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大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁配套涂層的分析與探討

2021-08-24 14:47:18 作者：高冬來源：工業(yè)涂料工程師分享至：

1 引言

21世紀以來，隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)也進入快速發(fā)展期，同時我國的鋼結(jié)構(gòu)造橋技術(shù)也不斷提升，大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁也廣泛應(yīng)用于國內(nèi)橋梁建設(shè)的各個領(lǐng)域[1]。比如2018年通車的港珠澳大橋、2019年通車的南沙大橋以及2020年通車的滬蘇通長江公鐵大橋等等。相對于混凝土橋梁來說，鋼結(jié)構(gòu)橋的抗拉性和抗壓性比較好，并且重量較輕，不容易發(fā)生斷裂等問題，因此鋼結(jié)構(gòu)材料適合建設(shè)載荷較大的鐵路橋梁以及大跨度的斜拉橋或懸索橋。

大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，而建成后的鋼結(jié)構(gòu)橋梁暴露于自然環(huán)境中無時無刻不在受著腐蝕介質(zhì)如氯離子、二氧化硫以及水等腐蝕因子的侵蝕，因此為了保證鋼結(jié)構(gòu)橋梁能夠長期安全穩(wěn)定地運行，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)橋梁所處地理位置、腐蝕環(huán)境來正確合理地進行涂層配套設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)橋梁防腐系統(tǒng)工程中非常重要的一個環(huán)節(jié)。

大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁按照用途一般分為公路橋、鐵路橋以及公鐵兩用橋，公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)所用涂料及配套體系一般參考JT/T 722-2008《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，目前新的標(biāo)準(zhǔn)正在進行修訂，鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件一般參考中國國家鐵路集團有限公司發(fā)布的Q/T 749-2020《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護涂裝與涂料》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， TB/T 1527-2011《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護涂裝與涂料》標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)廢除。

由于鋼結(jié)構(gòu)橋梁一旦建成通車，后續(xù)維修成本相對高昂，因此提高鋼結(jié)構(gòu)橋梁的防腐壽命是橋梁設(shè)計者、尤其是業(yè)主最關(guān)心的問題。本文將結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國內(nèi)近幾年鋼結(jié)構(gòu)橋梁的工程實際情況，對近年來建成的幾座大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的涂層配套以及涂裝過程中出現(xiàn)的問題進行分析和探討，供業(yè)內(nèi)人士參考。

2大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層設(shè)計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 JT/T 722-2008 公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件[2]

JT/T 722-2008 《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)新版已經(jīng)修訂，但目前還沒有發(fā)布，2008老版本中的橋梁鋼結(jié)構(gòu)外表面涂層配套體系（長效性）如表1所示[2]。

表1 橋梁鋼結(jié)構(gòu)外表面涂層配套體系（長效型）

表1中的S10和S11配套體系底漆為熱噴鋁（鋅），實際施工中考慮到熱噴鋅或熱噴鋁的環(huán)保問題、能耗問題以及工人健康問題，此配套體系目前采用的不多，但熱噴鋁應(yīng)用在螺栓栓接部位的案例還很多。另外，從機理上分析，熱噴鋁涂層不建議后續(xù)再涂裝較厚的涂層，一般情況下僅推薦涂裝一道封閉漆，主要是由于在有機涂層下鋁腐蝕會形成氯化鋁，而在水的存在下，腐蝕產(chǎn)物氯化鋁是高度不穩(wěn)定的，并與水反應(yīng)生產(chǎn)鹽酸，會導(dǎo)致更加活躍的腐蝕。

2.2 Q/T 749-2020 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護涂裝與涂料

Q/T 749-2020 《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護涂裝與涂料》標(biāo)準(zhǔn)是中國國家鐵路集團的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它代替了中華人民共和國鐵道行業(yè)TB/T 1527-2011《鐵路鋼橋保護涂裝及圖例供貨技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)ISO 12944-2017腐蝕環(huán)境的分類，在C1-CX腐蝕環(huán)境下，Q/T 749-2020中推薦的鋼梁涂裝體系如下表2所示。

