重防腐技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)涂裝中的應(yīng)用
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1.鋼橋的結(jié)構(gòu)特點及其采用重防腐技術(shù)的必要性
現(xiàn)階段國內(nèi)外鋼制橋梁的結(jié)構(gòu)形式非常豐富，主要形式有大型鋼箱梁結(jié)構(gòu)、鋼桁架結(jié)構(gòu)、鋼管拱或鋼箱拱結(jié)構(gòu)，以及多種鋼制疊合梁結(jié)構(gòu)等，相對于一般的混凝土橋梁，鋼制橋梁具有跨越能力大、強度高、建造周期短等優(yōu)勢。
從1955年第一座跨越長江的鋼桁架橋梁——武漢長江大橋的建成以來，大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁不斷涌現(xiàn)，這類橋梁的鋼材用量一般都在萬ｔ甚至10萬ｔ以上。而表面腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞是使這種特大鋼橋構(gòu)件產(chǎn)生外觀缺陷、壽命降低以至失去工作能力的重要原因之一。
到目前為止，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題正在給世界各國的國民經(jīng)濟帶來巨大的損失。一些主要的工業(yè)國家每年由于鋼結(jié)構(gòu)腐蝕而造成的經(jīng)濟損失約占國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值的2%一4%。美國1975年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失約為700億美元，約占當(dāng)年國民生產(chǎn)總值的4.2%，1982年高達1260億美元；英國1969年腐蝕損失為13.65億英鎊，占國民生產(chǎn)總值的3.5%；日本1976年腐蝕損失為92億美元，占國民生產(chǎn)總值的1.8%；據(jù)我國1995年統(tǒng)計，腐蝕損失高達1500億元人民幣以上，約占國民生產(chǎn)總值的4%。目前，全世界每年因鋼結(jié)構(gòu)腐蝕造成的經(jīng)濟損失已高達數(shù)千億美元以上。而且，鋼結(jié)構(gòu)由于腐蝕造成的事故危及到結(jié)構(gòu)的安全運行，腐蝕引起的災(zāi)難性事故屢見不鮮，特別是焊接鋼結(jié)構(gòu)和承受較大應(yīng)力狀況下的鋼結(jié)構(gòu)，由于在應(yīng)力作用下，腐蝕將大大的加速。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護日漸成為人們關(guān)注的課題。只有在設(shè)計建造時,針對其自身的結(jié)構(gòu)特點和所處的環(huán)境條件采用相應(yīng)的重防腐技術(shù)，同時合理考慮后期的涂層養(yǎng)護，才能確保鋼橋的正常使用和長久壽命。
2、重防腐技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用
2.1重防腐技術(shù)的應(yīng)用趨勢
在歐美地區(qū)鋼橋的防腐發(fā)展過程是:20世紀(jì)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(shù)的發(fā)展,電弧噴涂防腐得到廣泛應(yīng)用,初期大多為噴涂鋅,現(xiàn)在電弧噴涂鋁日漸成為防腐發(fā)展的趨勢。20世紀(jì)90年代后，隨著國際交流的日益頻繁，歐美的一些技術(shù)先進的重防腐涂料品牌相繼進入我國，如AkzoNobel、丹麥的Hempel、荷蘭的Sigma等國際知名的涂料公司相繼在國內(nèi)建廠，客觀上促進了國內(nèi)重防腐技術(shù)的發(fā)展，逐步改進了我國鉛系涂裝體系的傳統(tǒng)模式，形成了以金屬噴涂和含鋅涂料為核心的重防腐技術(shù)。
2.2目前流行的橋梁鋼結(jié)構(gòu)外表面重防腐配套表2-1體系編號品種涂料類型應(yīng)用實例體系一噴鋁電弧噴鋁武漢陽邏長江大橋（在制）、武漢軍山長江大橋、海南瓊州大橋、浙江千島湖南浦大橋、舟山桃夭門大橋、萬縣長江大橋等封閉漆環(huán)氧云鐵封閉漆中間漆環(huán)氧云鐵中涂漆面漆聚氨酯面漆體系二底漆無機硅酸富鋅底漆廣東佛山東平大橋（在制）、廣東虎門大橋、廈門海滄大橋、南京長江二橋、宜昌長江大橋、日本明石海峽大橋等封閉漆環(huán)氧鐵紅封閉漆中間漆環(huán)氧云鐵中間漆面漆聚氨酯面漆體系三底漆環(huán)氧富鋅底漆上海黃浦大橋、上海楊浦大橋、蕪湖長江大橋、東莞大汾北橋等中涂漆環(huán)氧云鐵中間漆面漆各類型面漆
