鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層鹽霧試驗(yàn)對(duì)比與研究

張 澄 余 滿

（江蘇寧滬高速公路股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

滬寧高速公路無(wú)錫段有3 座鋼桁架橋梁，2006年通車以來(lái)，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，運(yùn)行良好。但隨著時(shí)間的推移，各種病害多發(fā)，尤其是鋼結(jié)構(gòu)表面開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的銹蝕，需要采取針對(duì)性措施來(lái)延長(zhǎng)橋梁使用壽命。如何在各類橋梁涂裝修復(fù)工藝中選擇科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的工藝尤為重要。該文試驗(yàn)依托滬寧高速3 座鋼桁架橋涂層養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目，對(duì)比不同工藝情況下的涂層鹽霧促進(jìn)腐蝕試驗(yàn)，找出最適合的方案，為3 座橋的涂層養(yǎng)護(hù)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 滬寧高速鋼桁架橋基本情況

滬寧高速無(wú)錫段的3 座鋼桁架橋結(jié)構(gòu)均為下承式鋼桁架橋，僅跨度不同，橋梁主體結(jié)構(gòu)由主桁、橫向聯(lián)結(jié)系、橋面聯(lián)結(jié)系以及橋面組成。

目前，隨著車流量的快速增長(zhǎng)，無(wú)錫段3 座鋼桁架橋梁主橋鋼結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)點(diǎn)狀銹蝕及原涂層老化現(xiàn)象，其中上平縱聯(lián)出現(xiàn)較大面積的剝落、起泡和粉化等病害，有些部位涂層已經(jīng)嚴(yán)重失效，還出現(xiàn)了較嚴(yán)重的鋼板腐蝕，影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全性。在3 座橋中，新興塘大橋的情況最典型，其典型病害如圖1所示。

圖1 典型病害

1.2 國(guó)、內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)主要涂裝工藝選取

目前，國(guó)內(nèi)、外鋼結(jié)構(gòu)涂裝工藝較多，課題組經(jīng)過(guò)充分調(diào)研，結(jié)合《鐵路鋼橋保護(hù)涂裝及涂料供貨技術(shù)條件》[1]、《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》[2]、《公路交通工程鋼構(gòu)件防腐技術(shù)條件》[3]等規(guī)范分別確定了鐵路第7 涂裝體系（無(wú)錫段3 座鋼橋已采用該體系，下稱現(xiàn)有橋梁）、公路規(guī)范體系（C4 級(jí)）、冷噴鋅單層和冷噴鋅三層4 種涂層體系。

底層處理工藝中主要有噴砂除銹和手工除銹2 種，此次依托的3 座鋼桁架橋高強(qiáng)螺栓腐蝕的情況也比較嚴(yán)重，因此該文在對(duì)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行噴砂處理和手工處理的基礎(chǔ)上，也分別采用上述4 種涂層體系方案，以同步檢驗(yàn)、比較各方案對(duì)高強(qiáng)螺栓的防腐效果。

1.3 鹽霧試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)儀器

該文主要試驗(yàn)儀器設(shè)備包括鹽霧環(huán)境試驗(yàn)箱、數(shù)碼相機(jī)、膜厚儀（記錄表）、噴砂設(shè)備、手工拋光機(jī)、試驗(yàn)鋼板、干燥器、掃描儀、汽油、軟毛刷以及格子板（腐蝕面積）等。

1.3.2 試件制備

該文選取滬寧路鋼桁架橋采用的Q370qd 鋼材，所選鋼板尺寸為150mm×70mm×3mm，數(shù)量為50 塊。

高強(qiáng)螺栓部位也選用Q370qd 鋼材，所選鋼板尺寸為150mm×70mm×（24～30）mm，數(shù)量為8 塊，M24 高強(qiáng)螺栓24 個(gè)。

鋼板應(yīng)無(wú)劃痕，有輕微銹蝕，鋼板銹蝕等級(jí)在《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》（GB8923—1988）[4]規(guī)定的B 級(jí)（已發(fā)生銹蝕，并且部分氧化皮已經(jīng)剝落的鋼材表面）、C 級(jí)（氧化皮已因銹蝕而剝落，或者可以刮除，并且有少量點(diǎn)蝕的鋼材表面）之前，具體如圖2所示。

圖2 《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》（GB8923—1988）鋼板分級(jí)示意圖

