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波形钢腹板防腐蚀涂装浅析
发布时间:2015/3/19 14:46:20    发布人:dajianpp

文/陈华利 严盛 崔海龙 陈利民 秦建武 翟明丰

1 概述

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥(以下简称波形钢腹板PC组合箱梁桥)是一种经济、高效、施工简便的新型桥梁形式。自从1988ACSI协会将波形钢腹板PC组合箱梁作为桥梁结构进行介绍后,世界各国均围绕这一新的组合结构进行研究。波形钢腹板箱梁恰当地将钢、混凝土两种不同材料结合起来,提高了结构稳定性、强度及材料的使用效率,具有诸多优越性。波形钢腹板PC组合箱梁用波形钢板置换预应力混凝土箱梁的混凝土腹板,使箱梁成为由钢筋混凝土和波形钢腹板组成的组合结构。其最显著的特点是用厚10mm左右的波形钢板取代厚300800mm的混凝土腹板。近年来在国内发展迅速,在认识到该类桥梁的诸多优越性的同时,工程建设人员亦关注波形钢腹板结构耐久性,其尤以波形钢腹板的防腐蚀性能方面的研究,随着钢结构防腐技术的发展,波形钢腹板防腐耐久性亦获得解决,本文对波形钢腹板防腐蚀技术发展以及与传统钢结构防腐蚀技术区别进行分析研讨。

2 桥梁钢结构防腐蚀工艺现状

钢铁具有优越的机械性能,且其性能可长时间保持稳定,所以工业用的各种机械等都采用钢铁作为主材料。同样在交通领域,钢桥等大型钢结构具有跨越能力大、强度高、建设速度快、施工期限短等特点。特别是近年来,随着国家基础设施建设速度的加快,大型钢结构桥梁不断涌现。修建一座跨江或跨海的特大型钢桥,使用钢材的数量一般都在万吨甚至10万吨以上。但是钢铁材料在工业大气中的暴露,与海水江水的接触必会导致表面的腐蚀。而腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳是使这种特大钢桥构件退出工作、寿命降低的重要原因之一。桥梁钢结构的腐蚀防护日渐成为人们关注的课题。只有在设计建造的同时,进行卓有成效的防腐,才能确保钢桥的长久寿命。

2.1 国外防腐蚀技术现状

显然,要使钢铁材料在所处的各种环境中能保持长时间的稳定和工作寿命,必须对钢结构材料表面进行各种防腐处理。欧美国家钢结构的防腐技术发展始自20世纪初,起初主要为油漆防腐和重防腐涂料防腐。随后热浸锌防腐、火焰喷涂防腐、电弧喷涂防腐相继出现。英国是应用热喷涂防腐技术最早的国家之一。在1939年首次采用热喷涂锌涂层方法保护新建的威尔士Menai海峡大桥的钢链和部分钢结构。喷涂的锌涂层厚度为0.125mm,油漆封孔。15年后检查锌涂层基本完好,钢铁基体被很好地保护,无需任何维修。热喷涂技术初期大多为喷涂锌,现在电弧喷涂铝日渐成为防腐发展的趋势。对环境污染严重的含重金属涂装底漆和大量有机挥发物的重防腐涂料不再使用。

2.2 国内钢结构防腐蚀技术发展

到目前为止,我国钢桥防腐仍集中采用刷油漆防腐。建国50年来,钢桥防腐技术的变化也主要集中在对油漆的种类进行调整。如20世纪50~60年代钢桥梁防腐采用红丹防锈漆加云铁醇酸面漆的铅系环境污染涂料,并一直主导着我国钢桥的防腐。随着大型钢桥的建设,其防腐问题开始突出,铅系涂装体系的防腐耐久性差和维护费用高昂的缺点日渐显现,80年代开发了重防腐涂料,经过对底、中、面漆的配套使用,使钢桥的防腐寿命有较大提高,90年代国外重防腐同类涂料开始涌人国内市场。重防腐涂料仅能提供钢桥10年左右的防腐寿命,10年后必然面临巨大的防腐维护费用,这在欧洲已被事实所证实。

