麦的Hempel、荷兰的Sigma等国际知名的涂料公司相继在国内建厂，客观上促进了国内重防腐技术的发展，逐步改进了我国铅系涂装体系的传统模式，形成了以金属喷涂和含锌涂料为核心的重防腐技术。

    2.2目前流行的桥梁钢结构外表面重防腐配套表2-1体系编号品种涂料类型应用实例体系一喷铝电弧喷铝武汉阳逻长江大桥（在制）、武汉军山长江大桥、海南琼州大桥、浙江千岛湖南浦大桥、舟山桃夭门大桥、万县长江大桥等封闭漆环氧云铁封闭漆中间漆环氧云铁中涂漆面漆聚氨酯面漆体系二底漆无机硅酸富锌底漆广东佛山东平大桥（在制）、广东虎门大桥、厦门海沧大桥、南京长江二桥、宜昌长江大桥、日本明石海峡大桥等封闭漆环氧铁红封闭漆中间漆环氧云铁中间漆面漆聚氨酯面漆体系三底漆环氧富锌底漆上海黄浦大桥、上海杨浦大桥、芜湖长江大桥、东莞大汾北桥等中涂漆环氧云铁中间漆面漆各类型面漆。

    3，桥梁钢结构的重防腐涂料涂装

    3.1重防腐涂料涂层的作用机理和失效机理

    随着涂装工艺的发展，重防腐涂装成为钢桥防腐的主流（如表2-1中的体系二与体系三）。

    在重防腐涂料中，其防腐涂装工艺和涂料品种都非常相似，即涂层设计由底漆、中间漆和面漆组成的多层涂装体系;油漆品种均为环氧（无机）富锌底漆、环氧云母氧化铁中间漆和聚氨酯类或环氧类或氯化橡胶面漆等组成。其作用机理如表3-1所示。表3-1编号作用类型作用机理1屏蔽作用涂层将钢铁与腐蚀环境机械隔离开。

    3.1.1钝化缓蚀作用

    涂装体系中,第一道车间底漆对钢铁有钝化缓蚀作用,增加油漆层附着力。

    3.1.2阴极保护作用

    防腐底漆中如添加锌粉（如富锌底漆）,对钢铁提供阴极保护涂层对桥梁钢结构提供的腐蚀保护以机械屏蔽的隔离防护为主，涂层的老化、粉化使这种隔离作用减弱或失去作用，其阴极保护作用的锌粉是*涂料中成膜物质的粘合与钢铁相结合，随着成膜物质的裂解、老化使锌粉无法与钢铁相结合,这样阴极保护作用自然消失。其次,油漆涂层本身有无数微针孔,长期处在盐雾、潮湿环境下,氯离子、水分子等会透过针孔腐蚀基体金属,在油漆层与基体金属交界处钢铁腐蚀产物体积积聚膨胀,导致油漆层剥落,腐蚀并沿着油漆层剥落处四周迅速扩展,导致整个防腐体系失效。

    3.2重防腐涂料的施工工艺

    3.2.1重防腐涂层的涂装前表面处理重防腐涂层底漆的涂装前表面处理等级通常为清洁度Sa2.5-Sa3.0级、相对粗糙度25-70μm，表面处理通常采用喷砂、喷丸等喷射除锈方式，局部小面积区域可机械除锈至St3级。特殊情况下，如水性无机富锌涂料的表面处理等级要求更高，有时其清洁度要求必须达到金属喷涂的表面处理等级。3.2.2高压无气喷涂工艺的广泛应用目前，国内外最流行的方式涂料喷涂方式是采用高压无气喷涂工艺。其工作原理是将涂料增压到210千克/平方厘米，通过喷嘴把涂料雾化成细小的微粒，直接喷射到被涂物表面。与一般的空气喷涂方式相比，高压无气喷涂具有效率高、涂料损失小、涂膜成膜厚、遮盖率高、附着力强等特点，很好地适应了桥梁钢结构防腐的大面积涂装。

