钢结构桥梁的腐蚀控制

前言：喷锌、喷铝、喷漆、油漆防腐、高空防腐、重防腐

　　我国是一个人口众多、地域辽阔、海岸线很长并拥有大大小小许许多多河流的大国，因而拥有各种类型的桥梁也特别多，例如，竹排桥、木板桥、砖砌桥、石板桥、水泥桥、大型钢铁混凝土桥、铁索桥、吊桥、钢结构桥、钢结构桥梁防腐、钢结构大桥防腐、混凝土大桥防腐、大桥倒Y桥柱防腐等数以万计。从性能与作用区分，桥还可分为人行桥、公路桥、过街天桥、铁路桥、过江大桥、海湾大桥、悬索桥、海运码头引桥等。我国拥有世界上最早最多的砖砌拱桥、石砌拱桥，但钢结构桥梁钢结构桥梁防腐、钢结构大桥防腐、混凝土大桥防腐、大桥倒Y桥柱防腐却少得可怜，只有兰州黄河第一桥，天津、上海市区的解放桥，大渡河上钢索桥等屈指可数的几座，解放后，1953年原苏联援助建设了第一座钢铁公路两用的武汉长江大桥，揭开了我国钢结构大桥的建设史，1978年改革开放以后迎来了我国桥梁建设的蓬勃发展的新时代。以长江为例，目前已建成21座长江大桥，正在兴建11座，仅三峡水库区就有34座桥梁即将完工，这些桥梁几乎都是钢结构桥梁。最长的一条，将是投资53亿元，北起杨州，南接镇江丹徒，全长35.66公里的润杨长江大桥，这是一座大型钢结构悬索桥，居中国第一，世界第三，润杨长江大桥的建设标志着我国已进入世界建桥的先进行列。我国正在迅速兴建高速公路，北京至上海的高速公路长为1262公里，共有980座公路桥。北京地区的桥就有1000座，其中就有设计精美的立交桥近200座。目前我国高速公路已达1.6万公里(世界第三)，大约已有近万座公路桥，我国大型公路桥、精美立交桥的建设事实标志着我国的桥梁钢结构桥梁防腐、钢结构大桥防腐、混凝土大桥防腐、大桥倒Y桥柱防腐水平已处于世界先进水平。在这种令人鼓舞的新形势下，作为腐蚀防护科技工作者需要认真考虑的是：我国所建设的这些桥梁的防护水平是否也处于世界先进水平？是否能预防这些桥梁免遭环境条件的侵蚀，确保安全、可靠地运行，确保长寿命的使用？美国是世界上拥有高速公路最长的国家，据美国1984年报道，钢铁混凝土桥梁57.5万座，一半以上出现钢筋腐蚀破坏，40%承载力不足，需要修复和加固。

　　腐蚀在世界各国、各行各业造成过重大损失，飞机坠毁，钢铁桥梁突然断塌、混凝土工程出现渗漏溶蚀、裂缝、钢筋断裂，输电塔杆倒塌，水轮机叶轮出现空泡腐蚀、腐蚀损伤、停电维修以至有的电厂突然停电，引起用电工厂成片停产。按美国官方指定的部门调查，美国腐蚀损失1975年为＄700亿(占GNP4.2%)，1986年为＄1260亿，1995年达＄3000亿。

　　 我国地处四个地带六个区：热带湿热区；亚热带亚湿热区；亚热带干热区；温带温和区等，长江以南相对湿度超过80%的时间在200天以上；我国是一个发展中国家，环境治理还很有限，相当广阔的区域SO2污染严重，还下着酸雨，pH值在5～6之间；地球上海洋面积为361×106平方千米，我国海岸线长达一万多公里，沿海五千多个大小岛屿，海水和海洋大气中的Cl-离子弥漫在一些地区；我国水深200米以内的大陆架占世界大陆架 总面积的23%，这些事实说明，我国要建设的桥梁很多，而周围环境又比较苛刻。