采用重防腐涂料防腐的钢桥,最多在建设后10年就需要进行例行维护,除去浮锈和旧油漆,这不仅影响交通正常运行,同时维护的效果也不可能达到建设初期水平,还消耗大量涂料,旧油漆重金属颜料也会污染周围环境,甚至还要专门成立一支钢桥防腐养护队伍。因此每座钢桥都不得不为此支付一笔相当数量的维护费用,这种开支还不是一次性的,而是以后每隔3~5年就得进行一次。

随着国内外防腐技术发展,逐渐使用在钢铁表面喷锌、铝涂层做防腐涂层,这种涂层叫阳极性涂层。它是靠这种涂层牺牲阳极来实现其保护效果。一是保护层(锌、铝)的电位比基体金属足够的低;二是保护层自身的抗蚀稳定性。根据资料介绍,锌涂层在沿海工业大气里的年腐蚀速率只有4um左右,而铝的年腐蚀速率在海水中也只有1~2um,这是因为锌、铝涂层具有对钢结构表面有一定的保护性缘故,如在锌铝涂层表面再进行二度封闭处理,组成复合保护层则更加提高涂层的抗腐蚀能力,大大减缓了腐蚀速度,达到长效防腐之效果。

早期钢桥的护拦、扶梯及拼装式小型钢桥梁采用热浸锌防腐,热浸锌镀层一般无法超过80um厚度,在一般工业大气环境下可以提供10年左右的有效保护。热浸锌防腐工艺需要将工件浸入熔融的金属锌镀槽中,受镀槽容积所限,不能对较大尺寸的钢桥部件进行防腐施工。其次,不能到现场进行热浸锌防腐,只能在固定的工厂施工,势必造成大量的往返运输费用。再次,热浸锌镀层碰伤后,自身无法进行修复。因此采用热浸锌方法对钢桥全面防腐有很大的局限性。

九十年代伊始,我国开始采用热喷涂技术的应用,热喷涂技术是利用热源对金属、非金属、陶瓷等喷涂材料进行加热,将熔融的粒子雾化、喷射并沉积到基材表面上,形成特殊表面涂层的方法喷涂使用的热源主要有三种:一是电弧热源;二是等离子热源;三是燃气热源。并由此把热喷涂分为电弧喷涂、等离子喷涂和火焰喷涂,用于防腐领域的主要有火焰喷涂和电弧喷涂近年来,热喷涂防腐技术在我国得到推广应用,如:葛洲坝二期工程、黄河龙羊峡水电站工程;南京长江大桥、运河大桥部分钢结构采用了喷锌或喷铝防腐工艺。热喷涂技术与其他防腐工艺相比,金属表面前期处理工艺基本相同,热喷涂表面处理要求略高。采用火焰线材或电弧线材对钢铁喷涂锌或铝,再对涂层加以封孔处理后,在一般腐蚀环境下涂层有效期可达30年以上,较一般油漆防腐涂层寿命长5~10倍。实用效果表明,采用热喷涂锌及铝进行金属表面多种环境下的防腐效果是显著的。与热浸镀锌工艺相比较,钢结构表面防腐采用热喷涂技术具有以下特点:不受热浸槽本身尺寸的限制,设计方便灵活,施工也更为方便;被喷涂工件不变形,确保了工件的自身精度和安装精度;热浸镀锌工件会产生相应的变形,其校正工作困难,甚至会使工件报废;热喷涂层厚度均匀可控;热浸镀锌的镀层厚度不匀;喷涂与基材结合力好;热浸镀锌工艺因酸洗和中和不净等原因会造成镀层翘皮或漏镀现象;喷涂在有条件的地方可以现场施工,减少了构件运输中造成的损伤,且节约了时间与费用。热喷涂技术使用设备较多,工艺要求严,工程造价高,但按防腐寿命平均25年计算,防腐寿命内循环费用远低于其他防腐方法的费用。而且热喷涂工艺对环境污染小,是一种环保型产业。随着热喷涂工艺成本的降低,热喷涂技术正逐渐被更多的人接受。

