1.鋼橋特點(diǎn)及腐蝕危害

  鋼橋具有跨越能力大、強(qiáng)度高、建設(shè)速度快、施工期限短等特點(diǎn)。1955年武漢長(zhǎng)江大橋的建成使萬里長(zhǎng)江聳立起中國(guó)人民征服長(zhǎng)江的第一座豐碑；近年來，隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的加快，大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁不斷涌現(xiàn)。修建一座跨江或跨海的特大型鋼橋，使用鋼材的數(shù)量一般都在萬噸甚至10萬噸以上。而腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞是使這種特大鋼橋構(gòu)件退出工作、壽命降低的重要原因之一。

  在20世紀(jì)20～30年代歐洲和北美發(fā)達(dá)國(guó)家建造一些鋼橋，因當(dāng)時(shí)防腐技術(shù)不能提供長(zhǎng)久的腐蝕保護(hù)，使得這些鋼橋投入運(yùn)營(yíng)后腐蝕嚴(yán)重，即使進(jìn)行定期的刷油漆維護(hù)也不能獲得滿意的保護(hù)，只得將這些鋼橋降級(jí)使用或續(xù)建第二座橋，給國(guó)家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；1967年美國(guó)東部快樂岬與諾加之間的一座鐵橋，在使用40年后塌落于俄亥俄河中，使46人喪生，調(diào)查表明，倒塌原因系大氣腐蝕造成的應(yīng)力腐蝕開裂。為此鋼鐵橋梁的腐蝕已引起各國(guó)的高度重視。據(jù)1997年報(bào)道，武漢長(zhǎng)江大橋每年投入維護(hù)費(fèi)100多萬元，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；腐蝕不僅浪費(fèi)了大量的人力物力，也大大縮短了橋梁的使用年限。

  橋梁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)日漸成為人們關(guān)注的課題。只有在設(shè)計(jì)建造的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行卓有成效的防腐，才能確保鋼橋的長(zhǎng)久壽命。

  2.國(guó)內(nèi)外橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐發(fā)展的歷史沿革

  在歐洲和北美地區(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，電弧噴涂防腐與火焰噴涂相比涂層與基體結(jié)合力高、生產(chǎn)效率高，因而得到廣泛應(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(shì)。對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的含重金屬涂裝底漆和大量有機(jī)揮發(fā)物的重防腐涂料基本不再在這些發(fā)達(dá)國(guó)家本土使用。

  我國(guó)鋼橋梁腐蝕到目前為止，仍集中采用刷油漆防腐。建國(guó)50年來，鋼橋梁防腐技術(shù)的變化也主要集中在對(duì)油漆的種類進(jìn)行調(diào)整。如20世紀(jì)50～60年代鋼橋梁防腐采用紅丹防銹漆加云鐵醇酸面漆的鉛系環(huán)境污染涂料，并一直主導(dǎo)著我國(guó)鋼橋梁的防腐。隨著大型鋼橋梁的建設(shè)，其防腐問題開始突出，鉛系涂裝體系的防腐耐久性差和維護(hù)費(fèi)用高昂的缺點(diǎn)日漸顯現(xiàn)，80年代開發(fā)了重防腐涂料，經(jīng)過對(duì)底、中、面漆的配套使用，使鋼橋的防腐壽命有較大提高，90年代國(guó)外重防腐同類涂料開始涌入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。重防腐涂料僅能提供鋼橋10年左右的防腐壽命，10年后必然面臨巨大的防腐維護(hù)費(fèi)用，這在歐洲已被事實(shí)所證實(shí)。

  3.橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐的各種方法

   3.1 重防腐油漆涂裝防腐蝕

   3.1.1 重防腐油漆的作用機(jī)理

  油漆防腐具有美麗的外觀，簡(jiǎn)單的涂裝工藝，多年來一直被廣泛采用。隨著涂裝工藝的發(fā)展，重防腐涂裝成為鋼橋防腐的主流。在重防腐涂料中，無論是國(guó)外名牌油漆，還是國(guó)內(nèi)品牌油漆，其防腐涂裝工藝和涂料品種都非常相似，即涂裝工藝由底漆、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(jī)）富鋅底漆、環(huán)氧云母氧化鐵中間漆和環(huán)氧聚氨酯或環(huán)氧各色面漆或氯化橡膠面漆等組成。