　　再说具体地区环境，以三峡为例，三峡的大气环境是属于南温带和亚热带过渡地带的气候，夏热、冬暖，年平均气温21～22℃，极端高温达到过43.5℃(在丰都县)，年平均湿度多超过70%。RH大于80%的天数在200天以上，年降雨多大120～130天，pH=5.5～6.0(酸雨)，空气污染含有SO2、Cl、NH3、CO2等，其特点是高温、高湿、风小、雾多、雨多。长江水质污染，pH达8.8～9.1，偏碱性，含有大量泥砂。

　　这样的环境对我国各地钢结构桥梁的建设会产生什么样的影响？要采取什么措施预防这些影响？

　　在周围环境作用下，材料的退化和变质是一种自然现象，包括金属的腐蚀和非金属的老化。在相对湿度较低时金属的腐蚀速率非常缓慢，到达临界相对湿度时，腐蚀速度突然加大，这一临界值随金属种类、金属表面状态和潮湿空气中所含污染程度而有所不同，一般来说，金属的临界相对湿度在70%左右，铁、锌、铜的临界值均在70%左右，而这些潮湿空气(在金属表面上形成水膜)一旦含有SO2，Cl2等污染物时，腐蚀速度呈几十倍上百倍地增加。

　　 CO2、H2S、NH3等污染物也促进腐蚀，CO2遇水溶解后生成H2CO3促进了金属的腐蚀(但也有人认为，CO2的存在使铜和铁的腐蚀都各有下降)；H2S溶入水膜后，使水膜酸化、导电度上升，阳极去极化容易，所以潮湿空气中含少量H2S也强烈加速腐蚀，NH3的溶入水膜，使其pH显著上升，含13%～25%NH3时，pH可达9～10，显著加速铜的腐蚀。

　　温度升高，显著加速化学或电化学反应，加速腐蚀。

　　在环境侵蚀同时，存在静应力(使用应力和残余应力)，某些合金会引起应力腐蚀，存在循环应力，绝大部分材料会引起腐蚀疲劳。某些钢出现应力腐蚀开裂的应力源包括残余应力、装配应力和使用应力。据统计，有些合金其引起应力腐蚀开裂的比例分别为40%、25%、25%，可见，要谨慎设计使用应力，处理好装配应力和残余应力，才能有效地避免应力腐蚀开以上分析可以总结下述认识：

　　(1)我国地处较为严酷的气候条件，所建钢结构桥梁普遍会存在腐蚀，恶劣的环境污染又显著地加速腐蚀，国外已有钢结构大桥因为应力腐蚀而突然塌落，以及三座预应力桥梁因压浆不饱满使钢绞线钢筋严重锈蚀而突然倒塌的报道，这是我们必须面对的事实，也就是说，我国任何钢结构桥梁的建设，必须从设计开始，贯穿制造过程和维护保养过程，进行卓有成效的腐蚀控制，使每一座建在我国大地上的钢铁桥梁都是一座美丽、壮观、安全、长寿、维护少的艺术精品。

　　(2)卓有成效的腐蚀控制措施可包括：①控制和治理环境污染，我国自上而下拥有一支庞大的强有力的环境保护领导、管理和科技队伍，环境治理成效显著，这对减缓钢结构桥梁的腐蚀意义重大，然而一个国家的环境治理决非易事，没有几十年花大力气是达不到理想境界的；②隔离污染的环境侵蚀，例如悬索桥钢缆采用不干性密封胶隔离侵蚀环境，高强度钢螺栓与钢梁的连接部分选用密封胶密封；③选用耐蚀材料，例如选用耐候钢、不锈钢，不过价格过于昂贵，对于发展中国家也有困难；④选用先进制造技术，例如预应力钢绞线是桥梁的心脏，这是确保桥梁使用寿命的关键之一，传统压浆工艺常造成压浆不饱满，造成钢绞线锈蚀，选用真空辅助压浆新工艺克服了这个问题，提高了质量；⑤研制和使用保护涂层，这是最现实、最有效、最经济、几十年实践证明为最好的措施，本文将突出介绍涂层技术。

