護欄螺栓緊固件表面防腐技術(shù)的現(xiàn)狀分析

王志斌, 邱文利, 王勝民, 馮 雷，趙 凱

(1. 河北雄安京德高速公路有限公司，河北 雄安 071700；2. 昆明理工大學材料科學與工程學院，云南 昆明 650093)

0 前 言

公路防護欄是確保公路交通安全的基礎(chǔ)交安設(shè)施，這就要求護欄有一定的高度、安裝密度和足夠的強度，其中強度是影響護欄服役安全和可靠性的主要因素。研究表明，即使護欄板表面發(fā)生輕微腐蝕，碰撞試驗表明護欄仍能滿足相應(yīng)級別的安全防護功能[1]，這是因為公路護欄是依靠整體的護欄受力來攔截、導向事故車輛的；但如果護欄螺栓(連接螺栓和拼接螺栓)腐蝕失效或連接強度不足，則緊固連接部位就是護欄防護的薄弱點，碰撞時很容易發(fā)生局部受力過大，導致護欄的防撞能力下降[2,3]，發(fā)生騎跨、穿越，甚至造成嚴重事故。螺栓表面防腐是影響其服役穩(wěn)定性和安全性的重要因素，但在實踐中制造企業(yè)、道路業(yè)主、行業(yè)主管部門往往把質(zhì)量控制的重點放在護欄板上，為此制訂了齊全的護欄板技術(shù)標準，以規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量、保障交通安全，但卻對護欄螺栓防腐重視程度不夠，只是在護欄板的相關(guān)標準中有所提及，且相關(guān)指標或檢測方法也不明確，這在一定程度上影響了公路護欄的工程安裝和運行服役。鑒于此，本文對護欄螺栓表面防腐的技術(shù)現(xiàn)狀、相關(guān)技術(shù)標準等進行了綜合分析，并給出相關(guān)建議，以期促進我國公路護欄設(shè)施的高質(zhì)量發(fā)展。

1 公路護欄螺栓表面防腐技術(shù)的現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 護欄螺栓熱浸鍍鋅現(xiàn)狀及存在的問題

熱浸鍍鋅是將經(jīng)預(yù)處理的待鍍件浸入鋅浴中發(fā)生高溫冶金反應(yīng)而形成鍍鋅層的表面處理工藝，熱浸鍍鋅應(yīng)用至今已有近180多年的歷史，實踐表明它仍是目前最可靠的防腐技術(shù)。熱浸鍍鋅的形層始于鋅浴與鐵基的界面，終止于基材表面上的鋅液，鍍層的最終組織結(jié)構(gòu)和物化性能與鋅浴熔體有著密切和直接的聯(lián)系[4]。形層開始，鐵基表面的助鍍鹽膜蒸發(fā)，鐵基裸露；熔融鋅瞬間在鐵基表面潤濕、鋪展、覆蓋且同時發(fā)生Fe、Zn的相互擴散，并進一步發(fā)生γ、δ、ζ合金相層的生長；當鍍件離開鋅浴時，熔融鋅和鐵基之間的相互作用仍在繼續(xù)，鍍件表面黏附有熔融鋅，此后熔融鋅發(fā)生結(jié)晶凝固；所以，鍍件表面的鍍層包括與鐵基緊鄰的鋅 - 鐵合金層和表面的鋅凝固層。適當?shù)剡x擇溫度和時間參數(shù)，可以控制鍍層中合金相層的組織特征和厚度；但對于緊固件表面鍍層厚度的控制并不容易，尤其是螺紋緊固件的螺牙部位，鍍層厚度的控制具有一定的難度，稍微控制不當，螺紋緊固件就會因為鍍層質(zhì)量缺陷而報廢。

護欄螺栓表面帶有外螺紋或內(nèi)螺紋(配套的各類螺母)，螺紋部位具有狹縫尺寸特征，基于上述熱浸鍍鋅的機理及螺紋緊固件的形狀要求，護欄螺栓的熱浸鍍鋅過程及鍍層質(zhì)量目標就是控制鍍層厚度盡量薄、不堵塞螺牙。為此，人們最初采用爆鈍工藝控制螺紋的鍍層厚度，利用熱鍍件和爆鈍液瞬間反應(yīng)生成的氣體將基體表面未凝固的液態(tài)鋅爆破去除以保證螺紋的薄鍍層。爆鈍過程產(chǎn)生大量氨氮超標的白煙，嚴重污染大氣和影響操作環(huán)境。后來人們在螺栓浸鍍之后采用離心甩將螺栓表面的余鋅去除，以滿足螺紋部位鍍層厚度的要求。目前，護欄螺栓的熱浸鍍鋅工藝已日臻完善、工藝穩(wěn)定，鍍層厚度和耐蝕性完全可以滿足公路護欄的防腐要求，但在實際生產(chǎn)和護欄設(shè)施安裝過程仍存在以下問題：

