鋼箱梁防腐涂裝技術(shù)在鐵路橋梁中的應(yīng)用研究

張杰 辛馨 辛亮

(中國(guó)中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230023)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁將會(huì)成為未來橋梁建設(shè)的主流方向，目前國(guó)內(nèi)外主要的鋼結(jié)構(gòu)橋梁形式有:斜拉式、懸索式、鋼拱式、箱梁式、桁架式、懸臂式以及組合體系等結(jié)構(gòu)形式，其中鋼拱式和斜拉式形式適用于鋼混凝土結(jié)構(gòu)500 m以下跨度的橋梁;懸索橋是跨度最大的橋梁結(jié)構(gòu)形式，是跨千米以上橋梁的優(yōu)選橋型，最大跨度可達(dá)4 000 m。雖然鋼結(jié)構(gòu)橋梁有以上諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也有它致命的弱點(diǎn)，極易與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使金屬表面發(fā)生氧化腐蝕，產(chǎn)生酥松、起層、粉化、脫落，致使金屬失去應(yīng)有的性能，給橋梁結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的安全隱患，甚至造成災(zāi)難性的事故，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來巨大的損失。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)理和長(zhǎng)效防腐涂裝體系的應(yīng)用研究已經(jīng)成為了一個(gè)不可忽視的重大課題，也有著十分重要的意義。

1 工程概況

寧波鐵路樞紐北環(huán)線甬江特大橋鋼箱梁采用斜拉式結(jié)構(gòu)，其鋼結(jié)構(gòu)部分總長(zhǎng)425．6 m，中間高5 m，最大寬度21．074 m，鋼箱梁為正交異性鋼板結(jié)構(gòu)，由頂板、底板、斜底板、中縱腹板、邊縱腹板及邊板圍封而成。鋼箱梁不同區(qū)段采用了不同的板厚，共分6個(gè)區(qū)，7個(gè)梁段類型。

鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)9 m，中跨合龍段長(zhǎng)4．9 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段每隔3 m設(shè)置一道實(shí)腹橫隔板，全橋共計(jì)49個(gè)節(jié)段，2個(gè)鋼—混結(jié)合段，2個(gè)剛度過渡段，1個(gè)中間合龍段，44個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，鋼—混結(jié)合段重約384．1 t，其他最大節(jié)段重約180．3 t。全橋共94個(gè)風(fēng)嘴單元，橋面砟道寬 8．5 m，總用鋼量8 120．16 t，索塔用鋼1 355．82 t，斜拉塔高177．91 m，全橋總涂裝面積97 741 m2。

2 鋼箱梁腐蝕機(jī)理

金屬腐蝕按照腐蝕過程的特點(diǎn)，可分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和物理腐蝕三類。其中電化學(xué)腐蝕占據(jù)腐蝕類型的80%，是鋼鐵腐蝕的主要類型。橋梁用鋼Q345qD為低合金高強(qiáng)度鋼，在煉鋼的時(shí)候由于鋼材的性能需要滲入碳或其他元素，這些滲入的元素由于與鋼材內(nèi)主體鐵元素之間的標(biāo)準(zhǔn)電極電位不同，從而形成原電池。大氣中的水分、氧氣等介質(zhì)使鋼材內(nèi)無數(shù)的原電池形成通路進(jìn)行點(diǎn)電荷遷移，鐵成為陽極，失去電子而轉(zhuǎn)化成鐵銹。在海濱地區(qū)，有大量的鹽霧，使得大氣中氯離子含量較高，寧波鐵路樞紐北環(huán)線甬江特大橋地處海濱城市，大氣中氯離子對(duì)鋼橋梁的腐蝕不容忽視。一般情況下處于鈍態(tài)的金屬仍有一定的反應(yīng)能力，即鈍化膜的溶解和修復(fù)(再鈍化)處于動(dòng)平衡狀態(tài)。但當(dāng)介質(zhì)中含有活性陰離子(如氯離子)時(shí)，平衡便受到破壞，溶解占優(yōu)勢(shì)。其原因是氯離子能優(yōu)先地有選擇性的吸附在鈍化膜上，把氧原子排擠掉，然后和鈍化膜中的陽離子結(jié)合形成可溶性氯化物，并在新露出的基底金屬的特定點(diǎn)上生成小蝕坑(孔徑多在20μm～30μm)，這些小蝕坑就是腐蝕后留下的點(diǎn)蝕坑。因此在氯離子含量較高的條件下，不銹鋼的抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞性能降低，容易發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)蝕，進(jìn)而發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，加速腐蝕的過程。