    3.2.2无机富锌涂料的涂装及后养护无机富锌涂料由于硅酸盐或硅酸乙醋水解物在与锌粉结合的同时还与钢铁反应形成硅酸锌铁，对钢铁表面形成很强的化学键，从而可抵抗水、海水、氯化物的侵蚀。，无机富锌涂料耐蚀、耐久性远优于环氧富锌涂料，据（美国）国家航空-航天总署（NASA）报告，在各类富锌涂料中，耐腐蚀性能最佳的为水性无机富锌涂料，它在海洋大气条件下的使用寿命至少为25年。无机富锌涂料的防锈蚀机理，是通过锌粉与基材钢铁表面直接接触，并形成很强的化学键结合，当水分渗入漆膜时就会形成一个由锌粉和基材钢板组成的电池，因锌的电化学活性（标准电极电位为-0.763V）较铁（-0.449V）活泼，电流由锌流向铁，使钢铁受到阴极保护。因此对基材表面的处理要求严格，必须达到Sa2.5级，并使表面有一定粗糙度，增加基材的表面积，确保锌粉能同钢铁紧密接触，如处理不完全，有锈层残存时，上述防锈机理就不能成立。以下为水性无机富锌涂料的成膜机理。式中：Me—Na、K、LiH+—①对后固化涂料为外加酸性化合物如稀H3PO4②对自固化涂料为空气中的（CO2+H2O）水性无机富锌涂料以水为稀释剂，只有通过水分的挥发才能使湿膜形成硅酸锌致密网状结构的漆膜，因此这类涂料必须在规定的温度（表面施工温度5℃以上，50℃以下）和湿度（相对湿度85%以下）环境下施工。同时由于无机富锌涂料在固化时必须吸收空气中的水分，因此对其涂层的后养护须保持空气相对湿度在60%以上，其固化时间也在5-7天。

    3.3金属喷涂技术在桥梁钢结构上的应用

    目前，重防腐涂料的防腐寿命一般为10～15年,世界各国大量应用实例都证明了这一点。英国标准BS5493中规定无论何种环境，防腐年限在15年以上主张采用金属喷涂防腐（如喷锌、喷铝）。

    3.3.1金属喷涂（电弧喷涂）的防腐原理

    金属喷涂技术中尤以电弧喷涂应用最为普遍，其应用前景也更为广泛（如表2-1中的体系一）。电弧喷涂防腐原理是利用电弧喷涂设备，对两根带电的金属丝（如锌、铝等）进行加热、熔融、雾化、喷涂形成防腐涂层，外加有机封闭涂层的长效防腐复合涂层,该涂层的显著特点是：

    ·具有较长久的耐腐蚀寿命,其防腐寿命可达到50年以上,同时该防腐涂层在30年使用期内无须其它任何防腐维护；30年以后的维护，仅须在电弧喷涂层上刷封闭涂料；无须重新喷涂，实现一次防腐，涂层经久有效。

    ·电弧喷涂层与金属基体具有优良的涂层结合力（可达10Mp以上），金属喷涂层以机械镶嵌和微冶金与基体金属相结合，在轻微的弯曲、冲击或碰撞下也能确保防腐涂层不脱落、不起皮、结合牢固、防腐长久有效，这一点是其它任何表面防腐涂层无法达到的。（3）电弧喷涂锌、铝涂层防腐原理为阴极保护，在腐蚀环境下，即使防腐涂层局部破损，仍具有牺牲自己保护钢铁基体之效果。涂层（阳极）与钢铁基体（阴极）的面积比≥1；而富锌涂料的阳极与阴极比都<1，其保护效果和结合力也远远低于电弧喷涂防腐涂层。

    3.3.2电弧喷涂的技术优势

    电弧喷涂同火焰喷涂相比，由于采用了电能代替气体燃烧，大大提高了工作效率和工作安全性，特别是电弧喷涂机械化设备的出现，电弧喷涂技术已完全可以满足桥梁建设工期的需要，且电弧温度远高于火焰，涂层结合力也远大于火焰喷涂，因此涂层质量也完全可以满足长效防腐的需要。美国由于人工费用高，使用电弧喷涂防腐施工的费用甚至低于重防腐油漆。经过几十年的考验证明，喷涂技术是钢铁结构长效防腐的最好方法，这个结论已经得到世界许多国家的政府部门和工程界的认可。

    3.3.3电弧喷涂的施工工艺

    一般电弧喷涂设备由整流电源、控制装置、喷枪、金属丝盘架或送丝装置、压缩空气供给系统等组成。金属丝盘架和压缩空气供给系统与线材火焰喷涂相同。电弧喷锌、喷铝工艺参数除与喷涂材料有很大关系外，还取决于使用的设备和生产效率的要求。表3-2列出了一般的工艺参数。

    表3-2工艺参数喷锌喷铝电弧电压/V线材直径/mm电弧电流/A喷涂速率/（kg/h）雾化空气压力/MPa喷涂角度喷涂距离/mm喷涂速率/（m/min）每遍沉积涂层厚度/μm20～241.6、2.0、3.050～3006～250.4～0.6>60°120～20010～2020～5024～301.6、2.0、3.0100～3006～180.5～0.6>60°150～20010～2020～503.3.4电弧喷涂长效防腐在国内的应用电弧喷涂长效防腐技术于20世纪90年代起，同时由于无机富锌涂料在固化时必须吸收空气中的水分，因此对其涂层的后养护须保持空气相对湿度在60%以上，其固化时间也在5-7天。