(1)護欄螺栓螺紋部位殘留有少量鋅瘤，影響現(xiàn)場安裝 螺栓熱浸鍍鋅后螺牙部位殘留有鋅瘤，當鋅瘤尺寸稍大時就嚴重影響螺栓和螺母的配合，出廠之前螺母回攻或部分螺栓回攻后緊固件配合成套，施工現(xiàn)場護欄螺栓緊固件一般容易拆開和再次裝配；當鋅瘤尺寸較小且手工裝配成套存在一定困難時[如配合不通暢、配合不到位(螺母螺旋不到底)]，出廠前往往采用工裝夾具裝配成套，這時不可避免地施加了一定程度的預(yù)緊力載荷；雖然護欄螺栓緊固件能夠裝配成套供貨，但在施工現(xiàn)場發(fā)生拆開困難、再次裝配不通暢、緊固不到位等問題，影響了護欄設(shè)施的安裝施工。

(2)對連接強度的影響 采用離心甩可以控制護欄螺栓表面的鍍層厚度及均勻性，但配套螺母屬于內(nèi)螺紋，離心甩難以去除螺母螺紋部位的余鋅，仍易發(fā)生余鋅或鋅瘤堵塞螺牙現(xiàn)象；故人們普遍采用螺母放大加工余量且鍍后回攻的方法保證熱浸鍍鋅螺母與螺栓的配合，這雖然保證了緊固件的配合，但力學性能測試時常發(fā)生拉伸過程拉脫現(xiàn)象，影響了護欄安裝后連接強度。

(3)對高強度護欄螺栓力學性能的影響 研究表明，熱浸鍍鋅工藝過程對螺栓的顯微組織、硬度沒有明顯的影響；但熱浸鍍鋅工藝不當會影響螺栓的沖擊韌性，另外鍍鋅過程的酸洗會造成10.9級高強度螺栓基體中的氫含量增加，增大了氫脆隱患[5]。德國的工程師研究發(fā)現(xiàn)，高強度護欄螺栓(8.8級及以上)熱浸鍍鋅后螺牙部位的力學性能有一定程度的損傷。

由上可見，護欄螺栓的熱浸鍍鋅工藝雖然已經(jīng)成熟且規(guī)模應(yīng)用，但鍍鋅工藝不當或鍍層質(zhì)量控制不良時螺栓表面的鍍鋅層對護欄螺栓緊固件的配合、護欄板的安裝及緊固強度都會產(chǎn)生一定的影響。

1.2 護欄螺栓緊固件機械鍍鋅現(xiàn)狀及存在的問題

機械鍍鋅是指在常溫常壓下利用物理、化學吸附沉積和機械碰撞使鋅粉在工件表面形成鍍鋅層的表面處理工藝[6]?；诠に囋矸治觯瑱C械鍍鋅是在室溫下的液體介質(zhì)中，依靠沖擊載荷、鋅粉的團聚與吸附，在鋼鐵表面上沉積成層；它的形層過程沒有熱浸鍍過程的界面反應(yīng)和鐵、鋅原子擴散[7]，故與熱浸鍍鋅相比它具有鍍層氫脆隱患小、鍍層厚度容易調(diào)控、過程易實現(xiàn)清潔生產(chǎn)等諸多優(yōu)點。歷經(jīng)30多年的發(fā)展，機械鍍鋅在制造業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，護欄螺栓緊固件的機械鍍鋅是最近10年來發(fā)展并規(guī)?；瘧?yīng)用的工藝。

