桥梁防腐蚀－金属热喷涂

金属热喷涂最早在二十世纪四十年代应用于防腐蚀方面，已经具备了60年的经验。美国焊接学会(AWS)在1974年出版了一份19年报告，测试结果说明大多数涂层可以达到12年以上的使用寿命。最好的样板至今仍然完好，对裸露金属的保护达100％，使用寿命达到了19年。喷铝涂层有报道说在海洋环境中保护钢材的测试达到了34年。
金属热喷涂主要有喷锌和喷铝两种，作为钢结构的底层，有着最好的耐蚀性能，使用寿命在20～30年以上。钢铁表面的处理要求喷砂要求达到Sa3级（ISO8501－1：1988），粗糙度Rz40～100微米。
上海东方明珠塔电视塔钢桅杆喷铝后再加以丙烯酸聚氨酯面漆装饰封闭。
上海外滩苏州河吴淞路闸桥中跨钢结构包括闸门，在1990末到1991年初，内部进行了喷锌处理，外表为喷铝层，喷涂面积达30000m2。（外表喷铝0.13~0.15毫米，内喷锌0.13~0.15毫米）。
上海杨浦大桥主桥护栏，新建时（1993年），进行喷锌处理。
广西南宁至北海高速公路中的三岸桥钢构件的喷锌铝复合涂层，喷涂面积10000m2。南宁至柳州高速公路中的六景桥钢结构的喷锌铝复合涂层，喷涂面积8000m2。
广州市内环路进行了喷锌处理。
最大的桥梁喷涂工程为青马大桥和武汉的军山大桥。
成都府河钢管拱桥采用了热喷涂铝防腐工艺。
贵州水柏铁路北盘江大桥钢管拱，236m跨的钢管拱划分为38个节段，在工厂进行立体组拼结束后，进行了喷铝层＋涂料的双重防护处理。
美国的Focthpozd公路桥，全长2140m，耗钢材2万吨，采用喷锌表面防腐，耗锌500多吨。加拿大的Pierre－Laporte悬索桥，全长1040.6m，钢铁件喷锌防腐15万平方米，共耗锌180多吨。捷克的多瑙河铁路公路大桥，喷锌防腐蚀面积30多万平方米，耗锌－铝300多吨。
金属喷涂层广泛用于新建、重建或表面维修时对于金属部分的修补。喷锌层已经是水下保护的首要选择，在大气环境中喷铝层和喷锌层是最长效的保护系统的首要选择。喷铝层是大气环境中的钢结构使用较多的一种选择，因为它比喷锌层的耐蚀性能还要强。喷铝层与钢铁的结合力强，工艺灵活，可以现场施工，适用于重要的不易维修的钢铁桥梁。
有些业主喜欢选择喷锌层，因为要便宜一点，而且在使用中看上去要好些，而喷铝层如果没有封闭会有一些锈迹。但是喷铝层厚度足够，锈迹就会没有，但是涂膜外表看上去没有喷锌层好。研究表明，比之喷锌层而言，喷铝层可能是更好的长效保护涂层。
我国铁道钢桥上面一直推荐在钢梁和箱梁上盖板上面使用喷锌和有机涂层的复合保护，对于栓焊梁螺栓连接部分摩擦面采用喷铝层保护。
锌呈青白色，熔点为419℃，密度7.14g/cm3，标准电位－760mV，是非常活泼的金属。纯锌在潮湿大气中或水中，表面会生成碱式碳酸锌，有一定的缓蚀保护作用。锌不耐酸碱，所以在腐蚀性不强的农村大气中，耐蚀性很好。在工业大气和潮湿大气环境中，耐蚀性降低。在污染的工业大气环境中，腐蚀速度大于0.006mm/a。在水中，锌随着氧气、二氧化碳、硫化氢和二氧化硫等气体和氯离子的增加，腐蚀速率也相应增大。锌的抗蚀性和它的纯度有很大关系，热喷涂用的锌丝要求纯度为99.99%。
纯铝是银白色金属，熔点660℃，密度2.72g/cm3，标准电位－1660mV。尽管铝的标准电位很低，但是在铝涂层空气在能迅速生成一层致密的Al2O3氧化膜，具有很好的保护作用。铝涂层的优点是在大气环境中，如工业大气、海洋大气等有着较高的耐腐蚀特性。因此，在大气环境中，铝涂层的应用比锌涂层的应用越来越多。用于热喷涂的铝要求纯度在99.60%以上。
在对钢铁的保护方面，锌涂层的阴极保护作用突出，铝涂层的耐蚀性好，两者结合起来的锌－铝合金有着更强的保护作用。常用的锌－铝合金为85％Zn15%Al，它的电位接近于锌，而耐蚀速度接近于铝，综合性能优于Zn和Al涂层。
有关喷锌和喷铝层在大气腐蚀环境中的防腐蚀体系参考下表。
GB／T1527－95（铁道行业标准）
腐蚀环境 涂层体系