在偏酸性的環(huán)境中H－離子濃度會(huì)比較大，會(huì)發(fā)生析H反應(yīng)，陽極反應(yīng)為:Fe失去最外層電子變成Fe2+離子;陰極反應(yīng)為:H+得電子變成H2。

其反應(yīng)方程式如下:

陽極過程:Fe=Fe2++2e

陰極過程:2H++2e=H2

鋼材的腐蝕是一個(gè)綜合復(fù)雜的變化過程，往往是許多因素復(fù)合的結(jié)果。電化學(xué)保護(hù)法是防止金屬腐蝕的有效途徑，是根據(jù)電化學(xué)原理在金屬設(shè)備上采取措施，使之成為腐蝕電池中的陰極，從而防止或減輕金屬腐蝕的方法，具體方法為:將還原性較強(qiáng)的金屬作為保護(hù)極，與被保護(hù)金屬相連構(gòu)成原電池，還原性較強(qiáng)的金屬將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的金屬作為正極就可以避免腐蝕。

3 鋼箱梁長(zhǎng)效防腐涂裝體系工藝

3．1 橋梁道砟面防水防滑層

道砟面防水防滑層采用3 mm厚樹脂(MMA)防水防滑層構(gòu)造，此類防滑層適用于以鋼板或混凝土為基體的橋面，一般工藝為:基體部分與防水層之間噴涂底漆，待底漆固化后再噴涂甲丙烯酸樹脂(MMA樹脂)，防水涂料固化后，然后均勻噴涂一層作為樹脂粘合劑的MMA樹脂涂料，最后鋪撒耐磨的硬質(zhì)骨料使其固定于粘結(jié)涂料中。道砟防腐工藝見圖1。

圖1 道砟表面防腐工藝流程

其斷面結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 樹脂防護(hù)防水層斷面結(jié)構(gòu)

3．2 鋼箱梁外表面防腐方案

鋼箱梁外表面直接暴露在大氣下，易與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng)，因此對(duì)外表面的保護(hù)特別重要，在加工制作的過程中采用二次涂裝保護(hù):一次噴涂車間底漆;二次現(xiàn)場(chǎng)防腐涂裝。車間底漆的噴涂首先對(duì)鋼板采用噴砂除銹，要求清潔度為Sa2．5級(jí)以上，表面粗糙度為Rz50μm～Rz100μm，這樣可使工件表面的機(jī)械性能得到改善，提高工件的抗疲勞性，使工件在加工周期內(nèi)得到防腐保護(hù)，不易產(chǎn)生腐蝕損耗，增加了它和涂層之間的附著力，延長(zhǎng)涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和裝飾。第二次防腐涂裝工藝為:噴砂除銹，電弧噴鋁，環(huán)氧封閉漆，環(huán)氧云鐵中間漆，氟碳面漆的涂裝體系。這樣可有效的保護(hù)金屬的表面，可得到長(zhǎng)效防腐的作用。其中環(huán)氧樹脂封閉漆是一種很好的粘合劑，它是一種高分子聚合物，其與相應(yīng)的固化劑發(fā)生反應(yīng)后就會(huì)形成交聯(lián)密度非常高的高分子，形成致密的保護(hù)膜，阻止了水分子的穿透。中間層采用環(huán)氧中間漆，其具有極好的耐磨性，附著力高，硬度大，保光保色性好等特點(diǎn)。表面采用氟碳面漆，因氟元素相對(duì)較多，且氟元素電負(fù)性大，碳氟鍵能強(qiáng)，使其具有良好的各項(xiàng)性能，耐候性，耐熱性，耐低溫性，耐化學(xué)藥品性，而且具有獨(dú)特的不粘性和低耐磨性，因此被廣泛應(yīng)用在涂層表面。外表面防腐工藝見圖3。