目前機械鍍鋅護欄螺栓在生產(chǎn)加工、市場流通和工程安裝領(lǐng)域已具有一定的規(guī)模，以河北永年恒創(chuàng)電鍍工業(yè)園區(qū)為例，現(xiàn)有機械鍍鋅護欄螺栓加工企業(yè)20余家，每家的護欄螺栓緊固件機械鍍鋅年加工量保守統(tǒng)計為10 000 t，僅此園區(qū)每年就向交安設(shè)施領(lǐng)域投放超過20萬t的機械鍍鋅螺栓、螺母、墊片，這些緊固件首先進入當?shù)氐臉藴始圃炱髽I(yè)或流入山東冠縣的交通設(shè)施(以護欄板為主)制造企業(yè)，然后流通至全國各地的公路工程建設(shè)地點。機械鍍鋅工藝本身決定了螺牙、溝槽部位的鍍層厚度比平整表面的鍍層厚度要薄，螺母鍍后不需要回攻，M12以上螺栓甚至不需要預(yù)留公差，鍍后不影響配合和力學性能。但工藝過程選用鋅粉的粒徑大小、施鍍過程的加料強度、加料間隔等直接影響著鍍層的致密度、平整度和外觀，進而影響到鍍層的質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，目前我國機械鍍鋅護欄螺栓緊固件根據(jù)鍍層厚度大致分為2類——低鋅層和高鋅層，所謂低鋅層一般指鍍層厚度低于30 μm或35 μm，所謂高鋅層一般指鍍層厚度高于50 μm。隨著市場競爭的不斷加劇，上述所謂高鋅層的機械鍍鋅護欄螺栓緊固件產(chǎn)量僅占機械鍍鋅護欄螺栓緊固件總產(chǎn)量的約1/4～1/3，且部分械鍍鋅護欄螺栓緊固件的鍍層厚度參差不齊、鍍層疏松、外觀粗糙、表面灰暗等，產(chǎn)生這些問題的主要原因有：(1)市場需求量大，目前護欄螺栓緊固件的機械鍍鋅比熱鍍鋅在工藝上占有優(yōu)勢，供不應(yīng)求；(2)價格惡意競爭，一味降低成本；(3)無標可依，沒有質(zhì)量標準進行約束。

由上可見，與熱浸鍍鋅相比，護欄螺栓的機械鍍鋅工藝已占有較大的市場規(guī)模和制造體量，但產(chǎn)品的機械鍍鋅鍍層質(zhì)量良莠不分，缺乏技術(shù)規(guī)范指導，市場混亂，產(chǎn)品鍍層質(zhì)量標準研究及指標標準化亟待解決。

2 護欄螺栓緊固件表面防腐技術(shù)標準的現(xiàn)狀及存在的問題

2.1 國內(nèi)公路護欄螺栓緊固件表面防腐的技術(shù)標準現(xiàn)狀

目前，國家標準和行業(yè)標準沒有專門針對護欄螺栓、螺母、墊片等緊固件表面防護層的技術(shù)規(guī)范?，F(xiàn)行的護欄板產(chǎn)品標準GB/T 31447-2015“預(yù)鍍鋅公路護欄”、JT/T 457-2007“公路三波形梁鋼護欄”、GB/T 31439.1-2015“波形梁鋼護欄第1部分”、GB/T 31439.2-2015“波形梁鋼護欄第2部分”、JT-T 281-2007“公路波形梁鋼護欄”的主要內(nèi)容是針對護欄板和立柱的技術(shù)規(guī)范，其中只有JT-T 281-2007提及配套使用的螺栓等緊固件的表面防腐可采用熱浸鍍鋅層或其它防護層，但并未指定可采用其它哪些類別的防護層，同時指出螺栓緊固件防腐可參照GB/T 18226“公路交通工程鋼構(gòu)件防腐技術(shù)條件”執(zhí)行。

JT-T 281-2007和GB/T 18226-2015均對護欄螺栓等緊固件的技術(shù)指標及質(zhì)量提出了要求。JT-T 281-2007指出，護欄的所有構(gòu)件均應(yīng)進行金屬防腐處理，一般宜采用熱浸鍍鋅，其相關(guān)技術(shù)要求如表1所列，當采用其它防腐層時應(yīng)符合GB/T 18226的相關(guān)規(guī)定，并要求螺紋構(gòu)件熱浸鍍鋅后應(yīng)清理螺紋或作離心分離且不能因鍍層而影響配合。GB/T 18226-2015列出了公路交通鋼構(gòu)件可選用的包括熱浸鍍鋅、熱浸鍍鋁、熱浸鍍鋅+聚酯復合涂層、熱浸鍍鋅+浸塑復合涂層、環(huán)氧鋅基聚酯復合涂層、鋅鉻涂層(達克羅)、粉末鍍鋅(機械鍍鋅的另一稱謂)涂層等17種防護涂層技術(shù)，并在使用原則中指出，鋅鉻涂層和粉末鍍鋅適用于螺栓、螺母等緊固件，當螺栓緊固件采用熱浸鍍鋅和粉末鍍鋅防腐時涂層的質(zhì)量應(yīng)達到表1中的要求。