　　长江大桥钢结构保护层的沿革

　　1952年准备，1953年2月动工，1957年10月通车的铁路公路两用的武汉长江大桥是我国第一座横跨长江的大型钢结构桥梁，气势雄伟，颇为壮观。正如表1所示，它采用的红丹底漆是当时我国性能较为优良的钢铁用防锈底漆，它的保护作用是红丹(Pb2O3)颜料促进钢材的阴极极化、并促进阳极反应Fe2+→Fe3+(不溶化合物)形成的。面漆采用的是长油度醇酸磁漆(又称316面漆)。这种面漆耐候性差，再加上当时的制漆水平与施工质量，使用寿命很短，故有从南岸涂到北岸，南岸钢梁上的漆又需要重涂之说，在那个“大革命”期间，年复一年地重复。1968年12月我国自行设计制造的南京长江大桥试用了1966年铁道科学研究院研制成功灰色66面漆(灰铝锌醇酸磁漆)，1976年武汉与南京长江大桥钢箱梁均改为表1中所介绍的二底(云铁酚醛底漆)二面(云铁醇酸钢桥漆)。这套涂层体系使用寿命可达10年，普遍推广到重庆九龙坡大桥、坦赞铁路、缅甸仰光大桥等。1971年9月通车的枝城长江大桥，已出现采用质量更好价钱更贵的聚氨酯底漆和面漆，并在高强度螺栓连接处钢板表面首次采用了无机富锌底漆。改革开放之后，铁道科学研究部门沿着这类涂层体系继续提高，鞠湖长江大桥采用了环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+丙烯酸聚氨酯面漆新体系，在西陵长江大桥和连沱大桥都采用了无机富锌底漆+环氧云铁中间漆+丙烯酸聚氨酯面漆新体系。在三峡库区多年的大气暴晒试验表明：在大气环境下防腐蚀最好的体系：

　　喷锌或富锌底漆+环氧云铁中间漆+丙烯酸聚氨酯面漆；

　　喷锌或富锌底漆+改性环氧中间漆+丙烯酸聚氨酯面漆。

　　从表2所示海湾大桥防护体系这种三层体系表达得更为充分，可以归纳成为目前较为理想的方案：

　　无机富锌底漆或喷锌或环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+丙烯酸聚氨酯面漆或氯化橡胶厚浆漆。

　　铁道科学研究院杜存山先生总结了我国铁道钢结构桥梁的涂装防护体系(见表1-3-3)，将我国铁道系统进行桥梁涂装防护的历史演变(见表1-3-3-Ⅰ～Ⅳ)及发展趋势(见表1-3-3-V)表达得十分清晰。就防护体系的角度，无论表1-3-1的长江大桥防护，还是表1-3-2的上海杨浦、南浦大桥防护或厦门、虎门海滨大桥都有异途同归、逐步一致的看法，就是：三层(底、中、面)、多道、重防腐、美观、耐久、维护少、寿命长。

　　长江大桥涂装防护体系沿革

　　武汉长江大桥 武汉长江大桥(1953.2动工，1957.10通车) 底漆：红丹防锈底漆；面漆：长油度醇酸磁漆(316灰色面漆) 1976年更换为： 底漆：云母氧化铁酚醛桥梁底漆(二道)；面漆：云母氧化铁醇酸钢桥漆(二道) 四道总厚度：200～300μm 鸭绿江大桥、重庆九龙坡大桥、坦赞铁路、缅甸仰光大桥等都采用了1976年防护体系方案，效果良好

　　南京长江大桥 南京长江大桥(1960.1动工，1968.12通车) 底漆：红丹防锈底漆；面漆：灰铝锌醇酸磁漆(66灰色面漆) 1976年更换为：与上述武汉长江大桥同

　　枝城长江大桥 枝城长江大桥 (1965.11动工，1971.9通车) 钢梁：底漆：硼钡酚醛防锈底漆 面漆：灰铝锌醇酸磁漆；灰铝锌有机硅醇酸磁漆 铁路纵梁上盖板：底漆：棕黄聚氨酯底漆；面漆：灰聚氨酯桥板漆 高强度钢螺栓连接处钢板表面：底漆：无机富锌底漆；面漆：灰聚氨酯桥板漆裂。 九江长江大桥 九江长江大桥：(2000年通车) 钢梁：底漆：红丹酚醛防锈底漆(二道)；面漆：云铁醇酸面漆(三道)，总共大于190μm

