鋼結(jié)構(gòu)橋梁防腐工藝現(xiàn)狀

張 宇

(烏蘭察布市公路養(yǎng)護中心，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

隨著公路的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用越來越多，特別是地震多發(fā)和強震地區(qū)及跨越鐵路、高速公路、城市道路時用鋼結(jié)構(gòu)橋梁更顯其優(yōu)勢，進而使得鋼結(jié)構(gòu)防腐問題日益突出。筆者就鋼結(jié)構(gòu)橋梁防腐現(xiàn)狀及防腐蝕工藝進行介紹。

1 鋼橋發(fā)展概況

我國的鋼產(chǎn)量從2005年的3.5億t到2020年的10億多t。十多年間急速增長，庫存巨大。這是近十年來我國鋼鐵行業(yè)最典型的寫照，所以合理、高效的去庫存、去產(chǎn)能已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展的重要課題。

為深入落實《國務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》，交通運輸部也相應(yīng)發(fā)布了《交通運輸部關(guān)于推進公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》，要求提升公路橋梁品質(zhì)和耐久性，降低全壽命周期成本，推進鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)，促進公路建設(shè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效。

從數(shù)據(jù)上來看，法國、日本、美國鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比分別為85%、41%、35%，我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比不足1%。而我國鋼材產(chǎn)量已超過全球產(chǎn)量的1/2，Q345q、Q370q、Q420q等優(yōu)質(zhì)高強結(jié)構(gòu)鋼得到了廣泛的應(yīng)用，鋼材質(zhì)量已經(jīng)達到世界先進國家常用橋梁結(jié)構(gòu)鋼的要求。同時，近年鋼材的價格又大幅度降低，2020年國內(nèi)鋼板價格降到約4 000元/t。另一方面，近年的勞動力成本和砂石料的價格又大幅度的增加，人工成本逐年增長，混凝土橋梁施工所需人員成本比例在逐漸增加，這種背景下，我國已經(jīng)完全具備推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁的能力。

混凝土橋梁所需的水泥產(chǎn)生的能量消耗和二氧化碳排放以及砂石料開采均給環(huán)境保護帶來了很大的壓力。中小跨徑混凝土橋梁大量采用現(xiàn)澆施工，往往采用混凝土對場地地基進行硬化處理，產(chǎn)生大量的建筑垃圾。城市橋梁現(xiàn)澆混凝土施工對城市交通和環(huán)境也產(chǎn)生了許多不利的影響，所以推廣鋼結(jié)構(gòu)橋梁勢在必行。

2 腐蝕環(huán)境現(xiàn)狀

鋼材的銹蝕是指其表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用或電化學(xué)作用而遭到破壞。鋼材銹蝕不僅使截面減小、性能降低甚至報廢，而且因產(chǎn)生銹坑會造成應(yīng)力集中，加速結(jié)構(gòu)破壞。

鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕性差，是由其使用的環(huán)境所決定的。鋼材的腐蝕速度與環(huán)境、濕度、溫度以及腐蝕介質(zhì)的存在有關(guān)。在常溫大氣環(huán)境下，大氣中的水分、氧和其他污染物的作用，使鋼材發(fā)生電化學(xué)腐蝕，即鋼材構(gòu)成原電池的陽極，通過溶解和氧氣逐漸變?yōu)殍F銹，鐵銹能夠吸收大量水分，致使銹層體積膨脹使腐蝕繼續(xù)擴展到內(nèi)部。在高溫環(huán)境中，鋼材會發(fā)生化學(xué)腐蝕，高溫狀態(tài)下金屬和干燥空氣接觸，表面會生成氯化物、硫化物、氧化物等化合物，形成對鋼材的化學(xué)腐蝕。

我國幅員遼闊，東西跨越4 000多km，南北跨越5 000多km，既有嚴(yán)寒干旱少雨的內(nèi)陸沙漠又有濕熱多雨的沿海地區(qū)，大氣腐蝕種類從C1到C5-M都有。大氣中的腐蝕介質(zhì)會對橋梁鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕，腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞是使橋梁鋼結(jié)構(gòu)退出工作、壽命降低的重要原因之一，給社會造成巨大的經(jīng)濟損失。

鋼材腐蝕已成為大型鋼結(jié)構(gòu)建筑的最大危害，嚴(yán)重影響其使用安全和壽命。據(jù)統(tǒng)計，全世界每90s就有1t的鋼鐵腐蝕成鐵銹，美國高速公路管理局1998年統(tǒng)計，其境內(nèi)州際和國家級橋梁279 543座，因腐蝕需要維修的橋梁68 466座，腐蝕率24.5%；全球每年因腐蝕損耗的金屬達2.3億t，約占當(dāng)年鋼產(chǎn)量的30%；美國2002年發(fā)布的第7次腐蝕損失調(diào)查表明，1999年-2001年間美國每年直接腐蝕損失2 760億美元，約占GDP的3.1%；我國則達到4%，由腐蝕帶來的間接損失更難以估算，而高效防腐技術(shù)可以使腐蝕損失減少25%～40%，因此鋼結(jié)構(gòu)橋梁防腐很有必要。

3 防腐蝕工藝現(xiàn)狀

鋼結(jié)構(gòu)防腐，通常采取REMAKE金屬基自修復(fù)系統(tǒng)進行修復(fù)。REMAKE具有阻止金屬基材電化學(xué)腐蝕功效，它能把金屬基面的鐵銹轉(zhuǎn)化為致密的氧化膜對鋼板形成第一道防線。利用活性高的金屬元素陽極犧牲保護原理，能阻止基材的進一步氧化，從而形成第二道防線。