由表1的對比發(fā)現(xiàn)，JT-T 281-2007規(guī)范了護欄螺栓熱浸鍍鋅層的質(zhì)量要求，其中對鍍層平均厚度、最低厚度、鍍層均勻性和鹽霧時間給出了量化指標及要求，對螺牙部位及螺栓的力學性能未做要求。GB/T 18226-2015指出并建議螺栓緊固件適合采用鋅鉻涂層(達克羅)和機械鍍鋅層防腐，因鋅鉻涂層(達克羅)的防碰撞性能較差，故生產(chǎn)中很少應(yīng)用，此處不再進一步敘述；當護欄螺栓緊固件采用機械鍍鋅層時鍍層質(zhì)量應(yīng)按熱浸鍍鋅的要求(見表1)執(zhí)行。對比表1中的指標和數(shù)值還可以發(fā)現(xiàn)，當護欄螺栓緊固件采用熱浸鍍鋅層時，兩項標準都有可直接采用的數(shù)值參考，能夠控制產(chǎn)品的鍍鋅層質(zhì)量和保障產(chǎn)品的驗收；若采用機械鍍鋅層，則只能參照熱浸鍍鋅層質(zhì)量及要求。機械鍍鋅和熱浸鍍鋅屬于原理、工藝都不相同的2類鍍鋅工藝，雖然2種工藝均能獲得金屬鍍鋅層，然而2種鍍層的組織結(jié)構(gòu)明顯不同，這導致機械鍍鋅護欄螺栓在防腐層質(zhì)量驗收及評判時存在著以下問題：

表1 公路護欄螺栓緊固件表面鍍鋅層的技術(shù)要求

(1)現(xiàn)行標準的最低鋅附著量是基于熱鍍鋅層的測試原理及方法提出的，這對機械鍍鋅層并不適用。因為熱浸鍍鋅層為鋅及鋅鐵合金的致密層體，其密度接近或稍大于純鋅的密度(7.14 g/cm3)，而機械鍍鋅層為鋅粉顆粒鑲嵌成的帶有微孔的致密層體，其密度低于純鋅的密度，甚至相差較大。檢測表明，機械鍍鋅層的鋅附著量受鋅粉顆粒粒徑、加料強度、強化時間等影響較大，如同等條件下采用粒徑1 200目的鋅粉比500目的鋅粉獲得的鍍層致密度要高，延長強化時間可以提高單位面積的鋅附著量，增加加料次數(shù)也可以提高單位面積的鋅附著量。這些工藝因素與鋅附著量之間的影響規(guī)律及鍍層質(zhì)量的穩(wěn)定控制亟待制造企業(yè)或加工商進行系統(tǒng)研究和試驗統(tǒng)計。

(2)鍍層的均勻性要求不能用于螺紋部位的鍍層質(zhì)量檢測和評價。硫酸銅實驗5次不變紅色的要求對于熱浸鍍鋅構(gòu)件(如護欄板、立柱、防阻塊等)的平整表面是可以采用的，而對于邊角、邊緣、溝槽部位(如螺牙、螺栓六角頭邊棱、螺栓大圓頭邊緣、螺栓螺桿端面等)的鍍鋅層進行規(guī)范要求是不可行的。檢測表明，即使是平面部位厚度達到50 μm的熱浸鍍鋅螺栓也常發(fā)生不能通過5次硫酸銅實驗的情況；對于隨機抽檢機械鍍鋅的螺栓、螺母、墊片的螺牙部位、拐角部位也是難以通過5次硫酸銅實驗的?？梢?，上述標準的相關(guān)技術(shù)條款并沒有考慮螺栓、螺母、墊片等緊固件的結(jié)構(gòu)特殊性和鍍層厚度的差異性，故護欄螺栓緊固件的機械鍍鋅層參照熱浸鍍鋅層要求進行相應(yīng)檢測及驗收是不科學的，急需建立符合技術(shù)特征和緊固件形狀結(jié)構(gòu)特征的機械鍍鋅護欄螺栓的鍍層技術(shù)規(guī)范。

