金属腐蚀不但会造成巨大的经济损失, 而且还会给桥梁的安全性和耐久性带来危害, 甚至会造成倒塌事故。根据1984 年报道, 美国57. 5 万座钢筋混凝土桥中, 一半以上出现钢筋腐蚀破坏, 40%承载力不足, 需要修补和加固。美国1988 年因钢筋腐蚀的桥梁修复费用为1559 亿美元, 是这些桥梁初建费的4 倍中国机械网okmao.com。
广东某斜拉桥1995 年的拉索坠落事故虽未造成大的灾难, 但给桥梁的防腐蚀与安全运行敲响了警钟, 而2001 年四川某拱桥却因承重的钢缆吊杆腐蚀失效而断成三截[ 1] 。为此, 人们一直在不断地开发研究新的高效防腐蚀技术, 希望能将腐蚀抑制或控制住, 将腐蚀损失尽可能地减低。混凝土桥梁防腐蚀通常采取添加阻锈剂、钢筋表面涂层、增加保护层厚度、混凝土表面涂层等措施, 而桥梁钢结构通常采用涂料防腐蚀、电化学保护和特种耐腐蚀金属等措施。
1 桥梁大气区钢结构的一般防腐蚀方案
1. 1 规范中的防腐蚀方案
桥梁大气区钢结构的防腐蚀一般以耐久年限即耐候性能为主要考虑因素, 兼顾涂层配套体系、表面处理方式和涂层厚度。影响涂层使用寿命的因素有很多, 表1[ 2] 中尽管是一个统计结果, 但大致可以看出各因素的影响程度。表1 显示, 表面处理的影响率高达49%, 而表面处理的要求由涂料的种类决定。
表1 中没有对涂料种类做统计, 只统计了" 选用的同类品种涂料质量的差异" , 实际上, 随着涂料技术的发展, 新产品新技术的不断出现, "选用的涂料种类" 应是仅次于表面处理的耐久性影响因素。
根据规范及文献[ 3, 4] , 得出桥梁大气区钢结构的一般防腐蚀涂层体系参见表2。
注:1)对耐久性年限要求5 年以上的表面处理宜采用喷砂除锈,表面清洁度等级为Sa2 ( 10 年以上) 和Sa2( 10 年以下) , 但耐久性年限10 年以下也可以采用动力工具除锈, 表面清洁度等级为St3( 5~ 10 年) 和St2( 5 年以下) 。2) 对底涂层为喷涂金属层的, 在喷涂后要立即涂装封闭涂层, 封闭涂层一般为低粘度环氧树脂涂层[ 5] 。
底层涂料以喷涂金属、富锌涂料为主, 金属铝、锌及其合金对钢铁表面具有阴极保护作用。此外,底层应与钢铁具有优良的涂层结合力。防腐蚀涂装底层对整个涂层的耐腐蚀寿命有举足轻重的作用,文献[ 5, 6] 针对底涂层的试验筛选表明, 金属涂层防腐蚀性能普遍优于富锌涂层。中间层主要用环氧云铁漆, 承上启下, 增加涂层厚度, 是防腐蚀体系的重要部分。面涂层对底层及中间层具有保护作用, 是经受介质腐蚀和大气老化的第一道屏障。
1. 2 部分重点桥梁的防腐蚀涂装方案
表3 具体介绍几例桥梁钢结构外表面防腐蚀涂装体系。
注: 所列涂装道数与涂膜厚度均指相应栏目中所列的第一个桥梁表3 中的涂料体系均为溶剂型涂料体系, 含有对环境有害的有机挥发物。
2 青海三道河桥钢腹板的防腐蚀
2. 1 青海三道河桥工程概况
青海省国道214 线改造工程, 三道河桥的中心桩号为K286+ 907。大气区结构形式采用单双室波纹钢腹板预应力简支组合梁结构, 跨径50 m, 梁高2. 5 m。顶底板采用C50 混凝土, 腹板采用12 mm厚的波纹钢腹板结构, 工厂分段轧制现场拼接, 并整体浇注上下混凝土板。
