1．钢桥特点及腐蚀危害
钢桥具有跨越能力大、强度高、建设速度快、施工期限短等特点。1955年武汉长江大桥的建成使万里长江耸立起中国人民征服长江的第一座丰碑;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。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。
在20世纪20～30年代欧洲和北美发达国家建造一些钢桥,因当时防腐技术不能提供长久的腐蚀保护,使得这些钢桥投入运营后腐蚀严重,即使进行定期的刷油漆维护也不能获得满意的保护,只得将这些钢桥降级使用或续建第二座桥,给国家造成巨大的经济损失;1967年美国东部快乐岬与诺加之间的一座铁桥,在使用40年后塌落于俄亥俄河中,使46人丧生,调查表明,倒塌原因系大气腐蚀造成的应力腐蚀开裂。为此钢铁桥梁的腐蚀已引起各国的高度重视。据1997年报道,武汉长江大桥每年投入维护费100多万元,但仍远远不够;腐蚀不仅浪费了大量的人力物力,也大大缩短了桥梁的使用年限。
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,对其进行卓有成效的防腐,才能确保钢桥的长久寿命。
2．国内外桥梁钢结构防腐发展的历史沿革
在欧洲和北美地区钢桥的防腐发展过程是:20世纪40年代为油漆防腐;50～70年代为重防腐涂料防腐、热浸锌防腐、火焰喷涂防腐、电弧喷涂防腐并存;80年代以后,随着电弧喷涂技术的发展,电弧喷涂防腐与火焰喷涂相比涂层与基体结合力高、生产效率高,因而得到广泛应用,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基本不再在这些发达国家本土使用。
我国钢桥梁腐蚀到目前为止,仍集中采用刷油漆防腐。建国50年来,钢桥梁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梁的防腐。随着大型钢桥梁的建设,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入国内市场。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。
3．桥梁钢结构防腐的各种方法
3.1 重防腐油漆涂装防腐蚀
3.1.1 重防腐油漆的作用机理
油漆防腐具有美丽的外观,简单的涂装工艺,多年来一直被广泛采用。随着涂装工艺的发展,重防腐涂装成为钢桥防腐的主流。在重防腐涂料中,无论是国外名牌油漆,还是国内品牌油漆,其防腐涂装工艺和涂料品种都非常相似,即涂装工艺由底漆、中间漆和面漆组成的多层涂装体系;油漆品种均为环氧(无机)富锌底漆、环氧云母氧化铁中间漆和环氧聚氨酯或环氧各色面漆或氯化橡胶面漆等组成。
其作用机理为:①屏蔽作用:油漆涂层将钢铁与腐蚀环境机械隔离开。②钝化缓蚀作用:油漆涂装体系中,第一道车间底漆对钢铁有钝化缓蚀作用,增加油漆层附着力,防腐作用很微弱。③阴极保护作用:防腐底漆中如添加锌粉(如富锌底漆),对钢铁提供阴极保护。
3.1.2 重防腐油漆的失效机理
油漆对钢桥梁提供的腐蚀保护以机械屏蔽的隔离防护为主,油漆涂层的老化、粉化使这种隔离作用减弱或失去作用;其阴极保护作用的锌粉是靠油漆中有机粘合才能与钢铁相结合,随着有机物的裂解、老化使锌粉无法与钢铁相结合,这样阴极保护作用自然消失。其次,油漆涂层本身有无数微针孔,长期处在盐雾、潮湿环境下,氯离子、水分子等会透过针孔腐蚀基体金属,在油漆层与基体金属交界处钢铁腐蚀产物体积积聚膨胀,导致油漆层剥落,腐蚀并沿着油漆层剥落处四周迅速扩展,导致整个防腐体系失效。
3.1.3 重防腐油漆的国内外使用状况