3、橋梁鋼結(jié)構(gòu)的重防腐涂料涂裝
3.1重防腐涂料涂層的作用機理和失效機理
隨著涂裝工藝的發(fā)展，重防腐涂裝成為鋼橋防腐的主流（如表2-1中的體系二與體系三）。在重防腐涂料中，其防腐涂裝工藝和涂料品種都非常相似，即涂層設(shè)計由底漆、中間漆和面漆組成的多層涂裝體系;油漆品種均為環(huán)氧(無機)富鋅底漆、環(huán)氧云母氧化鐵中間漆和聚氨酯類或環(huán)氧類或氯化橡膠面漆等組成。其作用機理如表3-1所示。表3-1編號作用類型作用機理1屏蔽作用涂層將鋼鐵與腐蝕環(huán)境機械隔離開
3.2鈍化緩蝕作用
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
3.3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涂層對橋梁鋼結(jié)構(gòu)提供的腐蝕保護以機械屏蔽的隔離防護為主，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涂料中成膜物質(zhì)的粘合與鋼鐵相結(jié)合，隨著成膜物質(zhì)的裂解、老化使鋅粉無法與鋼鐵相結(jié)合,這樣陰極保護作用自然消失。其次,油漆涂層本身有無數(shù)微針孔,長期處在鹽霧、潮濕環(huán)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(chǎn)物體積積聚膨脹,導(dǎo)致油漆層剝落,腐蝕并沿著油漆層剝落處四周迅速擴展,導(dǎo)致整個防腐體系失效。
3.2重防腐涂料的施工工藝
3.2.1重防腐涂層的涂裝前表面處理重防腐涂層底漆的涂裝前表面處理等級通常為清潔度Sa2.5-Sa3.0級、相對粗糙度25-70μm，表面處理通常采用噴砂、噴丸等噴射除銹方式，局部小面積區(qū)域可機械除銹至St3級。特殊情況下，如水性無機富鋅涂料的表面處理等級要求更高，有時其清潔度要求必須達到金屬噴涂的表面處理等級。3.2.2高壓無氣噴涂工藝的廣泛應(yīng)用目前，國內(nèi)外最流行的方式涂料噴涂方式是采用高壓無氣噴涂工藝。其工作原理是將涂料增壓到210千克／平方厘米，通過噴嘴把涂料霧化成細小的微粒，直接噴射到被涂物表面。與一般的空氣噴涂方式相比，高壓無氣噴涂具有效率高、涂料損失小、涂膜成膜厚、遮蓋率高、附著力強等特點，很好地適應(yīng)了橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐的大面積涂裝。
3.2.2無機富鋅涂料的涂裝及后養(yǎng)護無機富鋅涂料由于硅酸鹽或硅酸乙醋水解物在與鋅粉結(jié)合的同時還與鋼鐵反應(yīng)形成硅酸鋅鐵，對鋼鐵表面形成很強的化學(xué)鍵，從而可抵抗水、海水、氯化物的侵蝕。，無機富鋅涂料耐蝕、耐久性遠優(yōu)于環(huán)氧富鋅涂料，據(jù)（美國）國家航空-航天總署（NASA）報告，在各類富鋅涂料中，耐腐蝕性能最佳的為水性無機富鋅涂料，它在海洋大氣條件下的使用壽命至少為25年。無機富鋅涂料的防銹蝕機理，是通過鋅粉與基材鋼鐵表面直接接觸，并形成很強的化學(xué)鍵結(jié)合，當(dāng)水分滲入漆膜時就會形成一個由鋅粉和基材鋼板組成的電池，因鋅的電化學(xué)活性（標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.763V）較鐵（-0.449V）活潑，電流由鋅流向鐵，使鋼鐵受到陰極保護。因此對基材表面的處理要求嚴(yán)格，必須達到Sa2.5級，并使表面有一定粗糙度，增加基材的表面積，確保鋅粉能同鋼鐵緊密接觸，如處理不完全，有銹層殘存時，上述防銹機理就不能成立。以下為水性無機富鋅涂料的成膜機理。式中：Me—Na、K、LiH+—①對后固化涂料為外加酸性化合物如稀H3PO4②對自固化涂料為空氣中的（CO2+H2O）水性無機富鋅涂料以水為稀釋劑，只有通過水分的揮發(fā)才能使?jié)衲ば纬晒杷徜\致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的漆膜，因此這類涂料必須在規(guī)定的溫度（表面施工溫度5℃以上，50℃以下）和濕度（相對濕度85%以下）環(huán)境下施工。同時由于無機富鋅涂料在固化時必須吸收空氣中的水分，因此對其涂層的后養(yǎng)護須保持空氣相對濕度在60%以上，其固化時間也在5-7天。