2.2 國外公路護欄螺栓緊固件表面防腐的技術(shù)標準現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家對高速公路護欄的研究和應(yīng)用起步較早，美國、英國在20世紀60年代就開展了公路護欄的碰撞試驗研究工作，建立了完善的高速公路護欄試驗、評價標準和高速公路護欄板產(chǎn)品標準[8]。美國高速公路護欄標準AASHTO M180“高速公路護欄板技術(shù)規(guī)范”對護欄安裝緊固用的螺栓、螺母、墊片的表面防腐給出齊全的技術(shù)要求，標準將護欄板按表面防護層類別分為4類(見表2)，其中配套用的螺栓緊固件也根據(jù)護欄板的類別給出了具體的防腐要求，4類護欄板配套用的螺栓、螺母、墊片表面防護建議采用熱浸鍍鋅層或機械鍍鋅層。

另外，國外護欄板技術(shù)標準對螺栓緊固件表面鍍鋅層(熱浸鍍鋅和機械鍍鋅層)的厚度、結(jié)合強度、平整度等外觀質(zhì)量也給出了規(guī)范要求。同時發(fā)現(xiàn)，螺紋標準

表2 AASHTO M180中護欄板類別及螺栓緊固件防腐技術(shù)要求

件的其它國外標準文獻如ASTM A307“抗拉強度370MPa碳鋼螺栓、螺柱、螺桿技術(shù)規(guī)范”、ASTM A354“調(diào)質(zhì)合金鋼螺栓、螺柱及其它外螺紋緊固件技術(shù)規(guī)范”、ASTM A449“最小抗拉強度120/105/90 ksi 熱處理鋼六角頭螺釘、螺栓、螺柱技術(shù)規(guī)范”、ASTM A325“抗拉強度725～830 MPa熱處理鋼螺栓技術(shù)規(guī)范”、ASTM A563“碳鋼和合金鋼螺母技術(shù)規(guī)范”中當有鍍鋅要求時，則規(guī)定采用熱浸鍍鋅和機械鍍鋅，且對2類鍍鋅層的厚度都做了量化要求?？梢?，國外護欄螺栓緊固件防腐的技術(shù)標準化已經(jīng)相當完善，主要技術(shù)指標已經(jīng)量化，技術(shù)標準具有較強的實踐性，這非常值得我們學習。

綜上分析還發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外技術(shù)標準不管是熱浸鍍鋅螺栓還是機械鍍鋅螺栓，均是以平整表面作為檢測對象的，而護欄螺栓、螺母、墊片的防腐層均是復雜表面，其表面的平面、螺紋、曲面、邊棱、柱面等鍍層外觀質(zhì)量、鍍層厚度、厚度均勻性等存在明顯的不同，這是不能忽略的問題。所以，護欄螺栓緊固件的防腐層應(yīng)充分考慮緊固件的表面形狀差異，確定主要檢測表面或次要檢測表面，并根據(jù)不同表面位置有區(qū)別地研究、制訂質(zhì)量指標?；诎l(fā)展前景分析，護欄螺栓緊固件的機械鍍鋅比熱浸鍍鋅具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，行業(yè)界應(yīng)盡早組織制造商、用戶、研究機構(gòu)制定機械鍍鋅護欄螺栓緊固件的技術(shù)標準并發(fā)布實施。

3 結(jié) 語

護欄螺栓是公路護欄安全保障的重要組成部分，表面防腐是影響護欄螺栓服役可靠性的一項重要指標。本文基于護欄螺栓緊固件表面防護的技術(shù)現(xiàn)狀和技術(shù)標準分析，綜述了當前我國公路護欄螺栓緊固件防腐的工藝、鍍層質(zhì)量以及相關(guān)技術(shù)標準、質(zhì)量指標等，并指出了產(chǎn)品質(zhì)量和工程應(yīng)用中存在的問題，希望促進我國公路護欄緊固件的良性發(fā)展，并建議從以下幾個方面及時開展研究和標準化制定工作：

(1)護欄螺栓緊固件機械鍍鋅工藝過程與鍍層致密度、單位面積鋅附著量等鍍層質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律研究；(2)機械鍍鋅護欄螺栓緊固件鍍層質(zhì)量的主要指標、指標量化檢測及可行性研究；(3)機械鍍鋅護欄螺栓緊固件主要檢測表面的確定及螺紋部位鍍層質(zhì)量的差異性檢測及評判。