随着防腐技术的发展,人类生存环境的不断恶化,涂料对环境的污染性逐渐被人们认识,国外已不再在钢桥上大面积使用重防腐涂料,目前发达国家将其销售市场直接转向发展中国家和经济不发达的国家。如果我们在新建钢桥中继续使用有机重防腐涂料进行防腐,那么10年后我们将会步发达国家后尘,面对的是庞大的钢桥防腐维护费用,严重时甚至会影响桥梁的安全性。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进行,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。因此每座钢桥梁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。
重防腐涂料的防腐寿命一般为8～10年,世界各国大量应用实例都证明了这一点。英国标准BS5493[1]中规定无论何种环境,防腐年限在10～15年以上主张采用热喷涂锌、铝防腐。
3.2 热浸镀锌防腐
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80μｍ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
3.3 热喷涂防腐
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。
3.3.1 火焰喷涂
火焰喷涂是采用可燃性气体的燃烧作为热源,将金属丝材或粉末熔融、雾化、吹喷于基体表面的方法。在欧洲及北美钢桥梁早期热喷涂防腐为氧、乙炔火焰喷涂,取得很好的防腐效果。我国于1965年曾在南京长江大桥钢板纵梁上盖板采用火焰喷锌加耐磨漆方式进行防腐,13年后检查效果良好。但火焰喷涂生产效率低,严重制约钢桥的加工工期,因此仅对钢桥长期积水、阴暗面和主要受力构件进行喷涂防腐。若对整个大桥采用氧、乙炔火焰喷涂防腐可能会出现防腐施工效率与工期矛盾,喷涂层长久附着有效与涂层结合力的矛盾等,因此国内没有大面积采用火焰喷涂进行钢桥防腐的例子。
3.3.2 电弧喷涂
电弧喷涂防腐原理是利用电弧喷涂设备,对两根带电的金属丝(如锌、铝等)进行加热、熔融、雾化、喷涂形成防腐涂层,外加有机封闭涂层的长效防腐复合涂层,该涂层的显著特点是1)具有较长久的耐腐蚀寿命,其防腐寿命可达到50年以上,同时该防腐涂层在30年使用期内无须其它任何防腐维护;30年以后的维护,仅须在电弧喷涂层上刷封闭涂料,无须重新喷涂,实现一次防腐,涂层经久有效。(2)电弧喷涂层与金属基体具有优良的涂层结合力,金属喷涂层以机械镶嵌和微冶金与基体金属相结合,在轻微的弯曲、冲击或碰撞下也能确保防腐涂层不脱落、不起皮、结合牢固、防腐长久有效,这一点是其它任何表面防腐涂层无法达到的。(3)电弧喷涂锌、铝涂层防腐原理为阴极保护,在腐蚀环境下,即使防腐涂层局部破损,仍具有牺牲自己保护钢铁基体之效果。涂层(阳极)与钢铁基体(阴极)的面积比≥1;而富锌涂料的阳极与阴极比都<1,其保护效果和结合力也远远低于电弧喷涂防腐涂层。
3.3.3 电弧喷涂和火焰喷涂的比较
电弧喷涂同火焰喷涂相比,由于采用了电能代替气体燃烧,大大提高了工作效率和工作安全性,特别是电弧喷涂机械化设备的出现,电弧喷涂技术已完全可以满足桥梁建设工期的需要,且电弧温度远高于火焰,涂层结合力也远大于火焰喷涂,因此涂层质量也完全可以满足长效防腐的需要。美国由于人工费用高,使用电弧喷涂防腐施工的费用甚至低于重防腐油漆。经过几十年的考验证明,热喷涂技术是钢铁结构长效防腐的最好方法,这个结论已经得到世界许多国家的政府部门和工程界的认可。
4．国内外热喷涂长效防腐技术研究进展
4.1 国外热喷涂长效防腐涂层的腐蚀试验
1953年美国焊接学会对热喷涂锌、铝涂层在工业环境、海水环境(半浸在不流动海水和全浸在流动海水)和海洋性环境三大类环境进行长达19年的工业挂片试验,投放试片4248片,试验结果表明,喷锌、铝加封闭涂层都能对以上三大类环境的钢结构构件提供长期有效防腐保护,公布了世界著名的热喷涂19年试验报告AWSC2 14-74[3]。
美国LAQUE腐蚀技术中心在海洋大气34年防腐涂层性能试验报告证实,热喷涂锌、铝涂层在各种有害环境中长期有效,美国在此基础上并结合19年报告,制定了AWSC2 18-93热喷涂操作指南,作为热喷涂施工企业质量控制手册,以期指导生产。
美国海军土木工程实验室对75μｍ厚的喷锌、铝涂层进行10年的耐海洋气候和海水试验,未发现红锈出现,证明涂层防腐有效。