  其作用機(jī)理為：①屏蔽作用：油漆涂層將鋼鐵與腐蝕環(huán)境機(jī)械隔離開。②鈍化緩蝕作用：油漆涂裝體系中，第一道車間底漆對(duì)鋼鐵有鈍化緩蝕作用，增加油漆層附著力，防腐作用很微弱。③陰極保護(hù)作用：防腐底漆中如添加鋅粉（如富鋅底漆），對(duì)鋼鐵提供陰極保護(hù)。

  3.1.2 重防腐油漆的失效機(jī)理

  油漆對(duì)鋼橋梁提供的腐蝕保護(hù)以機(jī)械屏蔽的隔離防護(hù)為主，油漆涂層的老化、粉化使這種隔離作用減弱或失去作用；其陰極保護(hù)作用的鋅粉是靠油漆中有機(jī)粘合才能與鋼鐵相結(jié)合，隨著有機(jī)物的裂解、老化使鋅粉無法與鋼鐵相結(jié)合，這樣陰極保護(hù)作用自然消失。其次，油漆涂層本身有無數(shù)微針孔，長(zhǎng)期處在鹽霧、潮濕環(huán)境下，氯離子、水分子等會(huì)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(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)防腐體系失效。

  3.1.3 重防腐油漆的國(guó)內(nèi)外使用狀況

  隨著防腐技術(shù)的發(fā)展，人類生存環(huán)境的不斷惡化，涂料對(duì)環(huán)境的污染性逐漸被人們認(rèn)識(shí)，國(guó)外已不再在鋼橋上大面積使用重防腐涂料，目前發(fā)達(dá)國(guó)家將其銷售市場(chǎng)直接轉(zhuǎn)向發(fā)展中國(guó)家和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的國(guó)家。如果我們?cè)谛陆ㄤ摌蛑欣^續(xù)使用有機(jī)重防腐涂料進(jìn)行防腐，那么10年后我們將會(huì)步發(fā)達(dá)國(guó)家后塵，面對(duì)的是龐大的鋼橋防腐維護(hù)費(fèi)用，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊憳蛄旱陌踩?。采用重防腐涂料防腐的鋼橋，最多在建設(shè)后10年就需要進(jìn)行例行維護(hù)，除去浮銹和舊油漆，這不僅影響交通正常進(jìn)行，同時(shí)維護(hù)的效果也不可能達(dá)到建設(shè)初期水平，還消耗大量涂料，舊油漆重金屬顏料也會(huì)污染周圍環(huán)境，甚至還要專門成立一支鋼橋防腐養(yǎng)護(hù)隊(duì)伍。因此每座鋼橋梁都不得不為此支付一筆相當(dāng)數(shù)量的維護(hù)費(fèi)用，這種開支還不是一次性的，而是以后每隔3～5年就得進(jìn)行一次。

  重防腐涂料的防腐壽命一般為8～10年，世界各國(guó)大量應(yīng)用實(shí)例都證明了這一點(diǎn)。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS5493中規(guī)定無論何種環(huán)境，防腐年限在10～15年以上主張采用熱噴涂鋅、鋁防腐。

  3.2 熱浸鍍鋅防腐

  鋼橋的護(hù)攔、扶梯及拼裝式小型鋼橋梁采用熱浸鋅防腐，熱浸鋅鍍層一般無法超過80μｍ厚度，在一般工業(yè)大氣環(huán)境下可以提供10年左右的有效保護(hù)。熱浸鋅防腐工藝需要將工件浸入熔融的金屬鋅鍍槽中，受鍍槽容積所限，不能對(duì)較大尺寸的鋼橋部件進(jìn)行防腐施工。其次，不能到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行熱浸鋅防腐，只能在固定的工廠施工，勢(shì)必造成大量的往返運(yùn)輸費(fèi)用，再次，熱浸鋅鍍層碰傷后，自身無法進(jìn)行修復(fù)。因此采用熱浸鋅方法對(duì)鋼橋全面防腐有很大的局限性

