海洋大氣環(huán)境下橋梁鋼構(gòu)件連接螺栓防腐技術(shù)研究

何曉宇，夏宏杰，徐小梅，李宇芊，侯保榮

海洋大氣環(huán)境下橋梁鋼構(gòu)件連接螺栓防腐技術(shù)研究

何曉宇1，夏宏杰2，徐小梅3，李宇芊1，侯保榮4

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310030；2.岱山縣疏港公路工程建設(shè)管理中心，浙江 舟山 316000；3.杭州本創(chuàng)科技有限公司，杭州 310030；4.中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071）

基于橋梁全壽命周期考慮，通過對(duì)包覆防腐、涂層防腐、密封膠與涂層聯(lián)合防腐等常用防腐技術(shù)的防腐材料、施工工藝和防腐時(shí)效等進(jìn)行了綜合經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，得出氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)具備防腐蝕材料先進(jìn)性、施工質(zhì)量可控性等優(yōu)點(diǎn)，是橋梁鋼構(gòu)件連接螺栓的最優(yōu)腐蝕防護(hù)方案。

海洋大氣環(huán)境；橋梁鋼構(gòu)件；連接螺栓；腐蝕；腐蝕防護(hù)；氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，發(fā)達(dá)的海洋經(jīng)濟(jì)支撐并推動(dòng)著海洋強(qiáng)國的建立。習(xí)近平主席為浙江指明了海洋經(jīng)濟(jì)強(qiáng)省的發(fā)展目標(biāo)。隨著交通強(qiáng)省、海洋強(qiáng)省建設(shè)的深入推進(jìn)，舟山跨海大橋、杭州灣跨海大橋等一座座海上橋梁魚躍而起，架起一道道海洋經(jīng)濟(jì)大通道，浙江逐漸從橋梁建設(shè)數(shù)量大向橋梁建設(shè)技術(shù)強(qiáng)轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)陸海貫通區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。

浙江省沿海地區(qū)屬北亞熱帶南緣季風(fēng)海洋性氣候，具備高溫、高鹽、高濕的腐蝕環(huán)境，跨海大橋鋼結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施長期處于海洋嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境中[1]，相應(yīng)地帶來了較高養(yǎng)護(hù)成本。連接螺栓由于其連接面縫隙的存在，以及動(dòng)載荷條件下受到摩擦錯(cuò)動(dòng)的影響，其長期性能質(zhì)量直接關(guān)聯(lián)橋梁鋼結(jié)構(gòu)全生命周期。按橋梁設(shè)計(jì)使用年限100 a推算，在不考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)利率影響及成本上浮影響因素的前提下，全生命周期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)成本將達(dá)到建設(shè)成本的80%，養(yǎng)護(hù)投入巨大。

據(jù)世界范圍內(nèi)的腐蝕調(diào)研結(jié)果估算，采用先進(jìn)的腐蝕防護(hù)措施，可避免17%～35%的腐蝕損失，經(jīng)濟(jì)效益顯著[2]。因此，采用合適的防腐技術(shù)，做好連接螺栓的腐蝕防護(hù)措施工作，使其充分發(fā)揮設(shè)計(jì)強(qiáng)度和抗震性能，對(duì)提升橋梁關(guān)鍵基礎(chǔ)構(gòu)件的耐久性能，從而延長跨海大橋的使用壽命至關(guān)重要。