　　九江长江大桥 铁路纵梁上盖板：底漆：棕黄聚氨酯底漆(二道)；面漆：银灰聚氨酯桥板漆(三道)，总共大于270μm 高强度钢螺栓连 接处钢板表面：底层：热喷+锌黄酚醛底漆(二道)；面漆：云铁醇酸面漆(三道)，总共大于300μm

　　鞠湖长江大桥 鞠湖长江大桥：(2001年通车) 钢箱梁等钢构件：底漆：无机富锌底漆；中间漆：环氧云铁中间漆；面漆：脂肪族丙烯酸聚氨酯面漆

　　西陵长江大桥 莲沱大桥 (1995) 西陵长江大桥(1997年建成) 钢箱梁外表面：底漆：无机硅酸锌车间底漆(SZ-1C)(一道) 底漆：无机富锌底漆(SZ-1G)(一道) 中间漆：环氧云铁中间漆(881D)(二道) 面漆：脂肪族丙烯酸聚氨酯面漆(881YM)(二道) 钢桥板面：第一层：无机硅酸锌车间底漆(SZ-1C) 第二层：无机富锌底漆(SZ-1G) 钢箱梁内壁、U型肋内外壁：第一层：无机硅酸锌车间底漆(SZ-1C) 第二层：无机富锌底漆(SZ-1G) 第三层：无机富铝面漆(一至二道) 三峡库区莲沱大桥钢箱梁外露部分同西陵大桥

　　海滨大桥防护体系

　　厦门海仑大桥 (2000年通车) 1、无机富锌车间底漆 2、醇溶无机富锌底漆 3、环氧型封闭漆 4、环氧云铁中间漆 5、聚氨酯面漆 1、无机富锌底漆 2、厚浆改性环氧防锈液(钢箱梁内设除湿机) 1、无机富锌车间底漆 2、醇溶无机富锌底漆 3、加铺钢筋混凝土及聚合物沥青路面

　　虎门株江大桥 (1999年通车) 1、无机富锌底漆 2、环氧云铁中间漆 3、氯化橡胶厚浆漆 1、无机富锌底漆 2、环氧云铁中间漆 3、环氧沥青厚浆面漆 1、无机富锌底漆 2、氰凝防水涂料 3、加铺钢筋混凝土及聚合物沥青路面

　　上海南浦大桥 1、环氧富锌底漆 2、环氧云铁中间漆 3、氯化橡胶厚浆面漆 1、无机富锌底漆 2、环氧云铁中间漆 3、环氧沥青厚浆面漆

　　上海杨浦大桥 1、环氧富锌底漆 2、环氧云铁中间漆 3、氯化橡胶云铁面漆 1、无机富锌底漆 2、环氧云铁中间漆 3、环氧沥青厚浆面漆 防撞栏杆、人行观光护栏： 1、无机富锌底漆 2、环氧云铁中间漆 3、丙烯酸聚氨酯面漆

　　我国铁路钢桥防腐蚀涂装体系

　　Ⅰ 底漆：红丹酚醛防锈底漆、红丹醇酸防锈漆 面漆：长油度醇酸磁漆(316灰色面漆) 灰铝锌醇酸磁漆(66灰色面漆) 手工St2 底面漆各二道，7～8年

　　Ⅱ 底漆：红丹酚醛防锈底漆 红丹醇酸防锈底漆 面漆：云母氧化铁醇酸钢桥漆 手工St2 底面漆各二道，10年

　　Ⅲ 底漆：环氧富锌底漆 面漆：灰云铁氯化橡胶面漆 喷砂Sa2 氯化橡胶面漆，少用

　　Ⅳ 底漆：环氧富锌底漆(二道) 中间漆：环氧云铁中间漆(一道) 面漆：灰铝粉石墨醇酸面漆(018灰色面漆) 喷砂Sa2 面漆二、三道，15～20年

　　Ⅴ 底漆：无机富锌底漆、热喷锌、铝、锌铝合金 中间漆：环氧云铁中间漆 面漆：脂肪族丙烯酸聚氨酯面漆 氟碳涂料 喷砂Sa2.5 底层保证30年以上