    3.3金属喷涂技术在桥梁钢结构上的应用

    目前，重防腐涂料的防腐寿命一般为10～15年,世界各国大量应用实例都证明了这一点。英国标准BS5493中规定无论何种环境，防腐年限在15年以上主张采用金属喷涂防腐（如喷锌、喷铝）。

    3.3.1金属喷涂（电弧喷涂）的防腐原理

    金属喷涂技术中尤以电弧喷涂应用最为普遍，其应用前景也更为广泛（如表2-1中的体系一）。电弧喷涂防腐原理是利用电弧喷涂设备，对两根带电的金属丝（如锌、铝等）进行加热、熔融、雾化、喷涂形成防腐涂层，外加有机封闭涂层的长效防腐复合涂层,该涂层的显著特点是：

    ·具有较长久的耐腐蚀寿命,其防腐寿命可达到50年以上,同时该防腐涂层在30年使用期内无须其它任何防腐维护；30年以后的维护，仅须在电弧喷涂层上刷封闭涂料；无须重新喷涂，实现一次防腐，涂层经久有效。

    ·电弧喷涂层与金属基体具有优良的涂层结合力（可达10Mp以上），金属喷涂层以机械镶嵌和微冶金与基体金属相结合，在轻微的弯曲、冲击或碰撞下也能确保防腐涂层不脱落、不起皮、结合牢固、防腐长久有效，这一点是其它任何表面防腐涂层无法达到的。（3）电弧喷涂锌、铝涂层防腐原理为阴极保护，在腐蚀环境下，即使防腐涂层局部破损，仍具有牺牲自己保护钢铁基体之效果。涂层（阳极）与钢铁基体（阴极）的面积比≥1；而富锌涂料的阳极与阴极比都<1，其保护效果和结合力也远远低于电弧喷涂防腐涂层。

    3.3.2电弧喷涂的技术优势

    电弧喷涂同火焰喷涂相比，由于采用了电能代替气体燃烧，大大提高了工作效率和工作安全性，特别是电弧喷涂机械化设备的出现，电弧喷涂技术已完全可以满足桥梁建设工期的需要，且电弧温度远高于火焰，涂层结合力也远大于火焰喷涂，因此涂层质量也完全可以满足长效防腐的需要。美国由于人工费用高，使用电弧喷涂防腐施工的费用甚至低于重防腐油漆。经过几十年的考验证明，喷涂技术是钢铁结构长效防腐的最好方法，这个结论已经得到世界许多国家的政府部门和工程界的认可。

    3.3.3电弧喷涂的施工工艺

    一般电弧喷涂设备由整流电源、控制装置、喷枪、金属丝盘架或送丝装置、压缩空气供给系统等组成。金属丝盘架和压缩空气供给系统与线材火焰喷涂相同。电弧喷锌、喷铝工艺参数除与喷涂材料有很大关系外，还取决于使用的设备和生产效率的要求。表3-2列出了一般的工艺参数。

    表3-2工艺参数喷锌喷铝电弧电压/V线材直径/mm电弧电流/A喷涂速率/（kg/h）雾化空气压力/MPa喷涂角度喷涂距离/mm喷涂速率/（m/min）每遍沉积涂层厚度/μm20～241.6、2.0、3.050～3006～250.4～0.6>60°120～20010～2020～5024～301.6、2.0、3.0100～3006～180.5～0.6>60°150～20010～2020～503.3.4由于无机富锌涂料在固化时必须吸收空气中的水分，因此对其涂层的后养护须保持空气相对湿度在60%以上，其固化时间也在5-7天。

    电弧喷涂长效防腐在国内的应用电弧喷涂长效防腐技术于20世纪90年代起，先后在煤矿、铁道、水利、港口码头、冶金、机械、广播电视、医疗、电力、消防等领域得到广泛应用，如宝山钢铁集团马迹山港码头钢桩、上海磁悬浮快速列车轨道功能件、长江三峡水利枢纽工程、武汉军山长江大桥钢箱梁及桥面等国家重点建设项目,以及淳安千岛湖南浦大桥、长江黄柏河大桥、下牢溪大桥、广州机场三元里立交桥、徐连高速公路邳州运河大桥等钢结构桥梁均采用了电弧喷涂长效防腐技术进行了腐蚀防护，并取得很好的防腐效果。我国已完全有能力采用电弧喷涂长效防腐技术解决国家大型钢桥梁的腐蚀防护问题。

    桥梁钢结构的重防腐技术至今，逐渐形成了两大发展趋势，一是发展迅速的以无机富锌涂料为基底的重防腐体系，二是较为成熟的以金属喷涂层作为基底的重防腐体系，这两种体系由于具有优良的防腐性能和环境适应性,受到各类型钢结构桥梁防腐的关注。在未来的几十年将为国家节约大量的钢桥防腐维护费用，减少环境污染，延长钢桥的使用寿命，产生巨大的经济效益和社会效益。