表2 C1-CX腐蝕環(huán)境下鋼梁涂裝體系

從表2可以看出， Q/T 749-2020標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的鋼梁涂層配套體系在C1～C5腐蝕環(huán)境下和C1～CX腐蝕環(huán)境下所采用的底漆和中間漆種類、干膜厚度都一致，不同的在于面漆。C1～C5腐蝕環(huán)境下既可以采用灰色丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆，也可采用氟碳面漆，而在CX腐蝕環(huán)境下以及紫外線照射嚴重的情況下，建議只采用氟碳面漆。

2.3 JT/T 1266-2019 橋梁鋼結(jié)構(gòu)冷噴鋅防腐技術(shù)條件[3]

JT/T 1266-2019《橋梁鋼結(jié)構(gòu)冷噴鋅防腐技術(shù)條件》中規(guī)定的C5腐蝕環(huán)境下橋梁鋼結(jié)構(gòu)外表面所采用的防腐配套體系如下表2所示。

表3 C5很高腐蝕環(huán)境橋梁鋼結(jié)構(gòu)外表面冷噴鋅防腐配套體系

冷涂鋅涂料是一種熱塑性單組分高鋅含量的涂料，最開始僅作為單道涂層應(yīng)用在電力行業(yè)鋼鐵基材表面代替熱鍍鋅使用及鍍鋅（噴）鋅涂層破壞的修補使用。但是近幾年來在鋼結(jié)構(gòu)橋梁上應(yīng)用發(fā)展迅猛，并且是作為表2中的復(fù)合配套涂層應(yīng)用。

3 近年來大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層配套分析

3.1 環(huán)氧富鋅配套涂層分析

滬蘇通長江公鐵大橋（工程名：滬通長江大橋）構(gòu)建外表面采用了環(huán)氧富鋅配套涂層的方案，其配套體系如表5所示。

表4 滬通長江大橋構(gòu)件外表面配套方案

滬通長江大橋為滬通鐵路的控制性工程，是一座公鐵兩用橋，位于江陰長江大橋下游45km、蘇通長江大橋上游40km，所處環(huán)境屬于C5環(huán)境，主跨1072米。

本項目中所采用的是特制環(huán)氧富鋅底漆，不揮發(fā)物中金屬鋅含量≥80%以上，參照的是Q/T 749-2020標(biāo)準(zhǔn)中C5-CX環(huán)境下的涂裝體系2。特制環(huán)氧富鋅底漆是利用環(huán)氧樹脂優(yōu)良的防腐性能、羥基和醚鍵提供的附著性能、醚鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)提供一定的韌性和耐沖擊性能，同時給予金屬鋅的電化學(xué)陰極保護提供了重要的補充。特制環(huán)氧富鋅表面處理一般要達到ISO 8501-1標(biāo)準(zhǔn)Sa2 1/2,但特制環(huán)氧富鋅底漆相對無機富鋅、冷涂鋅底漆等在表面處理過程中具有一定的低表面容忍性能，也就是說在特殊情況下表面處理達到動力工具St3級，也可以涂裝環(huán)氧富鋅底漆，這主要是應(yīng)用在橋位鋼構(gòu)焊接處無法噴砂的部位。

本項目中采用的氟碳面漆，要求主劑中氟含量≥24%。現(xiàn)在主要的氟碳樹脂有兩種，分別為FEVE和PVDF兩種，用在重防腐中的一般是FEVE，也就是含氟乙烯與乙烯基醚的共聚物，一般認為氟含量越高，耐候性越好，其實這是一種誤解，氟含量與耐候性實際上不成正比關(guān)系，真正影響耐候性的是氟乙烯與乙烯基醚共聚的單體得到的樹脂才具有良好的耐候性，這主要是由于氟乙烯與乙烯基醚共聚是完全的交替共聚，這種結(jié)構(gòu)對抗紫外線起著關(guān)鍵的作用。而現(xiàn)在市面上也有一些采用氟乙烯和乙烯基酯共聚的氟碳，這種共聚不能完全交替共聚，嚴格意義上來說，這種氟碳樹脂不能說是FEVE樹脂。目前市面上FEVE氟碳樹脂在重防腐領(lǐng)域應(yīng)用較多的有日本大金氟化工的ZEFFLE-GK570，旭硝子的LUMIFLON LF 200在國內(nèi)也有一些應(yīng)用案例。

