鋼管混凝土橋防腐蝕性能研究

栗金營

（河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450006）

鋼管混凝土橋防腐蝕性能研究

栗金營

（河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450006）

據(jù)美國高速公路管理局1998年統(tǒng)計資料，在美國境內(nèi)洲際和國家級橋梁中，因腐蝕而需要維修的橋梁達68466座，腐蝕率占24.5%，而城鎮(zhèn)橋梁中，腐蝕率為34.5%。目前美國每個州每年都要拿出數(shù)千萬美元用于橋梁的防腐涂裝維修。我國也有個別鋼管混凝土系桿拱橋因鋼管銹蝕嚴重不得已拆除重建，造成了巨大的經(jīng)濟損失。因此，本文通過對現(xiàn)有橋梁腐蝕的研究提出了幾條有關鋼管混凝土橋防腐蝕的研究方向。

鋼管混凝土；橋梁；腐蝕

最早的鋼管混凝土工程是1879年建的英國賽文（Severn）鐵路橋的鋼管混凝土橋墩，在管內(nèi)灌了混凝土以防止銹蝕并承受壓力，隨后又被用做多層、高層建筑物的結(jié)構(gòu)柱。而世界上最早修建的鋼管混凝土拱橋是1937年在蘇聯(lián)列寧格勒建的跨列寧格勒涅瓦河的拱橋，采用集束的小直徑鋼管混凝土作為拱肋。分析認為與鋼拱橋相比，鋼管混凝土拱橋可節(jié)約鋼材52%，降低造價20%。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國自1990年建成第一座鋼管混凝土系桿拱橋-四川旺蒼東河橋至今，主跨跨徑在200m以上的鋼管混凝土系桿拱橋約40余座。現(xiàn)有鋼管混凝土系桿拱橋有多數(shù)存在鋼腐蝕現(xiàn)象，隨著鋼管混凝土越來越多的應用到現(xiàn)代橋梁的建設當中，較好的解決鋼管腐蝕是一項既實際又艱巨的工作。

1 鋼管混凝土的特性

1.1 鋼管混凝土的優(yōu)點。具有優(yōu)越的力學性能：其一，由于鋼管的緊箍作用使混凝土處于三軸向受壓應力狀態(tài)，間接提高了混凝土的極限抗壓強度。其二，由于混凝土的填充作用，提高了鋼管抵抗局部屈曲的能力。鋼管混凝土構(gòu)件充分發(fā)揮混凝土和鋼材的材料性能，提高了構(gòu)件的承載能力，同時又具有較好的塑性和韌性，為高強混凝土和高強鋼材的應用提供了廣闊的途徑。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)防火性比RC結(jié)構(gòu)差，比全鋼結(jié)構(gòu)強，防火涂料可省一半以上。

1.2 鋼管混凝土的不足之處。暴露在大氣當中與空氣和水分相接觸，或與有害氣體發(fā)生反應，造成鋼的腐蝕。按其反應機理可分為化學腐蝕和電化學腐蝕：化學腐蝕過程不伴隨電流的流動，鋼材在高溫工作條件下受到氧氣O2，二氧化碳CO2，硫化氫H2S和鹵素等氣體的腐蝕，就屬于化學腐蝕。鋼材在腐蝕過程中伴隨有電流流動的叫電化學腐蝕，鋼材在潮濕空氣中或在電解質(zhì)溶液中的腐蝕，就屬于電化學腐蝕。鋼材按自然環(huán)境引起的腐蝕又可分為大氣腐蝕，土壤腐蝕，海水腐蝕，淡水腐蝕和生物腐蝕等。鋼管混凝土拱橋所處的自然環(huán)境引起的腐蝕主要為電化學腐蝕和大氣腐蝕。