1.3.3 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)將涂過(guò)漆的試板曝露于中性鹽霧中，評(píng)定鹽霧曝露的結(jié)果。該文試驗(yàn)使用的鹽霧試驗(yàn)箱如圖3所示，主要包括鹽霧箱、恒溫控制元件、噴霧裝置和噴霧收集裝置等。試驗(yàn)溶液配方參照《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測(cè)定》（GBT1771—2007）[5]，是—種模擬工業(yè)海洋大氣腐蝕的快速試驗(yàn)方法，鋼板所處的鹽霧環(huán)境氯化物鹽濃度比較高。另外，在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)隨時(shí)監(jiān)控腐蝕環(huán)境分濕度、溫度以及鹽霧濃度的變化，所有鋼板試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，以保證鋼板試樣處于相同的腐蝕環(huán)境下。鹽霧環(huán)境具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鹽霧環(huán)境具體參數(shù)

圖3 鹽霧環(huán)境試驗(yàn)箱

1.3.4 試驗(yàn)經(jīng)過(guò)

鹽霧試驗(yàn)周期歷時(shí)3 個(gè)月。間隔100h 肉眼觀測(cè)鋼板腐蝕形貌變化。每隔200h，用數(shù)碼相機(jī)采集試件漆膜的外觀腐蝕形貌圖片。鹽霧試驗(yàn)干膜厚度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，誤差在25μm 以內(nèi)。

表2 初始干膜厚度測(cè)試結(jié)果

鹽霧試驗(yàn)鋼板表面進(jìn)行十字交叉劃痕處理，隨著老化的進(jìn)—步加強(qiáng)，涂層開(kāi)始出現(xiàn)起泡、生銹等—系列老化特征。根據(jù)《色漆和清漆涂層老化的評(píng)級(jí)方法》（GBT1766—2008）[6]評(píng)價(jià)試板的破壞變化程度。

1.3.5 試驗(yàn)結(jié)果

1.3.5.1 4種防腐涂裝體系下的鋼板鹽霧試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如下。

第一，無(wú)錫段鋼橋涂裝體系鹽霧試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)2000h 的鹽霧試驗(yàn)，該涂裝體系（噴砂）2 塊板劃線處出現(xiàn)了中等程度的銹蝕，另外—塊輕微銹蝕。該涂裝體系（手工）板腐蝕面積擴(kuò)大，—塊板出現(xiàn)了較大程度的銹蝕，另外2 塊出現(xiàn)輕微銹蝕。說(shuō)明噴砂處理試板比手工處理試板耐鹽霧性效果更好。

第二，公路規(guī)范體系鹽霧試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)2000h 的鹽霧試驗(yàn)，公路規(guī)范體系（噴砂）—塊板劃線處出現(xiàn)中等程度銹蝕，另外2 塊無(wú)明顯變化。公路規(guī)范體系（手工）—塊板出現(xiàn)輕微銹蝕，另外2 塊無(wú)明顯變化。同樣說(shuō)明噴砂處理試板比手工處理試板耐鹽霧性整體效果更好。

第三，冷噴鋅單層鹽霧試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)2000h 的鹽霧試驗(yàn)，冷噴鋅單層（噴砂）表面出現(xiàn)中等程度鋅鹽，劃線處無(wú)明顯變化。冷噴鋅單層（手工）表面鋅鹽增多，劃線處無(wú)銹蝕，第三塊樣板表面出現(xiàn)幾處銹點(diǎn)。說(shuō)明噴砂處理試板與手工處理試板耐鹽霧性整體效果相當(dāng)。

第四，冷噴鋅三層體系鹽霧試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)2000h 的鹽霧促進(jìn)試驗(yàn)后，不同的體系表現(xiàn)不同。該文試驗(yàn)中，某橋涂裝體系破壞程度最嚴(yán)重，其次為公路規(guī)范體系與冷噴鋅單層，冷噴鋅三層體系耐腐蝕性最佳。說(shuō)明手工打磨表面處理的試板與噴砂處理相比防腐效果相當(dāng)。

1.3.5.2 4種防腐涂裝體系下的螺栓鹽霧試驗(yàn)