3.2 水性無機富鋅底漆配套涂層的分析

武漢青山長江大橋鋼箱梁內(nèi)表面的配套方案如表6所示。

表5 武漢青山長江大橋鋼箱梁內(nèi)表面配套方案

武漢青山大橋是武漢第11座長江大橋，大橋主跨938米、橋面寬48米，不僅是目前世界上跨度最大的全漂浮體系斜拉橋，也是目前長江上橋面最寬的橋梁。

該橋內(nèi)表面采用水性無機富底漆+環(huán)氧封閉漆的配套方案。水性無機富鋅底漆早在20世紀70年代就開始應(yīng)用，其代表為美國國家航空-太空總署（NASA）研發(fā)的IC531。目前國內(nèi)的水性無機富鋅是以水為溶劑，主要成膜物質(zhì)是硅酸鉀、硅酸鋰，并且涂料中揮發(fā)性有機化合物（VOCs）含量近乎于零，是目前富鋅種類中最環(huán)保的一種底漆。水性無機富性能具有優(yōu)異的耐熱性，長期耐熱可達400℃，同時具有非常優(yōu)異的耐久性，中性鹽霧試驗可達5000h以上，這主要是由于水性無機富鋅涂層除了極佳的陰極保護作用以外，其漆膜還具有多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)腐蝕介質(zhì)如氯離子進入到漆膜表面后，不會像有機富鋅底漆那樣造成滲透壓起泡，同時漆膜中的鋅粉與空氣中的水分、二氧化碳等物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成氧化鋅、氫氧化鋅、堿式碳酸鋅等，這些腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密不導(dǎo)電，提高了漆膜的致密性和內(nèi)聚強度，同時腐蝕產(chǎn)物的生產(chǎn)會減低漆膜的電導(dǎo)率，使電化學(xué)反應(yīng)的導(dǎo)電通路降低，降低了漆膜中鋅粉的消耗速率，因此漆膜的防腐性得到極大的提高。

由于水性無機富鋅的腐蝕產(chǎn)物成堿性，因此后道配套涂層也要必須具有一定的耐堿性能，一般以環(huán)氧封閉漆為主，國外配套一般只做一度水性無機富鋅底漆，鮮有配套涂層的案例。水性無機富鋅底漆對底材處理要求比較高，鋼結(jié)構(gòu)表面經(jīng)噴砂處理達到GB/T 8923-2011中規(guī)定的Sa 3級以上，粗糙度在40-60μm，并且干膜厚度不宜超過100μm，否則容易開裂。苛刻的底材處理、漆膜易開裂、堵槍等因素限制了水性無機富鋅在重防腐領(lǐng)域的大力推廣。

3.3 醇溶性無機富鋅底漆配套涂層的分析

表6 南京長江第五大橋鋼殼外壁板外表面配套方案

南京長江第五大橋，又稱梅子洲過江通道，南京長江五橋主跨600米，是世界上首座輕型鋼混結(jié)構(gòu)斜拉橋。

該項目鋼殼外壁板外表面采用醇溶性無機富鋅底漆的配套方案。醇溶性無機富鋅的基料為硅酸乙酯水解物，其固化劑機理是正硅酸乙酯水解液吸收空氣中的水分水解縮聚，然后與鋅粉及鋼材表面鐵反應(yīng)生成鋅-硅酸-鐵絡(luò)合物[4]，這些生成產(chǎn)物具有非常良好陰極保護性、耐熱性以及焊接性等優(yōu)點，缺點是（1）對底材低表面處理的容忍度不具備，鋼材表面清潔度要達到Sa2.5級，粗糙度Rz=40～75μm，（2）干膜厚度不能過高，超過120μm容易開裂；（3）施工狀態(tài)下VOCs高達480g/L，不環(huán)保。