2 國內(nèi)外有關橋梁受腐蝕而破壞的案例

2.1 2001年11月7日，于1990年建成的重慶小南門橋因吊桿銹蝕造成部分橋面垮塌，在修復過程中，技術人員對全橋進行了檢測，大橋整體結(jié)構(gòu)依然完好。原因是當?shù)貫樗嵊甑貐^(qū)，大氣pH值約在4.6-5.6之間，環(huán)境腐蝕使外套管銹穿，進而銹蝕到內(nèi)部鋼絲。腐蝕加劇了鋼絲的應力集中，應力集中使鋼絲應力超過設計值，導致鋼絲斷裂、橋梁倒塌。雖然此橋不是鋼管混凝土橋，但從橋的腐蝕情況來看，暴露在空氣中的鋼若處理不好就會出現(xiàn)嚴重的事故。

2.2 佛陳大橋位于廣東省佛山市與順德市交界處，跨越北江支流東平河，1994年通車竣工，全長849.84m（包括主橋，過渡孔和南北引橋），主橋為下承式鋼管混凝土剛構(gòu)系桿拱橋，跨徑為112.8m，橋?qū)?6m，鋼管混凝土拱肋矢跨比1/5。該橋建成后投入使用僅5年多，就因鋼筋和鋼管腐蝕嚴重，不得不實施全面加固，造成較大的經(jīng)濟損失，給交通運輸帶來了很大的不便。雖然有經(jīng)驗不足等原因，但不得不引起我們對這種結(jié)構(gòu)橋的設計和施工進行反思，提高材料耐久性的研究和施工技術水平在所難免。

2.3 據(jù)美國高速公路管理局1998年統(tǒng)計資料，在美國境內(nèi)洲際和國家級橋梁中，因腐蝕而需要維修的橋梁達68 466座，腐蝕率占24.5%，而城鎮(zhèn)橋梁中，腐蝕率為34.5%。目前，美國每個州每年都要拿出數(shù)千萬美元用于橋梁的防腐涂裝維修。在我國，也已經(jīng)出現(xiàn)了許多因耐久性不良而過早報廢的橋梁，例如北京西直門立交橋使用僅19年，就因嚴重剝蝕和鋼筋銹蝕破壞等原因不得已于1999年報廢重建。

3 鋼管混凝土腐蝕原因分析

3.1 鋼管表面涂料的影響。涂料具有一定期限的耐久性，通常比橋梁的使用壽命要短，有的甚至幾年就不起保護作用?，F(xiàn)有的涂料部分存在易老化，表面易開裂的特點，如不及時進行防護就等于是讓鋼材暴露在空氣當中，在裂縫處與有害氣體和酸雨相接觸，很容易腐蝕。其次，涂料分層涂噴時應當慎重選擇相鄰層涂料，避免涂層的咬噬或黏結(jié)性較差，使其不能起到好的保護作用。

3.2 鋼管表面處理不當。在進行表面噴涂防護時，表面銹渣未除或存在異物，造成涂層不能與鋼管較好的黏結(jié)，表面鼓包或脫落給防護帶來不利影響。

3.3 施工粗糙，在橋梁防護上不重視，采用劣質(zhì)材料，還有施工方法不當造成防護失敗。

3.4 缺乏系統(tǒng)科學的管養(yǎng)制度。

4 鋼管混凝土的防腐措施

鋼材防腐蝕的主要方法有選擇適當鋼材，合理設計構(gòu)件，改變環(huán)境，電化學防腐和涂層保護等。

4.1 在進行鋼結(jié)構(gòu)設計時，要考慮材料的均勻腐蝕程度。即結(jié)構(gòu)構(gòu)件的厚度=計算的厚度+腐蝕富余量（材料的年腐蝕深度*設計使用的年限）。利用均勻腐蝕深度值，也可估算出結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用壽命。但實際上腐蝕一般是不均勻的，所以設計結(jié)構(gòu)構(gòu)件時還要考慮一定的安全系數(shù)。

4.2 涂料防護。合理選擇分層涂噴的涂料原料，實踐證明鋅粉底漆+環(huán)氧中間漆+丙烯酸聚氨酯面漆涂裝配套體系是較好的防護做法，其防護理論年限可達30年。涂料配合實際上是一相輔相成的涂裝配套體系，其中富鋅底漆由于有了環(huán)氧中間漆的屏蔽保護而隔絕了基體與腐蝕介質(zhì)的直接接觸，延長了它對鋼管結(jié)構(gòu)的保護壽命，而中間漆和面漆更賦予了涂層的防護性能。這套體系在重防腐領域發(fā)揮著顯著的作用。我國的虎門大橋鋼構(gòu)件防護就是采用的這種做法，到目前為止，其防護效果良好。