螺栓鹽霧試驗(yàn)記錄表見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)2000h 的鹽霧試驗(yàn)，由表3 可知，無(wú)錫段鋼橋涂裝體系產(chǎn)生了較少的鼓泡，公路規(guī)范體系則出現(xiàn)了較多的起泡，并且其中—個(gè)螺栓頭部出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕。冷噴鋅單層出現(xiàn)了中等數(shù)量的鋅鹽，但螺栓及試板均無(wú)變化，表現(xiàn)良好。冷噴鋅三層體系涂裝的螺栓無(wú)任何變化。同時(shí)，每個(gè)螺栓的螺桿部位的銹蝕情況比螺帽部位嚴(yán)重，說(shuō)明螺桿部位比螺帽更易發(fā)生銹蝕。整體來(lái)看，公路規(guī)范體系防腐性能表現(xiàn)較差，單層冷噴鋅與無(wú)錫段鋼橋涂裝體系表現(xiàn)較好，冷噴鋅三層體系涂裝的螺栓具有最優(yōu)異的防腐性能。

表3 螺栓鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

1.4 試驗(yàn)結(jié)論

從對(duì)依托工程的鋼桁架涂裝體系、公路規(guī)范體系（C4級(jí)）、冷噴鋅單層以及冷噴鋅三層4 種涂層的基本性能對(duì)比試驗(yàn)可以看出，雖然冷噴鋅三層防腐體系中的面漆出現(xiàn)了一些病害，但是結(jié)合冷噴鋅單層的防腐效果，冷噴鋅三層防腐的效果是4 種防腐體系中最好的，在施工成本和涂裝效果方面優(yōu)勢(shì)顯著。

2 結(jié)果與討論

鋼結(jié)構(gòu)橋梁所在的環(huán)境、氣候條件和腐蝕環(huán)境千差萬(wàn)別，這些不同的大氣環(huán)境使橋梁遭受的腐蝕情況又各不相同，因此大氣環(huán)境的各種因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的腐蝕狀態(tài)影響較大。該文選取橋梁防腐涂層中常用的典型涂層體系，通過(guò)設(shè)計(jì)鹽霧促進(jìn)試驗(yàn)和紫外光老化試驗(yàn)觀察光照和鹽分對(duì)涂層的影響，并對(duì)這幾種涂層體系的耐腐蝕性能進(jìn)行對(duì)比和分析，得出如下結(jié)論。

第一，在鋼材的鹽霧試驗(yàn)中，無(wú)錫段鋼橋涂裝體系劃線處銹蝕最多，破壞程度最嚴(yán)重，其次為公路規(guī)范體系與冷噴鋅單層，冷噴鋅三層體系具有較優(yōu)異的耐鹽霧性能，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后完好度最佳。經(jīng)過(guò)噴砂處理的試板耐鹽霧效果與手工處理效果相當(dāng)。

第二，在螺栓的鹽霧試驗(yàn)中，公路規(guī)范體系防腐性能表現(xiàn)較差，單層冷噴鋅與無(wú)錫段鋼橋涂裝體系表現(xiàn)較好，冷噴鋅三層體系涂裝的螺栓具有最優(yōu)異的防腐性能。

第三，無(wú)錫段3 座鋼桁架橋梁原設(shè)計(jì)采用了鐵路第7 涂裝體系，在制造工廠內(nèi)進(jìn)行涂裝后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)拼裝。為避免涂層不一致，在目前的日常維護(hù)中，鋼結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)涂裝仍采用原涂裝方案，如需要大范圍的全橋涂裝，可優(yōu)先考慮采用冷噴鋅三層工藝，效果會(huì)更好。

3 結(jié)語(yǔ)

鋼桁架橋梁以其承載力大、自重輕、工期短和外形美觀等優(yōu)勢(shì)，在公路和鐵路建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，但在運(yùn)營(yíng)期間易受外界環(huán)境的影響，長(zhǎng)期雨水侵蝕會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)銹蝕甚至斷裂，嚴(yán)重影響鋼桁架結(jié)構(gòu)橋梁的安全性和耐久性。同時(shí)在鋼橋整個(gè)使用壽命中需要一直進(jìn)行防腐涂層的保養(yǎng)與維護(hù)，該過(guò)程往往對(duì)交通干擾較大，維護(hù)成本也較高，一定程度上降低了道路橋梁使用品質(zhì)。該文對(duì)4 種常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)涂裝體系在相同鹽霧試驗(yàn)條件下的防腐效果進(jìn)行研究，提出了一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)合理的防腐體系，為國(guó)內(nèi)其他同類公路鋼桁架橋的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)與維修提供了有益的參考和借鑒，具有十分重要的實(shí)踐意義。