1 連接螺栓腐蝕成因

跨海大橋尤以橋梁鋼構(gòu)件連接螺栓處最易腐蝕，如圖1所示。主橋和引橋橋面防撞護(hù)欄及檢修通道護(hù)欄等鋼構(gòu)件均采用高強(qiáng)螺栓連接立柱與底板，連接螺栓是橋梁護(hù)欄金屬構(gòu)件與基礎(chǔ)面連接、緊固的重要組件，需具備強(qiáng)度高、抗震性能優(yōu)良等特點(diǎn)。盡管出廠的螺栓幾乎都進(jìn)行了電鍍、熱浸鍍或化學(xué)表面處理等常規(guī)防腐措施，但螺栓連接及底板連接處，仍是后期運(yùn)營過程中最易出現(xiàn)腐蝕的部位。一旦出現(xiàn)腐蝕問題，會(huì)降低構(gòu)件的耐久性及使用性能，不但美觀性不佳，而且構(gòu)件的使用壽命也達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，甚至在運(yùn)營中引發(fā)重大安全隱患。分析跨海大橋連接螺栓腐蝕原因，主要有以下幾個(gè)方面。

1）潮濕環(huán)境誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)。連接螺栓大多處于基礎(chǔ)部位，連接位置存在連接縫隙，在海洋大氣環(huán)境中，容易積存雨水、露水、污水等。在水的作用下，金屬發(fā)生陽極溶解，金屬離子與空氣中的氧結(jié)合，生成腐蝕產(chǎn)物，體積膨脹，使涂層開裂，失去保護(hù)效果。

2）安裝過程中的碰撞降低初始出廠時(shí)的構(gòu)件防腐層。螺栓在使用過程中的碰撞、擰緊動(dòng)作，其防腐層易遭到損壞，且難以修復(fù)，因此安裝到位的螺栓構(gòu)件達(dá)不到初始出廠時(shí)的防腐壽命，導(dǎo)致耐腐蝕性能嚴(yán)重下降。

3）連接螺栓在拉應(yīng)力作用下易腐蝕。連接螺栓主要是用于設(shè)備與基礎(chǔ)之間的連接，地腳螺栓在緊固后受到振動(dòng)等動(dòng)拉應(yīng)力的作用，加劇了螺栓的腐蝕[3-6]。

圖1 跨海大橋連接螺栓腐蝕案例

2 螺栓腐蝕防護(hù)常用方案

2.1 包覆防腐方案

包覆防腐屬于包覆有機(jī)復(fù)合層方案，主要有氧化聚合包覆防腐技術(shù)（OTC）和復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)（PTC）[7-13]，其中氧化聚合包覆防腐技術(shù)適用于大氣區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)包覆，而復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)適用于水位變化區(qū)和浪濺區(qū)嚴(yán)峻腐蝕環(huán)境的鋼結(jié)構(gòu)包覆。本文重點(diǎn)介紹適用于橋梁鋼構(gòu)件連接螺栓的氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)。

氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)應(yīng)用3種緊密相連的保護(hù)層，最內(nèi)層為防蝕膏，中層為防蝕帶，外層為外防護(hù)劑[14-15]。此外，根據(jù)異型鋼構(gòu)件部位的實(shí)際需要，還包括用于塑型的防蝕膠泥。防蝕膏、防蝕帶的緩蝕劑中含有銹轉(zhuǎn)化成分，相較于傳統(tǒng)涂層方案，其表面處理要求較低，無顯著鼓泡和浮銹即滿足要求。施工后，空氣中的外層防護(hù)劑會(huì)發(fā)生氧化聚合反應(yīng)，形成堅(jiān)韌的皮膜，具有良好的耐老化性能。防蝕膏和防蝕帶粘貼在金屬結(jié)構(gòu)表面，在外防護(hù)劑的保護(hù)下則永久保持非固化、柔軟的狀態(tài)，從而達(dá)到最佳的防腐蝕性能。防蝕帶材料柔軟、易貼合，可以廣泛適用于各種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)、設(shè)備[16-17]。因此，OTC技術(shù)屬于長效型防腐技術(shù)。對(duì)橋梁鋼構(gòu)件連接螺栓進(jìn)行表面處理后，再依次涂抹、包覆防蝕膏、防蝕帶、外防護(hù)劑，可達(dá)到長效防腐目的。舟山某橋梁護(hù)欄支座和杭州灣區(qū)域某跨海橋梁平臺(tái)底部連接支撐位置的螺栓包覆防腐案例如圖2所示。