2.3 国内桥梁钢结构防腐蚀工艺现状

1998年国际标准化组织ISO推出的ISO 12944(色漆与清漆防护体系对钢结构的腐蚀防护)是针对钢结构防腐蚀涂料的选用以及涂装规格而制定的一份标准文件,也是桥梁钢结构防腐蚀涂装体系的重要参照文件,该文件全面介绍了钢结构防护涂装的所有要求,包括设计寿命、腐蚀环境、结构设计、表面处理、涂层体系、涂料产品性能、施工监理以及新建维修配套方案的制定等内容。

ISO12944的第一部分中,给出了涂装体系的耐久使用年限的定义,即涂装体系的耐久使用年限为施工结束后到第一次维护要求的时间。ISO 12944标准中划分了3个时间间隔:短期、中长期和长期,见下表2-1

耐久年限15年以上的涂装体系为重防腐涂装体系。世界各国钢结构以及钢桥所采用的重防腐涂装体系主要有富锌底漆体系和金属热喷涂底层体系。

20世纪50年代以来,国际上建造的跨江跨海大桥钢结构所采用的金属热喷涂重防腐体系均取得了25年以上的长效防腐效果。国外桥梁钢结构的热喷涂铝+有机复合涂层系统实例表明,系统寿命可超过50年。我国桥梁钢结构采用金属热喷涂重防腐体系的比例也增加很快,在内陆工业大气环境多采用电弧热喷锌防腐体系,在海洋大气环境下也越来越多的采用了热喷铝底层防腐体系。

2008年,我国交通部发布了《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》(JT/T722-2008)规定了公路桥梁钢结构防腐涂装的分类、要求、试验方法、检验规则、安全、卫生和环境保护以及验收的要求,指导了公路桥梁钢结构防腐蚀涂装的技术设计与实施。

3 波形钢腹板的防腐蚀工艺现状

波形钢腹板PC组合箱梁桥在国内应用较晚,此时桥梁钢结构防腐技术已得到长足的进步,一般波形钢腹板的防腐涂装体系可根据《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》(JT/T 722-2008)进行设计。一般工程师设计时根据波形钢腹板在箱梁的位置,分别进行内表面、外表面、摩擦面的涂装设计。但因为波形钢腹板PC箱梁内部都不是封闭环境,可配套规范中S14S15的涂装体系。

我国波形钢腹板的防腐涂装体系广泛采用了金属热喷涂与有机涂层的复合重防腐体系,体系结构见下图2.1所示防腐体系,它可使波形钢腹板得到20年以上的长效防腐效果。

波形钢腹板的涂装体系主要采用重防腐涂装体系,即由底漆(喷铝、有机富锌、无机富锌、水性富锌)+中间漆(高固体分环氧云铁、环氧厚浆涂料)+面漆构成的重防腐涂料体系。富锌(铝)底漆对钢铁起到阴极保护作用和屏蔽作用,当中间漆和面漆完全失效后,腐蚀介质作用于富锌(铝)涂层,使富锌(铝)涂层以一定的腐蚀速率被腐蚀消耗。中间漆和面漆是增加一定的涂层厚度,对钢铁起屏蔽作用和对富锌(铝)起封闭作用,推迟或阻止富锌(铝)涂层及钢铁的腐蚀过早发生。