干燥地区 喷锌120m＋灰铝锌醇酸面漆二道70m
喷锌120m＋灰云铁醇酸面漆二道80m
潮湿地区 喷锌160m＋灰铝锌醇酸面漆二道70m
喷锌160m＋灰云铁醇酸面漆二道80m
沿海、污染地区 喷锌200m＋灰铝锌醇酸面漆二道70m
喷锌200m＋灰云铁醇酸面漆二道80m
AWSC2.2-67（美国焊接学会标准）
腐蚀环境 防腐蚀涂层体系
含盐、高湿度和工业大气（轻） 喷铝100m＋磷化底漆一道＋铝粉乙烯面漆一道
喷锌100m＋磷化底漆一道＋铝粉乙烯面漆二道
含盐、高湿度和工业大气（重） 喷铝150m＋磷化底漆一道＋铝粉乙烯面漆二道
农村大气 喷铝100m＋磷化底漆一道＋铝粉乙烯面漆一道
喷锌80m＋磷化底漆一道＋铝粉乙烯面漆一道

BS5493－1997（英国钢铁构件防腐蚀保护涂层实用指南）
腐蚀环境 涂层耐蚀年限a 涂层体系
室外无污染内陆大气 10～20 喷铝100m
喷锌100m
喷锌100m＋（乙烯、环氧、聚氨酯）封闭二道
喷锌100m＋涂料30～100m
喷铝100m＋涂料30～100m
>20
室外污染内陆大气 10～20
>20
室外污染沿海大气 10～20
>20
室外无污染沿海大气 10～20
>20

在很多环境下，金属热喷涂层的寿命被表明可以达到25年以上。但是其处理速度较慢，施工标准又高，使得最初的费用相对很高，但是它的长期使用寿命使其经济有效。最大的潜在寿命取决于表面处理、喷涂技巧等。和所有涂层一样，金属喷涂系统的性能是由高质量施工，包括表面处理、使用的材料、施设备以及喷涂技术等来保证的。
1.喷涂技艺和施工速度
金属热喷涂是用火焰和电弧或者等离子技术进行施工。对于大型构件特别是野外施工，可以选择火焰以及电弧喷涂法。以前沉重笨拙的喷枪和设备的运输，尤其是在野外施工，使得操作工很累，减小了金属热喷涂的效率。现在的先进设备和设计使电弧喷涂装置越来越轻便，易于运载，装配，大大提高了喷涂的效率。电弧喷涂技术在五十年代己经在许多国家的钢结构制造与维护领域得到一定的应用，但由于当时电弧喷涂设备技术水平的限制，电弧喷涂被认为是一种高效率、低质量的热喷涂方法。直到六、七十年代美国、德国等一些工业发达国家对电弧喷涂设备进行了比较大的改造，大大提高了涂层的质量，推动了电弧喷涂技术在钢结构制造的普遍应用，我国在20世纪90年代末期，电弧喷涂技术才成为近年发展最为迅速的热喷涂技术之一。

    毫无疑问，施工速度是最大的成本因素。实践观察表面，喷涂50μm时，火焰喷涂枪每秒移动速度大概为0.03 m；电弧喷涂要稍快一些。两者速率都基于喷幅在13~25毫米，取决于到表面的喷涂距离。先进的电弧喷涂装置能施工2英寸宽的涂层，150μm（6mils）的膜厚，每秒速率为0.5m。这样施工速率就在每分钟1~246cm3，比较之无气喷涂的移动速度每秒0.4 m，湿膜厚度为150μm，喷幅457 mm。这样施工速率大约为每分钟1,018cm3。在极端情况下，热喷涂层的喷涂速率低于传统涂层的百分之一，最好也就是1/7。然而，与传统喷涂油漆相比，它不需混合、稀释、设备装配、清洗等，金属喷涂在每一阶段都显得比较省时。
金属丝必须清洁，包括必须包扎好直到使用，在喷涂时保持离地，进入喷涂设施时用清洁的抹布擦洗掉油污和灰尘。工作结束后，金属丝要覆盖好，直到次日再用。另外，涂层系统的大部分工作是进行一次操作，胜于那些有着好多小时间隔的多道涂层。
与涂料相比，金属涂层的施工过程较慢，最初投资相对较高。金属喷涂一般是三道涂料系统的3－4倍报价。但是在自动化处理车间内，可以降低约一半的成本。喷锌涂层要便宜一些，但是涂层厚度也要高一些，所以总的费用相差并不明显。