3.3金屬噴涂技術(shù)在橋梁鋼結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用
目前，重防腐涂料的防腐壽命一般為10～15年,世界各國大量應(yīng)用實例都證明了這一點。英國標(biāo)準(zhǔn)ＢＳ5493中規(guī)定無論何種環(huán)境，防腐年限在15年以上主張采用金屬噴涂防腐（如噴鋅、噴鋁）。
3.3.1金屬噴涂（電弧噴涂）的防腐原理
金屬噴涂技術(shù)中尤以電弧噴涂應(yīng)用最為普遍，其應(yīng)用前景也更為廣泛（如表2-1中的體系一）。電弧噴涂防腐原理是利用電弧噴涂設(shè)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(fù)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(nèi)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(xiàn)一次防腐，涂層經(jīng)久有效。(2)電弧噴涂層與金屬基體具有優(yōu)良的涂層結(jié)合力（可達10Mp以上），金屬噴涂層以機械鑲嵌和微冶金與基體金屬相結(jié)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(jié)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(huán)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(jié)合力也遠遠低于電弧噴涂防腐涂層。
3.3.2電弧噴涂的技術(shù)優(yōu)勢
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(shè)備的出現(xiàn)，電弧噴涂技術(shù)已完全可以滿足橋梁建設(shè)工期的需要，且電弧溫度遠高于火焰，涂層結(jié)合力也遠大于火焰噴涂，因此涂層質(zhì)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(jīng)過幾十年的考驗證明，噴涂技術(shù)是鋼鐵結(jié)構(gòu)長效防腐的最好方法，這個結(jié)論已經(jīng)得到世界許多國家的政府部門和工程界的認可。
3.3.3電弧噴涂的施工工藝
一般電弧噴涂設(shè)備由整流電源、控制裝置、噴槍、金屬絲盤架或送絲裝置、壓縮空氣供給系統(tǒng)等組成。金屬絲盤架和壓縮空氣供給系統(tǒng)與線材火焰噴涂相同。電弧噴鋅、噴鋁工藝參數(shù)除與噴涂材料有很大關(guān)系外，還取決于使用的設(shè)備和生產(chǎn)效率的要求。表3-2列出了一般的工藝參數(shù)。表3-2工藝參數(shù)噴鋅噴鋁電弧電壓/V線材直徑/mm電弧電流/A噴涂速率/（kg/h）霧化空氣壓力/MPa噴涂角度噴涂距離/mm噴涂速率/（m/min）每遍沉積涂層厚度/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電弧噴涂長效防腐在國內(nèi)的應(yīng)用電弧噴涂長效防腐技術(shù)于20世紀(jì)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(yī)療、電力、消防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)橋梁均采用了電弧噴涂長效防腐技術(shù)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(shù)解決國家大型鋼橋梁的腐蝕防護問題。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的重防腐技術(shù)至今，逐漸形成了兩大發(fā)展趨勢，一是發(fā)展迅速的以無機富鋅涂料為基底的重防腐體系，二十較為成熟的以金屬噴涂層作為基底的重防腐體系，這兩種體系由于具有優(yōu)良的防腐性能和環(huán)境適應(yīng)性,受到各類型鋼結(jié)構(gòu)橋梁防腐的關(guān)注。
在未來的幾十年將為國家節(jié)約大量的鋼橋防腐維護費用，減少環(huán)境污染，延長鋼橋的使用壽命，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。
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