波纹钢腹板采用96 个M22、10. 9 级摩擦型高强度螺栓并配合角焊缝的连接方式。下部采用钻孔灌注桩基础, 每个承台下为4 根150 cm 钻孔桩, 桩间距为4. 0( 5. 5) m, 桩长20 m, 肋式桥台。桥台顶竖向设盆式橡胶支座, 横向设挡块。由交通部公路科学研究院设计, 中铁十三局集团有限公司承建。施工期为2007 年4 月至2007 年11 月。该桥位于海拔3800 m 的青藏高原, 此地区高寒、缺氧。钢腹板为处于大气环境中的钢结构, 要求采取防护措施以延长其使用寿命, 钢腹板表面涂层耐久性要求20 年以上。
2. 2 三道河桥钢腹板防腐蚀方案
根据表2 和表3, 三道河桥钢腹板拟采用的防腐蚀涂装体系如表4 所示。表4 中除了喷涂金属、水性富锌涂料外, 采用的都是有机溶剂型涂料。
表4 三道河桥钢腹板拟采用的防腐蚀涂装体系
据报道, 全世界每年向大气排放的VOC( 挥发性有机化合物) 达2000 万t, 其中约350 万t 是涂料工业排放的。在上世纪60 年代, 洛杉矶发生光化学烟雾事件时, 涂料就成了仅次于汽车燃料之后对环境造成危害的因素。
为此美国在1966 年提出了限制有机溶剂排放量的著名的 66 法规 , 并于1967年1 月1 日实施。随后北美、欧洲、日本等一些国家也有类似法规出台。目前美国已从"66 法规"发展到现在的" 1113 法规"。日本也于1997 年由日本涂料工业协会首次出台了室内建筑涂料标准[ 8] 。
我国%环境标志产品技术要求水性涂料&( HJ/ T 201 -2005) 对环保型涂料的基本要求是: 产品中挥发性有机物含量应小于250 g / L; 产品生产过程中, 不得人为添加含有重金属的化合物, 总含量应小于500mg/ kg ( 以铅计) ; 产品生产过程中不得人为添加甲醛及甲醛的聚合物, 含量应小于500 mg/ kg [ 9] 。
所以, 溶剂型涂料正逐渐被环境友好型涂料所取代。水性氟树脂涂料就是在这样的形势下诞生的。常温干燥的水性氟涂料除了具有传统氟涂料超强的耐候性、耐化学腐蚀性、耐沾污性等特点外, 还具有安全、环保等优点, 符合涂料的发展趋势。
常温干燥的水性氟树脂涂料有单组分和双组分两类, 单组分通常是水解固化成膜或干燥氧化成膜机理, 双组分则是通过混合后交联固化形成网状分子的成膜机理。双组分有通过含羟基组分与异氰酸酯反应交联的、通过活泼羰基酰肼固化的、以金属离子交联固化的、胺基环氧基固化的和胺基恶唑啉基固化的水性氟涂料等[ 10] 。
水性氟树脂涂料因其应用历史短, 工程实例少, 其优异的防护性能多是根据室内试验结果推导出来的, 其现场实际保护效果有待更多的实践检验。目前, 水性氟树脂涂料多作为高耐候性、高装饰性涂料应用在建筑物外墙上, 但作为防腐蚀涂料应用, 公开的文献报道很少。据报道, 目前氟树脂涂料市场95% 仍然是溶剂型氟树脂涂料。根据青海省三道河桥所处的环境特点以及表4, 设计了涂装方案, 如表5 所示。
注: 表面处理采用喷砂除锈, 表面清洁度为Sa2 级。
全套涂层体系均是环境友好型, 具有较低的有机挥发物含量, 产品的具体性能指标见表6 和表7。钢铁基体采用热浸涂金属锌的底涂层方案还可起到阴极保护作用。Ep201 水性环氧树脂云铁中间涂层为双组分固化型防腐蚀涂料, 利用了云母氧化铁的片状结构、环氧树脂优异的粘结性和网络结构的涂膜特性, 达到防止腐蚀介质渗透的目的。