法国地下铁道公司对喷锌、铝涂层进行10年的暴露试验,结果表明防腐有效。
前苏联第比利斯地下矿井水试验指出:喷锌防腐至少提供30年的耐腐蚀性。
不同国家技术人员的试验结果是一致的。即热喷涂锌、铝涂层均能够提供钢铁在海洋大气、工业大气、海水环境下的长久有效保护。这些试验结果直接被作为热喷涂防腐技术标准制定依据,直接推动了20世纪60年代以后世界发达国家大型钢铁桥梁热喷涂防腐的应用,为世界的热喷涂发展作出巨大贡献。
4.2 热喷涂长效防腐在国外钢结构桥梁的应用
热喷涂在桥梁上的应用,在20世纪30年代已开始,发展至60～70年代时,欧洲每年用于热喷涂防腐的锌丝达4000万磅,美国每年热喷涂用锌丝达200万磅;一般热喷涂复合涂层的耐腐蚀寿命为20～40年以上。
英国的许多大桥都有25年以上的喷锌防腐蚀经验。负责桥梁维修的工程师们,根据他们对大型结构喷锌的经验认为,处于恶劣环境的桥梁,尤以桥上难以接近或不可能接近的部位,喷锌、铝是一种有效的处理方法。英国列举了全国各地大型钢铁桥梁采用热喷涂进行防腐的应用实例,它们都达到了25年以上无需维修的长效防腐效果。其中昆斯费里梅登里德第四公路大桥,在70年代是世界最大钢桥,耗钢材2万ｔ,喷涂耗锌丝100万磅,防腐效果很好,使用了20多年无需维修。南威尔士新港(New port)的乔治街大桥(George Steet Bridge)建于1964年,位于高度工业污染环境中,采用喷锌防腐,到1985年,即经过21年无维修,检查涂层状况良好,并证实至少5年内无需维修。苏格兰的奢林斯费利(Qucesferry)的第四公路桥,建于1960～1964年,该桥主跨1000ｍ,位于多风的海洋环境,采用喷涂锌外加封闭处理,经历13年无维修,发现保护层色泽仍完好,结构完美。
4.3 电弧喷涂长效防腐在国内的应用
电弧喷涂长效防腐技术于20世纪90年代起,先后在煤矿、铁道、水利、港口码头、冶金、机械、广播电视、医疗、电力、消防等领域得到广泛应用,如宝山钢铁集团马迹山港码头钢桩、上海磁悬浮快速列车轨道功能件、长江三峡水利枢纽工程、武汉军山长江大桥钢箱梁及桥面等国家重点建设项目,以及淳安千岛湖南浦大桥、长江黄柏河大桥、下牢溪大桥、广州机场三元里立交桥、徐连高速公路邳州运河大桥等钢结构桥梁均采用了电弧喷涂长效防腐技术进行了腐蚀防护,并取得很好的防腐效果。我国已完全有能力采用电弧喷涂长效防腐技术解决国家大型钢桥梁的腐蚀防护问题。
5．钢桥梁长效防腐的必要性
世界各国早期建设的钢桥梁基本上都采用油漆防腐,普通涂料防腐寿命为3～5年,重防腐涂料涂层为8～10年,以后每隔3～5年需重新涂漆维护,其维护效果难以令人满意,我国也不例外。历史上油漆防腐钢桥腐蚀造成的危害是严重的,钢桥防腐维护费用是巨大的。由于腐蚀效应和现有油漆的风化,目前有大量的钢桥需要维护、修理和重涂。鉴于此,无论是新建钢桥梁、还是已经建好使用的钢桥都迫切需要一种30～50年以上的长效防腐涂层,实现一次防腐,钢桥经久不腐。
在欧洲,交通部门利用长寿命金属喷涂防腐涂层已经半个多世纪了。美国、英国、挪威、瑞典等国早在20世纪五六十年代就开始在桥梁防腐上大面积推广应用金属喷锌、铝防腐涂层;我国热喷涂(尤其是电弧喷涂)技术已达到国际先进水平,但该项技术在国内钢桥防腐上的应用极少。我国的钢桥仍在大量采用重防腐油漆防腐,钢桥的设计寿命与防腐寿命必然存在较大差距。
近年来国家大力投资交通设施建设,公路投资5000亿元,铁路投资2500亿元,在跨越大江、大河的路段要建大量钢桥梁。对于新建桥梁,只有既能提供优良的耐久性,又与环保冲突最小的涂层才是可用的,热喷涂金属涂层由于具有优良的防腐性能和环境适应性,受到桥梁工程师们的关注。90年代以来我国的电弧喷涂工艺得到进一步完善,大大提高了涂层质量、生产效率,降低了生产成本,已广泛用于钢结构构件的长效防腐,其防腐效果大大优于油漆防腐,可以做到一次防腐与钢桥设计寿命同步。在我国钢桥梁上推广应用电弧喷涂层长效防腐,在未来的几十年将为国家节约大量的钢桥防腐维护费用,减少油漆防腐维护带来的环境污染,延长钢桥的使用寿命,必将产生巨大的经济效益和社会效益。