3.4 冷涂鋅配套涂層分析

北京新首鋼大橋（工程名：北京永定河大橋）鋼結(jié)構(gòu)外表面采用了冷漠鍍鋅（冷涂鋅）涂層配套，其配套體系如表7所示。

表7 北京新首鋼大橋鋼箱梁外表面配套方案

北京新首鋼大橋橫跨北京永定河，主橋全長639米，最寬處54.9米，是北京地區(qū)最大跨徑的橋梁，也是目前中國橋梁中最寬的一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁。北京新首鋼大橋采用了冷涂鋅配套涂體系，該體系和JT/T 1266-2019中的ZD10配套體系類似，由于新首鋼大橋處于城市大氣環(huán)境，腐蝕環(huán)境不是十分惡劣，因此涂層厚度也做了相應(yīng)的調(diào)整。

冷涂鋅與其它富鋅涂料相比，全鋅含量高達95%以上，因此能為鋼鐵表面提供更好的陰極保護。冷涂鋅中不揮發(fā)物中全鋅含量高達95%以上，因此決定了涂料配方中成膜物質(zhì)含量僅有3%～4%，鋅粉含量在80%以上，由于成膜物質(zhì)不能充分包裹鋅粉，因此冷涂鋅涂層是一種多孔結(jié)構(gòu)。冷涂鋅作為一種單組分熱塑性涂料，涂裝后經(jīng)溶劑揮發(fā)成膜，而揮發(fā)后的涂層仍是線性結(jié)構(gòu)，這類線性分子結(jié)構(gòu)的涂層在受熱或受力情況下分子間可相互移動（流動），同時涂層在溶劑中容易溶解，而環(huán)氧富鋅、無機富鋅屬于化學(xué)交聯(lián)成膜，成膜物在成膜過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的連續(xù)涂層，這類涂層是不溶不熔的，只有交聯(lián)度不是太大時在溶劑中溶脹。

根據(jù)冷涂鋅涂料的特點，采用冷涂鋅配套體系時，建議涂裝施工時把握以下幾點：（1）噴涂后道涂層環(huán)氧封閉漆時，要選用滲透性好，粘度低的涂料，使封閉劑充分滲透到冷涂鋅涂層的孔隙中去，第一道封閉漆要薄噴，間隔一定時間待溶劑完全揮發(fā)后，再進行后續(xù)涂裝，否則漆膜中殘留的溶劑會引起附著力下降、漆膜鼓泡等現(xiàn)象；（2）由于底漆是線性結(jié)構(gòu)，受熱或受力情況下分子容易相互移動，因此在焊縫區(qū)域采用冷涂鋅配套體系熱影響區(qū)較大，建議焊縫區(qū)域預(yù)留25mm～30mm的焊縫距離，而采用環(huán)氧富鋅或無機富鋅的配套體系預(yù)留焊縫區(qū)域10mm即可。

冷涂鋅作為一種新型的涂層在鋼結(jié)構(gòu)橋梁上應(yīng)用，與環(huán)氧富鋅和無機富鋅涂料相比，還需解決以下問題，如提高涂層的內(nèi)聚力（附著力）、改善涂層的耐溶劑性、降低施工狀態(tài)下涂料中的VOCs，提高耐熱性以及后道涂層的配套性等等。

4 結(jié)束語

介紹了大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁常用的標(biāo)準(zhǔn)以及涂層配套方案，對近幾年來的幾座大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁配套方案以及施工中存在的問題進行了分析與探討。隨著人們環(huán)保意識的增強以及環(huán)保法規(guī)的不斷完善，水性涂料、高固低粘涂料、無溶劑涂料以及無涂層的耐候鋼將會是鋼結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展的重要方向。

參考文獻

[1] 葉小亮。淺談中國橋梁鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)市場發(fā)展趨勢[J].經(jīng)營者，2019（2）：25

[2] 中華人民共和國交通部。JT/T 722-2008 公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

[3] 中華人民共和國交通部。JT/T 1266-2019 橋梁鋼結(jié)構(gòu)冷噴鋅防腐技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019

[4] 劉登良。涂料工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010:1014

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