4.3 熱噴涂金屬防腐涂裝體系。所謂熱噴涂是指依靠專用設備產(chǎn)生的熱源（火焰，電弧，等離子等），把金屬或非金屬固體材料加熱熔融或軟化，并利用熱源自身的動力或外加高速氣流霧化，使霧化的噴涂材料快速噴射到經(jīng)過預處理干凈的基體表面形成涂層的過程。1953年美國進行了長達19年的熱噴涂鋅，鋁涂層試驗，并在此基礎上制定AWSC2.18-93熱噴涂操作指南。熱噴涂鋅，鋁涂層，已經(jīng)是一項成熟可靠的技術，國外和國內(nèi)都有相關的標準。1988年我國制定了熱噴涂國家標準，1997年對此進行了修訂，即GB/T9793—1997《金屬和其他無機覆蓋層—熱噴涂鋅，鋁及合金》。交通部JTJ041—2000《公路橋涵施工技術規(guī)范》和鐵道部TB/T1527—1995《鐵路鋼橋保護涂裝》明確規(guī)定以熱噴涂為鋼橋梁防腐的有效方法。

5 國內(nèi)有關防腐方面的研究

5.1 將熱鍍鋅鋼表面鈰鹽和硅烷處理可提高其防腐性能。研究發(fā)現(xiàn)：將熱鍍鋅（HDG）鋼板經(jīng)20g/l的Ce（NO3）3.6H2O溶液處理后浸涂5%（體積比）硅烷，研究涂層的耐腐蝕性能中，5% NaCl溶液中的電化學極化曲線測試結(jié)果和中性鹽霧試驗（NSS）結(jié)果表明，單獨的鈰鹽處理或浸涂硅烷膜能夠提高熱鍍鋅層的耐腐蝕性而經(jīng)過鈰鹽處理后再浸涂硅烷形成雙層膜后能夠明顯的抑制腐蝕過程中的陰極和陽極反應，極化電阻RP較HDG試樣增加40多倍，也是單一膜處理試樣的5-9倍，膜層的耐腐蝕性能明顯提高。俄歇電子譜（AES）分析表明，熱鍍鋅試樣經(jīng)過兩步處理后，在表面形成了雙層膜：外層是富含C，Si，O的均勻硅烷膜層，里層是富含Ce的稀土轉(zhuǎn)化膜層。

5.2 納米技術在涂料中的應用。運用納米微粒材料的光學效應，可提高涂料的耐老化，耐腐蝕，抗輻射等性能。

5.3 在海洋環(huán)境中PTC保護技術的防腐應用。PTC保護的施工工藝：表面處理-涂防蝕膏-纏線防蝕帶-固定防護罩（由堅硬的固體玻璃鋼制成）。它的特點是：施工方便，表面處理簡單，可帶水作業(yè)；適用于任何形狀結(jié)構(gòu)物；具有良好密閉性和抗沖擊性能，質(zhì)量輕，對結(jié)構(gòu)物無附加荷載；綠色環(huán)保，無毒無污染。其有防護年限可達30年以上，是海洋環(huán)境中鋼鐵防腐蝕應用較為理想的方法。

5.4 不銹鋼粉末。它是近階段發(fā)展起來的金屬顏料，由于其具有不活潑性，特別是在高溫強蝕環(huán)境中的防護性極好，所以既可用來作為主要顏料，也可作為復合顏料的一部分，與黏合劑組成防護性涂料，具有較好的防腐蝕性能。

5.5 碳纖維布復合材料。它不僅是一種性能優(yōu)異建筑補強材料，還可耐強酸強堿作用，耐腐蝕和耐久性較強，即使在嚴寒和火災情況下也可表現(xiàn)出較好的受力性能。