　　施工效率会影响到处理过程控制的问题。操作者要修正其施工速度和离底材的距离，并且必须在表面多道行枪。要保持一整天的施工一致是困难的，质量和涂层的均一性很容易有差别。理想的涂层技术是修正喷枪与处理的表面距离一致，角度（90o）正确。有经验表明，进行垂直面施工时，喷枪角度在45°对喷涂质量影响很小。在斜角度喷涂时会产生阴影效应，因为已经附着的粒子会在其后面形成空间，后面的粒子却不能到达这个位置。这看上去是符合逻辑的，然而，增加的喷涂角度增加了阴影效果。因为高质量涂层的一个目的就是要减少孔隙。规定者可以会希望考虑限制喷涂角度从垂直面低于30°。选择热喷涂涂层就是比常规涂料的施工费用要高达2倍以上。长效设计应该比常规涂料的使用寿命长2倍以上。
    2.表面处理标准
被广泛接受的标准是，要想取得长期的保护性能，喷砂等必须达到出白级(SSPC-SP 5)以及良好的锚纹。抛丸喷射必须使用有棱角的砂。钢砂和冷粹铁砂，实践证明较为合适。开放式手工喷砂不能在表面有任何残留夹渣等。氧化铝是使用比较成功的磨料，尽管美国Conoco石公司报道说在4年期的水下使用有起泡。经研究，起泡归结于由于氧化铝的残留。很明显，即使是最好的磨料，也要在使用前和使用中仔细地检查。
锚纹深度，即表面粗糙度，对于涂层操作有着双重作用。较深的锚纹可以提供更多的面积来附着，可以明显提高附着力。一般来说，较深的表面粗糙度是有益的。同时它会导致涂层在波处峰涂布的减少。如果规定的涂膜厚度在波峰处测量，涂层涂布率可以被控制，就可以产生有益效果，不会对涂层造成相应的危害。
表面粗糙度至少要求Rz：75 μm，125μm 也可接受，不会产生问题。不过超过112μm在现场测量会困难方法，所以对于表面粗糙度的规定通常为 75-112μm。
3. 表面层
电弧或火焰喷锌／喷铝涂层要提供有效的防腐蚀保护，要有足够的涂层厚度，这样不可避免就会产生粗糙的表面层。这是因为处理过程中泼溅的小滴造成的。无论这是否严重，都取决于要喷涂的项目和客户所要求的外观。对于长效保护性和表面层之间没有显著的相互关系，尽管增加表面粗糙度也会增加涂层的孔隙。研究表明，表面层，如粗糙度，可以用喷涂距离、空气压力和电弧喷涂的电压等来控制。粗糙度从30～60μm，可以用电弧喷涂的技术来达到。在规格书中用规定这种方法来控制这个参数是没有实际意义的，除非减少粗糙度有着非常重要的理由。
表面层观察对于有缺陷的施工检查是有帮助的。美国军用标准DOD-STD-2138A (SH)“金属喷涂层对于军用舰船表面的防腐蚀保护”中阐述了，“金属涂层在封闭前要有均匀的外观”以及“金属涂层对于小的节结限制，直径不能超过1.1 mm，高不能超过周围喷涂层的0.6 mm。这些物理性缺陷可以指出喷涂过程中的问题。这些缺陷可对检验员提示出其它缺陷的存在。
封闭涂层的施工有助于表面的光洁，流散灰尘和其它污物。但是最后完成的涂层不会有液体涂料涂层所能达到的同类表面。
4. 干膜厚度
钢铁上的涂层厚度可以普通的涂层测厚仪测量。精确的测定是容易的，要进行仔细地多次测量。喷涂层的长效性能与干膜厚度达到一定点有密切关系。在美国焊接学会(AWS)进行19年的研究中发现，无论是否进行了封闭，喷铝层厚度在0.08 ~ 0.15 mm时效果最好。无论进行了封闭与否，喷锌层的最佳性能体现在膜厚达到0.30 ~ 0.38 mm。当然，进行涂层的封闭，防腐蚀效果会更加成功，这一点对于喷锌或喷铝层是非常必要的。
由于喷涂者的技巧不同，要对膜厚进行精确控制是十分困难的。膜厚要仔细规定，规定上限和下限。很多时候业主或设计部们会要求操作者具有预备测试合格的资质。程序上的测试在美国军用标准DODSTD－2138A（SH）中有所阐述。操者必须完成4个符合军标的金属热喷涂的试样，比如干膜厚度、附着力和目测检查等，才能完成认证评定。另外一个很相似的质量评定程序，是AWS／ANSI标准的“钢铁的铝和锌以及它们的合金热喷涂保护指导”。
5. 附着力
规定涂层对于底材的附着力是其长效性的重要的指示。刚施工完后的涂层附着力最佳，而以后在期使用中逐步退化。当有外力加于它时，如内应力或底材与涂层间产生化学反应，会减弱其附着力，其结果是会起泡，或脱层。很多规定已经选择用于部分地判断其对于底材的最初附着力。