2.2 涂層防腐方案

涂層防腐方案是一種鋼結(jié)構(gòu)外表面采用涂層體系以達(dá)到腐蝕防護(hù)效果的常用防腐措施[18-20]。根據(jù)《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件規(guī)范》[21]要求，涂層體系保護(hù)年內(nèi)，要求涂層95%以上區(qū)域的銹蝕等級(jí)不大于ISO 4628規(guī)定的Ri2級(jí)，無氣泡、剝落和開裂現(xiàn)象。涂層體系按照保護(hù)年限可分為普通型（10～15 a）和長效型（15～25 a）。橋梁鋼結(jié)構(gòu)按照涂裝的部位可分為6類：外表面、非封閉環(huán)境內(nèi)表面、封閉環(huán)境內(nèi)表面、鋼橋面、干濕交替區(qū)和水下區(qū)、防滑摩擦面、附屬鋼構(gòu)件（如護(hù)欄、扶手等）。按照涂裝階段可分為初始涂裝、維修涂裝、重新涂裝。常規(guī)情況下，橋梁鋼構(gòu)件連接螺栓通常按相鄰鋼構(gòu)件的涂裝體系進(jìn)行普通的防腐方案設(shè)計(jì)，施工時(shí)按照相應(yīng)設(shè)計(jì)要求和材料工藝進(jìn)行底漆、中涂和面漆施工。海洋大氣環(huán)境下，對(duì)螺栓表面進(jìn)行涂裝是應(yīng)用最廣泛的一種推薦方案[22]。舟山區(qū)域某跨海橋梁采用涂層防腐的工程案例如圖3所示。

圖2 螺栓包覆防腐方案

圖3 螺栓常規(guī)涂層防腐方案

2.3 涂層與密封膠聯(lián)合防腐方案

密封膠[23]按照聚合物種類可分為硅酮、改性硅酮、聚氨酯、聚硫等。其中，聚硫密封膠[24]是以液態(tài)聚硫橡膠為主體，配合硫化劑、促進(jìn)劑和補(bǔ)強(qiáng)劑等助劑反應(yīng)而合成的密封膠。聚硫密封膠與大多數(shù)的材料都有良好的粘結(jié)效果，被廣泛地應(yīng)用于金屬、玻璃的密封，水池、大壩、橋梁隧道[25]等的混凝土嵌縫。密封膠主要以防水功能為主，目前部分橋梁鋼構(gòu)件連接螺栓采用了涂層與密封膠組合方案進(jìn)行防水防腐處理（如圖4所示），通過密封隔離作用，間接起到輔助性防腐效果。

圖4 螺栓涂層與密封膠聯(lián)合防腐方案

2.4 其他防腐方案

油性材料方案、防護(hù)蓋方案以及油性材料與防護(hù)蓋組合方案，如圖5所示。

圖5 螺栓油性材料和防護(hù)蓋防腐方案

3 主要方案比選

3.1 防腐原理比較

包覆防腐方案采用3層防腐保護(hù)層，其中，防蝕膏具有銹轉(zhuǎn)化功能，轉(zhuǎn)化后的黑色氧化亞鐵膜具有封閉保護(hù)性作用；防蝕帶和外防護(hù)劑均可通過氧化聚合作用形成保護(hù)膜。該方案的保護(hù)膜柔軟易貼合，抗震性能強(qiáng)，適用于各種復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)。