在歐洲和北美地區(qū)鋼橋的防腐發(fā)展過程是：20世紀(jì)40年代至70年代為油漆防腐；20世紀(jì)70年代以后為重防腐涂料防腐，與油漆防腐相比，因其涂層與基體結(jié)合力高、生產(chǎn)效率高、養(yǎng)護周期更長而得到廣泛應(yīng)用。

我國鋼橋腐蝕到目前為止，仍集中采用刷油漆防腐。新中國成立以來，鋼橋防腐技術(shù)的變化也主要集中在對油漆的種類進行調(diào)整。隨著大型鋼橋的建設(shè)，其防腐問題開始突出，鉛系涂裝體系的防腐耐久性差和維護費用高昂的缺點日漸顯現(xiàn)，而后開發(fā)了重防腐涂料，經(jīng)過對底、中、面漆的配套使用，使鋼橋的防腐壽命有較大提高。

目前，國內(nèi)外大型鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕主要技術(shù)有兩種：①重防腐蝕涂料涂層體系，即底漆+中間漆+面漆的三重涂層組成的重防腐蝕涂層體系；②熱噴涂復(fù)合涂層體系，即電弧噴涂鋅、鋁或鋅鋁合金+封閉涂層+面漆的復(fù)合涂層體系。二者的綜合參數(shù)對比見表1。

表1 兩種防護體系對比

考慮初始投入，目前國內(nèi)業(yè)主還多用后者，但隨著對鋼結(jié)構(gòu)全壽命防護技術(shù)的不斷認(rèn)識，越來越多的業(yè)主已切身感受到高質(zhì)量復(fù)合涂層防護體系的安全、經(jīng)濟和可靠性。

我國的熱噴涂腐蝕防護技術(shù)研究及應(yīng)用起步較晚，但進展迅速，尤其是改革開放以來，熱噴涂金屬涂層及其復(fù)合涂層防護技術(shù)在煤礦、港口碼頭、民用大型鋼結(jié)構(gòu)建筑、橋梁、高速鐵路、大型船舶以及其他大型工業(yè)化項目(如石化、電力、海洋)上快速普及應(yīng)用，取得了優(yōu)異的社會效益及經(jīng)濟效益。目前我國熱噴涂金屬涂層及其復(fù)合涂層技術(shù)與在戶外大型工程上的施工應(yīng)用技術(shù)已達到國際先進水平，部分領(lǐng)域的研究及應(yīng)用技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位。

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)和國民經(jīng)濟的不斷快速發(fā)展，各類大型戶外鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計、施工數(shù)量迅速增加，對工程使用壽命、施工保障、安全運行提出了更高要求，如從以前的50年提高到100年，甚至120年；由于人口增長、工業(yè)發(fā)展等社會發(fā)展帶來的全球變暖、世界金融危機等環(huán)境影響，人類環(huán)保及低碳經(jīng)濟發(fā)展都要求腐蝕防護技術(shù)有飛躍性的發(fā)展提升。因此，研究鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕和防護是一個重大課題，對于延長鋼結(jié)構(gòu)的服役壽命、減小災(zāi)害性腐蝕破壞、提高經(jīng)濟效益都具有重要的現(xiàn)實意義。

雖然熱噴涂技術(shù)具有經(jīng)濟性和防護效果好的優(yōu)勢被世界各國廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護，但是由于目前要求對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行長期保護(幾十年甚至上百年)，尤其是要求對大型的重要鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在服役期內(nèi)免維護或少維護，現(xiàn)有的金屬復(fù)合涂層技術(shù)已逐漸難以滿足上述的技術(shù)需求，如現(xiàn)有金屬涂層孔隙率、涂層與基體的結(jié)合強度、耐蝕性等性能指標(biāo)已經(jīng)不能滿足惡劣的腐蝕環(huán)境，迫切需要研究開發(fā)新型的可靠的腐蝕防護壽命更長的熱噴涂材料。

鋅銅鈦合金材料具有耐蝕性能好、鈍化膜自愈性好、耐蠕變性能好、涂層孔隙率低等特點，同時，在較長時間內(nèi)涂層仍具有強的耐蝕性，因而能夠應(yīng)用于要求長壽命強耐蝕的大面積鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護領(lǐng)域。

針對鋅銅鈦合金相比其他傳統(tǒng)金屬涂層材料的優(yōu)點，以及越來越嚴(yán)峻的腐蝕環(huán)境和更嚴(yán)格的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕要求，現(xiàn)有金屬復(fù)合涂層技術(shù)已逐漸難以滿足上述技術(shù)需求，而在純鋅中銅、鈦的加入，能填補原有基材的相缺陷、細化晶粒，顯著降低脆性和易開裂等問題，整個金屬涂層體系防腐蝕性能有了質(zhì)的提升。因此，推動鋅銅鈦合金作為大面積鋼結(jié)構(gòu)防腐金屬涂層就更為必要。

4 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)和國民經(jīng)濟的不斷快速發(fā)展，各類大型戶外鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計、施工數(shù)量迅速增加，對工程使用壽命、施工保障、安全運行提出了更高要求，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁防腐設(shè)計中推廣熱噴涂腐蝕防護技術(shù)是當(dāng)今世界的發(fā)展趨勢，對于延長鋼結(jié)構(gòu)橋梁的服役壽命、減小災(zāi)害性腐蝕破壞、提高經(jīng)濟效益都具有重要的現(xiàn)實意義。