表6 Ep201 水性环氧云铁涂料性能指标
表7 SFPU型水性氟树脂涂料性能指标
SFPU 型水性氟树脂耐候涂料为双组分涂料,具有超长的耐候性、优异的保光性和保色性, 户外大气环境下估计有10 年以上使用寿命。
2. 3 使用寿命预估
根据ISO 12944- 2: 1998[ 11] , 低碳钢和锌金属在不同大气环境下第一年的腐蚀数据见表8。
表8 低碳钢和锌金属在不同大气环境下第一年的腐蚀数据[ 11] ( um/ a)
表5 的涂装方案中锌涂层厚度约为0. 10 mm,按表8 中锌在C4 大气环境下的腐蚀速率4. 2um/ a, 计算得到锌涂层需24 年才能腐蚀完。当然这是均匀腐蚀的理想状态, 如单独使用锌涂层, 实际情况下要低于这个使用年限。面涂层的寿命预估如下: 根据文献[ 12] , 大致可以认为室内耐候试验机运转100~ 150 h( 4 灯) 相当于户外暴露1 年。表7 中的耐候试验为1500 h 涂膜不起泡、不脱落、不开裂, 按室内试验150 h( 4 灯)等效户外暴露1 年计, 该水性氟树脂面涂层应能在户外使用10 年以上。如果再加上底涂层24 年使用寿命和中涂层的使用寿命, 可以较肯定地估计该涂层体系户外使用在25 年以上。
2. 4 施工注意事项和质量控制
施工过程中特别注意表面处理的质量, 热浸涂锌是在工场内进行, 一般能够达到预期的质量控制目标。热浸涂锌的厚度要均匀、完整, 不能漏涂和过涂, 表面不能有杂质颗粒。现场拼装焊接后, 打磨焊缝, 清除焊渣, 焊缝附近金属表面用砂纸打磨达St3 级, 打磨露底的部分必须补涂水性富锌涂料一道。雨天不得涂装, 已经涂装的必须采取遮蔽措施。涂装干燥24 h 后用测厚仪测定干膜厚度, 达不到厚度要求的必须整体补涂一道。水性涂料可用饮用水稀释, 但饮用水须静置24h 以让挥发物充分挥发, 且稀释量必须按照产品说明书的要求, 不得过稀释。水性涂料使用前必须搅拌均匀。涂层要均匀、平整, 颜色也要均匀无发花。
2. 5 检查情况
涂装工程于2007 年5 月开始, 2007 年9 月涂装完毕。经2008 年10 月和2009 年9 月检查, 涂层完好, 光泽好, 无粉化脱落等缺陷。当然, 1 年的使用效果并不能足以说明水性氟树脂涂料的优越性,
其具体效果有待进一步观察。
3 结语
热浸锌、水性环氧云铁涂料和水性氟树脂涂料配套体系用于桥梁大气区钢结构, 其防腐蚀性能、耐光老化性能优异, 环境友好, 耐久性好。水性氟树脂涂料具有与溶剂型氟树脂涂料相当的防护性能, 但其价格较溶剂型氟树脂涂料便宜。预计水性氟树脂涂料在氟树脂涂料市场的占有份额会不断增长。水性氟树脂涂料与混凝土表面底涂层配套还可以用于混凝土桥梁表面的腐蚀防护, 用于建筑物外墙等, 其应用前景广阔。
水性氟树脂涂料在桥梁钢结构上的应用
孙红尧1 , 韩忠奎2 , 任红伟3 , 傅宇方3 , 徐雪峰1
( 1. 南京水利科学研究院, 水利部水科学和水工程重点实验室, 南京210029; 2. 青海省公路建设管理局, 西宁810008;3. 交通部公路科学研究院, 北京100088)