热喷涂层对于底材的附着力取决于施工方法。电弧喷涂层显出比火焰喷涂层要高得多的附着力，可以高达48MPa，根据“火焰喷涂层的附着力和内聚力测试方法”标准ASTM C 633，火焰涂喷层为28MPa。现场施工喷铝层，附着力测试，一般可以预计达到14～21MPa。我们经常规定其最低值为11～17MPa，一旦达到最低测试值，就不必再进行下去了，这样胜于破坏性的测试，而不必对破坏后的涂层进行修补。检测用的小圆柱可用加热法软化胶粘剂来除下，这样对表面不会有损害。如果这些测试有必要达到破坏性，可以选取代表性的加工件作为试样。如果这种破坏性附着力测试在在规格书有规定，则至少要达到以上数据的两倍，试样可以保留作为进一步参考，或者扔掉。重复使用这种试样不是好主意，由于原有涂层的存在，和原来的粗糙度存在，会影响测试结果。为了使结果有真实的代表性，试样要与实际操作一样进行，除油、蒸汽清洁、预热等。
当使用附着力作为质量控制的参数时，规定者应该仔细规定测试方法和所要求的测试值。附着力强度取决于测试设备。热喷涂层附着力测试可以用Elcometer 106型附着力测试仪，能达到7～9 MPa；使用液压的附着力测试仪(HATE)可显示出8～14MPa；使用ASTM C 633显示出能达到17 MPa。
根据标准ASTM D 4541，轻便式附着测试仪涂层拉开法强度测试标准方法，讨论了以上三种设备的使用。
表面预热可以提高附着力，Conoco石油公司的测试证明通过预热附着力有明显提高。因为提高了涂层的完全性。Conoco石油公司采用的预热温度至少27 ℃，通常在35～65℃。预热的另一个好处是保证了表面干燥，避免了露点问题。建议预热温度高于40℃，50℃可能是最合理的目标温度，正在喷涂的结构不受提高了的预热操作的影响。规格书中一定要说明一个可接受范围，允许操作者的误差。
　　当使用火焰喷涂时，预热对涂层质量的作用是明显的。这可以使喷枪运行得快一点。丙烷喷火器也可使用。表面的燃烧产物的污染会有一定危险，在极端的情况下，会改变表面的金相质量。两种情况下，都应对表面温度进行监测，使用表面接触表面温度计或红外线测温枪（可以不接触表面）。
    6. 表面多孔性
完成的涂层的多孔性对于它的实际保护性能是重要的，泼溅式的施工导致涂膜是不均一的。金属热喷涂的多孔性估计有3～8％，根据施工技艺。电弧喷涂可以比火焰喷涂的涂层更为致密，可以控制在3％以下。当暴露于大气条件下，钢材上没有封闭的涂层开始在孔隙里腐蚀，产生自我封闭功能。热喷涂涂层在这阶段看上去特别差劲，经常有明显的锈蚀痕迹。有些热喷涂涂层的保护寿命，在此阶段会过早地失去。涂层的孔隙越少，使用寿命越长。
喷头与底材的距离严重地影响着多孔性。电弧喷涂时距离超过150 mm时，涂层就会造成巨大的差异，孔隙从2～3％（距离＜150 mm）增加到14％（距离＞150 mm）。
孔隙度的测量是很困难的。可以进行几种方法之一来估计。涂层的密度可以测量，而后比较其100％纯度的锌或铝样品。施工中由于氧化锌或氧化铝的形成，情况变得复杂了，因为这些成份的密度不同。因此涂膜的密度是不均一的，并且不能在施工前进行适当精确的密度比较。传统的涂层横截面检测法被重新回顾，随意取样后用格栅法进行比较。在显微镜下的横截面，显现部分会显明代表孔隙度的空间。规格书能参考可接受的孔隙度，以百分比来说明，比如取样区横截面观测少于12％。
当有试验室条件时，这种技术是有用的，当代表样品能为测试目的而准备。对现场检测，它的缺点是结果出来的不快，有时要好几天才能产生。氰铁酸钾施工于被涂表面是一种检验技术。当溶液能进入钢铁表面，会有蓝色痕迹出现，因为溶液与钢铁底材相反应。测定点的密度是相当重要的，提供了多孔率的目测指示。
中国第一座采用喷铝层加防腐涂层保护的大型桥梁是武汉军山大桥。武汉军山大桥为(48+204+460+204+48)米五孔连续双塔双索面钢箱梁斜拉桥，电弧喷铝涂装面积4,5662m2。开工前进行了电弧喷铝工艺评定试验，涂层结合强工为12.2MPa，孔隙率0／cm2，72h中性盐雾无红锈。