涂層防腐方案涂抹多道涂層，底漆起到鈍化緩蝕和陰極保護(hù)作用；中間層漆增加涂層厚度，增大屏蔽效應(yīng)；面漆起到保護(hù)涂裝層作用。

密封膠與涂層聯(lián)合防腐方案，利用密封膠具有較好粘結(jié)性，通過在金屬涂層表面涂抹密封膠起到密封防水防腐效果。

3.2 防腐材料比較

包覆防腐方案用到3種材料，分別為氧化聚合型防銹防腐蝕膠黏膏、氧化聚合型防銹防腐蝕膠黏帶和氧化聚合型膠黏劑。防蝕膏具有耐中性鹽霧性（168 h，35 ℃），達(dá)到銹蝕度A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。防蝕帶拉伸強(qiáng)度高、難剝離，具有耐中性鹽霧性和耐老化性。外防護(hù)劑黏度較高，具備耐火性和易干性。

涂層防腐方案底漆附著力強(qiáng)，具有耐熱性和抗滑移性，類型主要有環(huán)氧富鋅底漆、無機(jī)富鋅底漆、冷噴鋅等；中間層漆具有彎曲性和耐沖擊性，附著力較強(qiáng)，類型主要有環(huán)氧云鐵中間漆和環(huán)氧厚漿漆；面漆具有耐磨性、彎曲性和耐沖擊性，硬度和附著力較強(qiáng)，類型主要有脂肪族丙烯酸聚氨酯面漆、氟碳面漆和聚硅氧烷面漆。

密封膠與涂層聯(lián)合防腐方案所用密封膠質(zhì)地較為細(xì)膩，為均勻膏狀物或黏稠體，不應(yīng)有氣泡、結(jié)塊、結(jié)皮或凝膠，無不易分散的析出物。密封膠具備有彈性、易干、粘結(jié)性強(qiáng)、難剝離的特性，按照聚合物種類可分為硅酮、改性硅酮、聚氨酯、聚硫等，按照位移能力可分為12.5、20、25級(jí)別[26]。

對(duì)于螺栓防腐，大黃油和二硫化鉬是常用的油性防腐材料，價(jià)格相對(duì)實(shí)惠。防護(hù)蓋采用聚偏氟乙烯（PVDF）材料，港珠澳大橋?qū)植繀^(qū)域的M30內(nèi)六角螺栓采用了防護(hù)蓋方案進(jìn)行螺栓的加強(qiáng)防腐。

3.3 施工工藝比較

包覆防腐方案共有4道施工工藝，分別是表面處理、涂抹防蝕膏、纏繞防蝕帶和涂刷外防護(hù)劑。表面處理需達(dá)到無明顯鼓泡和浮銹，無需進(jìn)行噴砂除銹，工藝簡單；涂抹防蝕膏用手均勻涂抹，謹(jǐn)防漏涂；纏繞防蝕帶從下往上依次粘貼，每層應(yīng)依次搭接55%左右，將里面空氣壓出，確保緊密貼合；外防護(hù)劑涂刷2次。

涂層防腐方案共有4道施工工藝，分別為表面處理、涂抹底漆、涂抹中間層漆、涂抹面漆。其中，表面處理要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面預(yù)處理、除油、除鹽分、噴砂除銹等，涂抹涂層需要確保均勻一致，不允許有漏涂、氣泡、裂紋、氣孔和返銹現(xiàn)象，允許存在輕微橘皮和局部輕微流掛現(xiàn)象，并隨時(shí)檢查濕膜厚度，以保證干膜厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

密封膠與涂層聯(lián)合防腐方案中，涂層方案施工工藝與常規(guī)涂層方案一致，密封膠防水共有2道施工工藝，分別為表面處理和涂抹密封膠。

油性防腐施工方便，可直接在被保護(hù)螺栓表面涂抹，整體美觀性較差。另外，油性材料屬于可燃材料，存在一定的安全隱患。防護(hù)蓋可批量預(yù)制，施工便捷，整體美觀性更好，但防護(hù)蓋的密封牢固性對(duì)其防腐效果影響顯著，僅適用于尺寸規(guī)格相對(duì)單一的構(gòu)件。實(shí)際工程中，螺栓螺母規(guī)格繁多，螺桿超出螺帽的尺寸千差萬別，防護(hù)蓋尺寸的匹配直接影響其密封性。橫跨杭州灣某大橋護(hù)欄支座采用了油性材料加防護(hù)蓋防腐方案，臺(tái)風(fēng)過后曾發(fā)生大量防護(hù)蓋被吹掉的情況。