4 波形钢腹板的防腐蚀区域分类

如前述第2节所述,波形钢腹板的防腐涂装设计可根据《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》(JT/T722-2008)进行设计,分别进行内表面、外表面、摩擦面的涂装设计。但区别于一般桥梁钢结构,波形钢腹板应用于波形钢腹板PC组合箱梁桥,其涂装区域包括有(1)钢腹板-混凝土接触面、(2)外表面、(3)内表面、(4)螺栓连接摩擦面/焊接区域搭接面。尤其以螺栓连接摩擦面/焊接区域搭接面的涂装在设计过程中容易混淆。因钢腹板多采用搭接连接,其利用螺栓进行临时连接固定,固定后采用焊接进行连接。因此焊接区域的涂装体系容易按照螺栓连接区域涂装体系设计。如下图4.1、图4.2所示。

4.1钢腹板涂装区域

 

 

4.2

5 波形钢腹板涂装设计

5.1 混凝土接触面涂装设计

在现有波形钢腹板PC桥建设工程案例中,均未对混凝土接触面进行防腐涂装设计,但一般钢结构加工处于工厂中进行,其生产周期至桥梁施工安装过程中,一般有三个月以上的周期,期间由于钢板表面裸露在大气中,可能受雨水倾浸而导致锈蚀,如若直接埋入混凝土中,与混凝土贴合不密实,其腐蚀会在混凝土中进一步加剧,根据《铁路钢桥设计规范》规范,一般对混凝土接触面做短暂性防护,防护体系采用无机硅酸锌底漆或环氧富锌底漆25~40um左右,亦称之为车间底漆,其可以短暂保护钢板不受大气环境影响锈蚀,亦可以提高钢板表面与混凝土的摩擦系数,涂料使钢板表面的摩擦系数不低于0.45,提高结合力。

5.2 波形钢腹板内、外表面

钢腹板内、外表面涂装可以参照《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》(JT/T722-2008)进行设计。

唯应注意的是,区别于传统钢箱梁桥,波形钢腹板箱梁的内部都不是封闭环境,且一般均未配置抽湿机,所以通常采用配套号S14S15的涂装体系。


 

5.3 高强度螺栓连接区域涂装

根据设计构造不同,螺栓连接摩擦面可按照《铁路桥梁钢结构保护涂装》(TB/T 1527-2004)进行设计,多采用无机硅酸锌涂料进行涂装。


       需要注意的时,有时设计者考虑高强螺栓连接+铁角焊缝连接,此时,涂装面则需要按照搭接连接区域涂装进行设计。

5.4 搭接连接区域涂装

 

搭接面涂装,由于其采用搭接焊缝焊接连接,焊接过程中,原有涂层体系较厚会对焊缝质量造成影响,因此一般在工厂加工制作中,仅采用车间底漆做短暂性防护。

如果工厂制作后距离现场施工时间较短,亦可采用密封贴条进行覆盖处理。施焊前需要对表面进行清理,防止工厂涂装涂料对焊缝质量造成影响。

焊缝周围约375px的涂料均会由于焊接热量受损,热影响区外表面可以做修复性涂装,但是热影响区内表面则无法再行进行涂装,故而需要注意的是一定要对焊缝进行四周围焊,避免大气、雨水侵蚀到焊缝热影响区内表面,造成内部锈蚀。


 

 

5.1四周围焊封闭热影响区内表面

5.5 工地搭接焊接区域修复性涂装

焊接及焊接检测完成后,对涂装区域进行修复。涂装修复宽度需根据焊缝热影响区进行控制,一般控制在焊缝中心线两侧各375px

涂装体系可根据《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》(JT/T 722-2008)的第4.3.2.3.4条进行采用,一般防腐体系如下表5-3

6 波形钢腹板防腐涂装优越性以及后期维护管养误区与建议

6.1 波形钢腹板防腐涂装的优越性

波形钢腹板在做整体防腐处理过程中,其较传统钢结构优势在于钢腹板表面无死角部位,整个波形钢腹板处于面单元形状,在进行防腐前处理时较传统钢箱梁具有无法比拟的优势。主要表现在钢箱梁为箱体构造,无法对整体表面进行机械自动化喷射除锈,仅能采用人工喷砂除锈,其表面处理难以达到Sa3.0级,而波形钢腹板由于为面单元,可以整体进入抛丸除锈机,全方位清理除锈,表面容易实现Sa3.0级,并由于机械喷砂弹丸速率远远高于人工喷砂方式,其粗糙度效果均匀一致并按照配比实现粗糙度要求,提高涂料与钢板表面附着力。