  3.3 熱噴涂防腐

  熱噴涂技術(shù)是利用熱源對(duì)金屬、非金屬、陶瓷等噴涂材料進(jìn)行加熱，將熔融的粒子霧化、噴射并沉積到基材表面上，形成特殊表面涂層的方法。噴涂使用的熱源主要有三種：一是電弧熱源，二是等離子熱源，三是燃?xì)鉄嵩?。并由此把熱噴涂分為電弧噴涂、等離子噴涂和火焰噴涂，用于防腐領(lǐng)域的主要有火焰噴涂和電弧噴涂。

  3.3.1 火焰噴涂

  火焰噴涂是采用可燃性氣體的燃燒作為熱源，將金屬絲材或粉末熔融、霧化、吹噴于基體表面的方法。在歐洲及北美鋼橋梁早期熱噴涂防腐為氧、乙炔火焰噴涂，取得很好的防腐效果。我國(guó)于1965年曾在南京長(zhǎng)江大橋鋼板縱梁上蓋板采用火焰噴鋅加耐磨漆方式進(jìn)行防腐，13年后檢查效果良好。但火焰噴涂生產(chǎn)效率低，嚴(yán)重制約鋼橋的加工工期，因此僅對(duì)鋼橋長(zhǎng)期積水、陰暗面和主要受力構(gòu)件進(jìn)行噴涂防腐。若對(duì)整個(gè)大橋采用氧、乙炔火焰噴涂防腐可能會(huì)出現(xiàn)防腐施工效率與工期矛盾，噴涂層長(zhǎng)久附著有效與涂層結(jié)合力的矛盾等，因此國(guó)內(nèi)沒有大面積采用火焰噴涂進(jìn)行鋼橋防腐的例子。

  3.3.2 電弧噴涂

  電弧噴涂防腐原理是利用電弧噴涂設(shè)備，對(duì)兩根帶電的金屬絲（如鋅、鋁等）進(jìn)行加熱、熔融、霧化、噴涂形成防腐涂層，外加有機(jī)封閉涂層的長(zhǎng)效防腐復(fù)合涂層，該涂層的顯著特點(diǎn)是1）具有較長(zhǎng)久的耐腐蝕壽命，其防腐壽命可達(dá)到50年以上，同時(shí)該防腐涂層在30年使用期內(nèi)無須其它任何防腐維護(hù)；30年以后的維護(hù)，僅須在電弧噴涂層上刷封閉涂料，無須重新噴涂，實(shí)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，金屬噴涂層以機(jī)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(zhǎng)久有效，這一點(diǎn)是其它任何表面防腐涂層無法達(dá)到的。（3）電弧噴涂鋅、鋁涂層防腐原理為陰極保護(hù)，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(hù)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(hù)效果和結(jié)合力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電弧噴涂防腐涂層。

  3.3.3 電弧噴涂和火焰噴涂的比較

  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(jī)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(yuǎn)高于火焰，涂層結(jié)合力也遠(yuǎn)大于火焰噴涂，因此涂層質(zhì)量也完全可以滿足長(zhǎng)效防腐的需要。美國(guó)由于人工費(fèi)用高，使用電弧噴涂防腐施工的費(fèi)用甚至低于重防腐油漆。經(jīng)過幾十年的考驗(yàn)證明，熱噴涂技術(shù)是鋼鐵結(jié)構(gòu)長(zhǎng)效防腐的最好方法，這個(gè)結(jié)論已經(jīng)得到世界許多國(guó)家的政府部門和工程界的認(rèn)可。

  4.國(guó)內(nèi)外熱噴涂長(zhǎng)效防腐技術(shù)研究進(jìn)展

  4.1 國(guó)外熱噴涂長(zhǎng)效防腐涂層的腐蝕試驗(yàn)