3.4 防腐效果比較

包覆防腐方案屬于長效型防腐技術(shù)，正常使用情況下防腐年限在20 a以上。日本某橋梁拉索采用OTC連續(xù)防腐時(shí)間已超過30 a。氧化聚合型包覆防腐技術(shù)從2012年開始在國內(nèi)市場(chǎng)進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，至今，已經(jīng)應(yīng)用在不同領(lǐng)域的30余個(gè)項(xiàng)目中，經(jīng)過后期的腐蝕防護(hù)效果驗(yàn)證，得到了各個(gè)項(xiàng)目業(yè)主的肯定。2012年大連國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)防腐工程，針對(duì)焊接縫、螺栓節(jié)點(diǎn)等常規(guī)防腐技術(shù)防護(hù)薄弱的部位，對(duì)不同防腐技術(shù)進(jìn)行了反復(fù)論證和驗(yàn)證，最終還是采用了可以帶銹施工的OTC包覆技術(shù)。該方案在大連國際會(huì)議中心鋼結(jié)構(gòu)包覆防腐工程（2012年）、青島海灣大橋吊桿防水套包覆防腐工程、天津LNG管廊地腳螺栓包覆防腐工程[27]、文昌衛(wèi)星發(fā)射基地（2015年）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)和局部試點(diǎn)應(yīng)用，經(jīng)過3 a的驗(yàn)證，這項(xiàng)技術(shù)最終獲得業(yè)主的認(rèn)可。2018年和2019年文昌基地陸續(xù)開展了2期工程共計(jì)8個(gè)避雷塔的包覆施工。溫州東歐大橋和舟山官山大橋吊桿防水套包覆防腐工程效果如圖6和圖7所示。杭州灣跨海大橋是世界第二長跨海大橋（36 km），于2008年5月1日通車，通車不到1 a時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水中平臺(tái)下部的剪刀撐部位已出現(xiàn)輕微銹蝕。2012年，通車4 a，再次調(diào)研時(shí)，剪刀撐腐蝕已較為明顯，幾乎所有的剪刀撐上均發(fā)生較為嚴(yán)重的銹蝕。平臺(tái)建成僅使用不到5 a，剪刀撐連接區(qū)、變徑樁焊接區(qū)、螺栓連接區(qū)銹蝕嚴(yán)重，銹層厚度達(dá)1 cm。2013年，針對(duì)上述銹蝕區(qū)域采用了涂層防護(hù)維修方案，維護(hù)后的涂層使用不到5 a又全部失效。2018年針對(duì)剪刀撐連接部位，改變了涂層方案，采用了包覆防腐方案。

圖6 溫州東歐大橋吊桿防水套包覆防腐方案效果

圖7 舟山官山大橋吊桿防水套包覆防腐方案效果

涂層防腐方案在國內(nèi)外橋梁中得到大量應(yīng)用，舟山的2座跨海橋梁鋼結(jié)構(gòu)外表面采用了防腐涂裝體系，建成5 a后，出現(xiàn)了多處防腐涂裝劣化、鋼材腐蝕、螺栓松動(dòng)等腐蝕問題。港珠澳大橋鋼護(hù)欄及其小型鋼構(gòu)件采用氟碳面涂的防腐方案（如圖8所示），其表面抗老化壽命也不超過15 a[28]。

圖8 舟山跨海大橋涂裝防腐方案腐蝕

油性材料防腐方案在夏季會(huì)出現(xiàn)融化流淌現(xiàn)象，1 a左右，油性材料會(huì)變干，需要定期維護(hù)，后期維護(hù)工作量大。由于防護(hù)蓋的密封牢固性不足，防護(hù)蓋方案的時(shí)效存在不確定性。