6.1钢箱梁的人工喷砂除锈

 

 

6.2超大构件封闭机械抛丸除锈图

 

 

6.3钢腹板除锈后的表面(金属本色)

 

但需要注意的是,在进行整体防腐涂装前,防腐前处理至关重要,需要超大型抛丸除锈机,目前波形钢腹板加工单位需要注意钢腹板构件较大的这一问题。如果处理不好,如采用分段抛丸除锈后进行焊接组装,焊接区域的防腐前处理质量则堪忧,势必为整体的防腐前处理留下瑕疵,影响全桥钢结构耐久性。

6.2 涂装体系的等级选择

在配套进行钢腹板表面涂装体系设计时,需要根据当地大气环境资料进行配套选择,许多设计工程师易于直接选择高等级防腐涂装体系,而未考虑到桥梁建设工程大气腐蚀环境等级,这容易造成过多不必要的浪费。尤其体现在国内已经部分桥梁采用耐候钢建设的桥梁仍采用重防腐涂装进行表面处理,一方面耐候钢耐大气腐蚀的优越性完全丧失,耐候钢在节省涂装费用的价值没有得到体现。

6.3 钢结构防腐体系的检测与维护

现行ISO12944对钢结构防腐涂装体系功能进行了说明,关于面漆采用不同的涂料,其主要功能是保护底层涂料,而面漆在不同的大气环境下,随着时间推移,逐年耗散,并不是传统的设计认为防腐体系损坏时,整个涂装体系均损伤,如聚氨酯面漆在海洋大气环境下,也仅仅每年耗散3~5um

因此在钢结构管养过程中,需要对钢结构进行检测,进行涂层劣化评定,评定方法依据ISO4628。根据漆膜劣化情况,选择合适的维修或重涂方式。

l 维修涂装要求如下:

a) 当面漆出现3级以上粉化,且粉化减薄的厚度大于初始厚度的50%,或由于景观要求时,彻底清洁面涂层后,涂装与原涂层相容的配套面漆(1~2)道;

b) 当涂膜处于(2~3)级开裂,或(2~3)级剥落,或(2~3)级起泡,但底涂层完好时,选择相应的中间漆、面漆,进行维修涂装;

c) 当涂膜发生Ri2~Ri3锈蚀时,彻底清洁表面,涂装相应中间漆、面漆。重新涂装

l 重新涂装要求如下:

a) 当涂膜发生Ri3以上锈蚀时,彻底的表面处理后涂装相应配套涂层;

b) 当涂膜处于3级以上开裂,或3级以上剥落,或3级以上起泡时,如果损坏贯穿整个涂层,应进行彻底的表面处理后,涂装相应配套涂层。

根据国内外统计表明,一般采用重防腐涂装体系设计的钢结构,仅做面漆涂装维护即可。

7 结论

波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥国内经历20多年的科研、研究、发展实践应用,其技术逐步成熟,在结构研究表明其较传统预应力混凝土桥具有极大的性能优势,较钢箱梁更具有经济性。波形钢腹板在防腐蚀耐久性较传统钢结构更好,是波形钢腹板预应力混凝土桥在国内得以推广应用的优越性所在。随着防腐蚀技术的进一步发展,波形钢腹板PC箱梁桥必将在国内得到更大规模的推广应用。现阶段对其耐久性极大的关注,其防腐蚀技术需要不断吸取国内外关于钢结构耐久性研究成果,设计时需要对防腐蚀的重要性、钢腹板涂装体系进行不同防腐区域详细设计,只有这样才能实现桥梁设计的实用性、经济、环保、美观、舒适的要求。


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