  1953年美國(guó)焊接學(xué)會(huì)對(duì)熱噴涂鋅、鋁涂層在工業(yè)環(huán)境、海水環(huán)境（半浸在不流動(dòng)海水和全浸在流動(dòng)海水）和海洋性環(huán)境三大類環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)19年的工業(yè)掛片試驗(yàn)，投放試片4248片，試驗(yàn)結(jié)果表明，噴鋅、鋁加封閉涂層都能對(duì)以上三大類環(huán)境的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件提供長(zhǎng)期有效防腐保護(hù)，公布了世界著名的熱噴涂19年試驗(yàn)報(bào)告AWSC2 14-74。

  美國(guó)LAQUE腐蝕技術(shù)中心在海洋大氣34年防腐涂層性能試驗(yàn)報(bào)告證實(shí)，熱噴涂鋅、鋁涂層在各種有害環(huán)境中長(zhǎng)期有效，美國(guó)在此基礎(chǔ)上并結(jié)合19年報(bào)告，制定了AWSC2 18-93熱噴涂操作指南，作為熱噴涂施工企業(yè)質(zhì)量控制手冊(cè)，以期指導(dǎo)生產(chǎn)。

  美國(guó)海軍土木工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)75μｍ厚的噴鋅、鋁涂層進(jìn)行10年的耐海洋氣候和海水試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)紅銹出現(xiàn)，證明涂層防腐有效。

  法國(guó)地下鐵道公司對(duì)噴鋅、鋁涂層進(jìn)行10年的暴露試驗(yàn)，結(jié)果表明防腐有效。

  前蘇聯(lián)第比利斯地下礦井水試驗(yàn)指出：噴鋅防腐至少提供30年的耐腐蝕性。

  不同國(guó)家技術(shù)人員的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。即熱噴涂鋅、鋁涂層均能夠提供鋼鐵在海洋大氣、工業(yè)大氣、海水環(huán)境下的長(zhǎng)久有效保護(hù)。這些試驗(yàn)結(jié)果直接被作為熱噴涂防腐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)，直接推動(dòng)了20世紀(jì)60年代以后世界發(fā)達(dá)國(guó)家大型鋼鐵橋梁熱噴涂防腐的應(yīng)用，為世界的熱噴涂發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。

  4.2 熱噴涂長(zhǎng)效防腐在國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用

  熱噴涂在橋梁上的應(yīng)用，在20世紀(jì)30年代已開始，發(fā)展至60～70年代時(shí)，歐洲每年用于熱噴涂防腐的鋅絲達(dá)4000萬磅，美國(guó)每年熱噴涂用鋅絲達(dá)200萬磅；一般熱噴涂復(fù)合涂層的耐腐蝕壽命為20～40年以上。

  英國(guó)的許多大橋都有25年以上的噴鋅防腐蝕經(jīng)驗(yàn)。負(fù)責(zé)橋梁維修的工程師們，根據(jù)他們對(duì)大型結(jié)構(gòu)噴鋅的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，處于惡劣環(huán)境的橋梁，尤以橋上難以接近或不可能接近的部位，噴鋅、鋁是一種有效的處理方法。英國(guó)列舉了全國(guó)各地大型鋼鐵橋梁采用熱噴涂進(jìn)行防腐的應(yīng)用實(shí)例，它們都達(dá)到了25年以上無需維修的長(zhǎng)效防腐效果。其中昆斯費(fèi)里梅登里德第四公路大橋，在70年代是世界最大鋼橋，耗鋼材2萬ｔ，噴涂耗鋅絲100萬磅，防腐效果很好，使用了20多年無需維修。南威爾士新港（New port）的喬治街大橋（George Steet Bridge）建于1964年，位于高度工業(yè)污染環(huán)境中，采用噴鋅防腐，到1985年，即經(jīng)過21年無維修，檢查涂層狀況良好，并證實(shí)至少5年內(nèi)無需維修。蘇格蘭的奢林斯費(fèi)利（Qucesferry）的第四公路橋，建于1960～1964年，該橋主跨1000ｍ，位于多風(fēng)的海洋環(huán)境，采用噴涂鋅外加封閉處理，經(jīng)歷13年無維修，發(fā)現(xiàn)保護(hù)層色澤仍完好，結(jié)構(gòu)完美。