涂層與密封膠聯(lián)合防腐方案設(shè)計(jì)使用年限一般取決于涂層防腐年限，通常為5～10 a[29]。由于密封膠抗老化性能較差，尤其是構(gòu)件棱角位置，通常使用3～5 a就會(huì)發(fā)生開裂（如圖9所示）。因此，該方案需定期（5～10 a）進(jìn)行再次維護(hù)，以達(dá)到長效的密封效果，間接起到隔離環(huán)境降低腐蝕的防護(hù)需求。橋梁連接螺栓常用腐蝕防護(hù)方案的對(duì)比參見表1。

圖9 某大橋護(hù)欄基座螺栓密封膠防腐方案

表1 橋梁連接螺栓腐蝕防護(hù)常用方案比較

Tab.1 Comparison of common schemes for anticorrosion of bridge connecting bolts

4 結(jié)語

本文分析了橋梁螺栓等異型鋼構(gòu)件的常用防腐方案，通過對(duì)不同方案的防腐材料、施工工藝和防腐時(shí)效等進(jìn)行了綜合經(jīng)濟(jì)比對(duì)。分析結(jié)果表明，氧化聚合包覆防腐新技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，施工便捷，防護(hù)效果優(yōu)良。綜合考慮腐蝕防護(hù)效果及全壽命角度腐蝕防護(hù)費(fèi)用最小的原則，大氣區(qū)橋梁鋼構(gòu)件連接螺栓推薦使用氧化聚合型包覆防腐蝕技術(shù)方案。

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Study on Anticorrosive Technology of Connecting Bolts of Bridge Steel Members in Marine Atmospheric Environment

HE Xiao-yu1, XIA Hong-jie2, XU Xiao-mei3, LI Yu-qian1, HOU Bao-rong4

(1. Zhejiang Institute of Communications CO., Ltd, Hangzhou 310006, China; 2. Shugang Highway Engineering Construction Management Center, Daishan County, Zhejiang Zhoushan 316000, China; 3. Hangzhou Benchuang Technology Co., Ltd., Hangzhou 310006, China; 4. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Shandong Qingdao 266071,China)

In this paper, based on the consideration of the whole life cycle of the bridge, the comprehensive economic comparison and analysis of the anti-corrosion materials, construction technology and anti-corrosion effectiveness of the wrapping anti-corrosion, coating anti-corrosion, sealant and coating combined anti-corrosion and other common anti-corrosion technologies has been studied. The results show that the technology of corrosion protection with oxidation polymerization has the advantages of advanced corrosion resistant materials and controllable construction quality. It is the best corrosion protection plan for connecting bolts of bridge steel members.

Marine Atmospheric Environment; Bridge Steel Member; Connecting Bolt; Corrosion; Corrosion prevention; Oxidation Polymerization Coating Anticorrosive Technology

TG174

A

1672-9242(2023)01-0076-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.011

2021?12?14；

2021-12-14；

2022?02?14

2022-02-14

浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目（2020003）；交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)科技項(xiàng)目（2020-GT-010）

Sources Science and Technology Plan Project of Zhejiang Provincial Department of Transportation (2020003); Transportation Industry Key Technology Project (2020-GT-010)

何曉宇（1981—），女，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樗\(yùn)及海洋工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化、防腐及智慧應(yīng)用等。

HE Xiao-yu (1981-), Female, Doctor, Senior engineer, Research focus: structural optimization of water transportation and offshore engineering corrosion prevention and intelligent application.

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HE Xiao-yu, XIA Hong-jie, XU Xiao-mei, et al.Study on Anticorrosive Technology of Connecting Bolts of Bridge Steel Members in Marine Atmospheric Environment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 076-082.

責(zé)任編輯：劉世忠