6 鋼管混凝土防腐蝕的措施展望

6.1 用玻璃鋼鋼管代替常規(guī)鋼管。玻璃鋼作為一種發(fā)展和應用比較廣泛的復合材料，與金屬及其他傳統(tǒng)材料相比，具有質(zhì)輕，高強，耐腐蝕，耐疲勞，工藝簡單，可維修性好和幾乎無需維護保護的優(yōu)點。目前，它在我國航空，航天和軍事領域得到了大量應用和發(fā)展。研究表明：玻璃鋼管具有密度小，重量輕等特點，其密度是鋼鐵的1/4-1/5，比鋼筋混凝土輕1/3，玻璃鋼管的強度較高，其環(huán)向拉伸強度可達360M P a以上，接近鋼材的強度，其強度也高出鋼材很多。此外，玻璃鋼管的彈性模量也很小，使得玻璃鋼管不易破碎和凍裂。玻璃鋼耐腐蝕性：耐各種酸堿鹽及有機溶劑的腐蝕，管上不結(jié)垢，不產(chǎn)生銹蝕，不產(chǎn)生徑縮。但玻璃鋼具有一定的局限性，它不耐太高的溫度，而且具有易燃，不防火等諸多不足，盡管無機玻璃鋼具有防火，價廉等優(yōu)點，但尚處于研究使用階段。

總的來說，玻璃鋼具有替換的潛質(zhì)，我們應加快其對耐火性能的研究。可研究使其與強耐火涂料結(jié)合的耐火性能，或在玻璃鋼中加耐火的復合材料或耐火微?？雌淠突鹦阅芎脡模c鋼管做對比試驗，在功能和經(jīng)濟上選擇最佳者。當然就目前來說，玻璃鋼總的效應還不及鋼管，但隨著科學和經(jīng)濟的高速發(fā)展，玻璃鋼會勝過普通鋼管，并在未來的橋梁建設中得到廣泛的發(fā)展。

6.2 注重對表面涂層材料研究。當前納米技術是一個很熱門的話題，各行各業(yè)都在進行納米材料的研制工作，其中電子行業(yè)最為火熱。但在橋梁防護涂料研發(fā)上研究較少，我們應該應用納米顆粒的微小性來填充涂料的空隙，使涂料層更加均勻密實，來增強起其抵抗腐蝕的能力。例如：可研究碳納米微粒和橋梁涂層材料相結(jié)合的耐腐蝕性能。

6.3 總體展望。注重多學科交叉重防腐涂料，涂裝研發(fā)。借鑒航天航空行業(yè)，航海及汽車工業(yè)的成功經(jīng)驗，研發(fā)適合我們建筑行業(yè)的物美價廉的涂料，是新一時期工作的重點，環(huán)保節(jié)能和省資源，高性能，功能化是研發(fā)的主要方向。

7 結(jié)語

鋼管混凝土作為橋梁建設的一種組合結(jié)構(gòu)，其良好的受力性能已得到了世界建筑師的廣泛認可，近十幾年來其在高層建筑，地鐵建設特別是橋梁上得到了快速的發(fā)展，一些大工程也開始青睞于它，但其耐腐蝕性差的確是困擾其發(fā)展的不利因素，加強其耐腐蝕性能的研究很重要。

[1]吳海江，盧錦堂，孔綱.熱鍍鋅鋼表面鈰鹽與硅烷處理后的耐蝕性能[J].腐蝕與防護，2007（7）.

[2]周煜竣.鋼結(jié)構(gòu)防腐配套方案的設計[J].電鍍與涂飾，2007（9）.

[3]金曉鴻.跨海大橋鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料設計方案[J].電鍍與涂飾，2007（2）.

[4]林紅，趙凱，余建華，李建保.碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢分析[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2007（4）.

[5]朱則剛.高性能防腐涂料發(fā)展現(xiàn)狀與市場熱點分析[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2007（1）.

[6]鄭強，孫國安.佛陳大橋缺陷原因分析及加固[J].中國鐵道科學，2000（12）.

TU398.9

A

1671-0037（2014）10-66-2

栗金營（1986.4-），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：橋梁工程。