  4.3 電弧噴涂長(zhǎng)效防腐在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

  電弧噴涂長(zhǎng)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(jī)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(tuán)馬跡山港碼頭鋼樁、上海磁懸浮快速列車軌道功能件、長(zhǎng)江三峽水利樞紐工程、武漢軍山長(zhǎng)江大橋鋼箱梁及橋面等國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，以及淳安千島湖南浦大橋、長(zhǎng)江黃柏河大橋、下牢溪大橋、廣州機(jī)場(chǎng)三元里立交橋、徐連高速公路邳州運(yùn)河大橋等鋼結(jié)構(gòu)橋梁均采用了電弧噴涂長(zhǎng)效防腐技術(shù)進(jìn)行了腐蝕防護(hù)，并取得很好的防腐效果。我國(guó)已完全有能力采用電弧噴涂長(zhǎng)效防腐技術(shù)解決國(guó)家大型鋼橋梁的腐蝕防護(hù)問題。

  5.鋼橋梁長(zhǎng)效防腐的必要性

  世界各國(guó)早期建設(shè)的鋼橋梁基本上都采用油漆防腐，普通涂料防腐壽命為3～5年，重防腐涂料涂層為8～10年，以后每隔3～5年需重新涂漆維護(hù)，其維護(hù)效果難以令人滿意，我國(guó)也不例外。歷史上油漆防腐鋼橋腐蝕造成的危害是嚴(yán)重的，鋼橋防腐維護(hù)費(fèi)用是巨大的。由于腐蝕效應(yīng)和現(xiàn)有油漆的風(fēng)化，目前有大量的鋼橋需要維護(hù)、修理和重涂。鑒于此，無論是新建鋼橋梁、還是已經(jīng)建好使用的鋼橋都迫切需要一種30～50年以上的長(zhǎng)效防腐涂層，實(shí)現(xiàn)一次防腐，鋼橋經(jīng)久不腐。

  在歐洲，交通部門利用長(zhǎng)壽命金屬噴涂防腐涂層已經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)了。美國(guó)、英國(guó)、挪威、瑞典等國(guó)早在20世紀(jì)五六十年代就開始在橋梁防腐上大面積推廣應(yīng)用金屬噴鋅、鋁防腐涂層；我國(guó)熱噴涂（尤其是電弧噴涂）技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)鋼橋防腐上的應(yīng)用極少。我國(guó)的鋼橋仍在大量采用重防腐油漆防腐，鋼橋的設(shè)計(jì)壽命與防腐壽命必然存在較大差距。

  近年來國(guó)家大力投資交通設(shè)施建設(shè)，公路投資5000億元，鐵路投資2500億元，在跨越大江、大河的路段要建大量鋼橋梁。對(duì)于新建橋梁，只有既能提供優(yōu)良的耐久性，又與環(huán)保沖突最小的涂層才是可用的，熱噴涂金屬涂層由于具有優(yōu)良的防腐性能和環(huán)境適應(yīng)性，受到橋梁工程師們的關(guān)注。90年代以來我國(guó)的電弧噴涂工藝得到進(jìn)一步完善，大大提高了涂層質(zhì)量、生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，已廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長(zhǎng)效防腐，其防腐效果大大優(yōu)于油漆防腐，可以做到一次防腐與鋼橋設(shè)計(jì)壽命同步。在我國(guó)鋼橋梁上推廣應(yīng)用電弧噴涂層長(zhǎng)效防腐，在未來的幾十年將為國(guó)家節(jié)約大量的鋼橋防腐維護(hù)費(fèi)用，減少油漆防腐維護(hù)帶來的環(huán)境污染，延長(zhǎng)鋼橋的使用壽命，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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