3．3 鋼箱梁內(nèi)表面涂裝方案

鋼箱梁內(nèi)表面在涂裝前須布置抽濕機(jī)，要求相對(duì)濕度小于50%，同外表面處理一樣也是采用二次涂裝工藝進(jìn)行防腐，第一次噴涂車間底漆與鋼箱梁外表面的處理完全一樣，第二次防腐涂裝工藝采用:噴砂除銹，無機(jī)富鋅防腐底漆，底表面處理環(huán)氧樹脂漆。在涂裝前，應(yīng)嚴(yán)格控制涂裝的施工環(huán)境，要求鋼箱梁表面溫度5℃～35℃，相對(duì)濕度不大于85%，全部涂裝不允許在有霧、下雨環(huán)境中進(jìn)行，施工時(shí)風(fēng)速工程技術(shù)應(yīng)不大于15 m/s。內(nèi)表面防腐工藝見圖4。

圖3 外表面防腐工藝流程

圖4 內(nèi)表面防腐工藝流程

4 噴砂除銹處理

噴砂處理使工件的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使工件表面的機(jī)械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲勞性，增加了它和涂層之間的附著力，延長(zhǎng)了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和裝飾。為了保證涂層的附著力，鋼材表面的清潔度要求Sa2．5級(jí)以上，粗糙度達(dá)到Rz50μm～Rz100μm，其中粗糙度的大小主要取決于磨料的直徑大小，因此合適的棱角鋼砂粒度應(yīng)為 G14～G18，顆粒直徑為 1．0 mm ～1．7 mm，硬度為 HRC40 ～HRC50，磨料中不允許有可溶性鹽類等。在對(duì)焊縫進(jìn)行噴砂處理前，焊接尖角必須打磨成R≥2 mm以上的圓弧，并除去焊縫的焊渣，針孔，毛刺等缺陷。噴砂施工時(shí)的工藝參數(shù)為:噴砂槍噴嘴處壓縮空氣壓力不小于0．7 MPa;噴砂距離100 mm～300 mm;噴砂角度60°～70°;噴砂嘴孔徑8 mm～10 mm。噴砂作業(yè)時(shí)，噴射面應(yīng)均勻;噴砂后的表面應(yīng)無油、無銹斑、無腐蝕物、無氧化物、無油漆等;噴砂后的鋼材基面應(yīng)是純色，粗糙度應(yīng)達(dá)到Rz50μm～Rz100μm。

5 電弧噴鋁工藝

電弧噴鋁操作的技術(shù)指標(biāo)主要是控制好噴涂厚度、噴涂間距、噴涂速度以及噴涂時(shí)的工藝參數(shù)等(見表1)。

表1 電弧噴鋁工藝參數(shù)

電弧噴鋁工藝要求:電弧噴槍出口處與工件表面距離在80 mm～200 mm之間，噴槍與工件的夾角大于60°，噴槍移動(dòng)速度要根據(jù)涂料層厚度的要求進(jìn)行調(diào)整。分區(qū)域噴涂時(shí)，應(yīng)有50%左右的搭接幅度。

6 涂裝質(zhì)量控制及安全措施

噴砂結(jié)束后應(yīng)在4 h之內(nèi)進(jìn)行電弧噴鋁工藝，在電弧噴鋁過程中，需不斷檢測(cè)涂層厚度，使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)厚度范圍。待噴鋁結(jié)束后應(yīng)在12 h內(nèi)涂裝防腐油漆。對(duì)于漆膜厚度的檢測(cè)按同類構(gòu)件數(shù)抽查10%，但均不少于3件，每件檢測(cè)5處，每處的數(shù)值為3個(gè)相距約50 mm的測(cè)點(diǎn)干漆膜厚度的平均值。如果涂刷的不好，被涂料覆蓋的地方和沒被覆蓋的地方就會(huì)形成大陰極小陽極，腐蝕的更快。

7 結(jié)語

以上鋼箱梁防腐涂裝體系及其施工工藝在本項(xiàng)目使用中達(dá)到了長(zhǎng)效防腐的目的，采用長(zhǎng)效防腐技術(shù)對(duì)保護(hù)橋梁的腐蝕起到了大大的減緩作用，有效的保護(hù)了橋梁的結(jié)構(gòu)性能。上述長(zhǎng)效防腐體系實(shí)現(xiàn)了橋梁保護(hù)和延長(zhǎng)了橋梁的使用壽命。

其中各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和工藝參數(shù)對(duì)鋼箱結(jié)構(gòu)橋梁的長(zhǎng)效防腐技術(shù)起到了參考作用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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