钢结构桥梁防腐工艺现状

2021-10-15张宇

内蒙古科技与经济 2021年16期

关键词：钢桥防腐蚀钢材

张宇

(乌兰察布市公路养护中心，内蒙古乌兰察布 012000)

随着公路的迅速发展，钢结构桥梁的应用越来越多，特别是地震多发和强震地区及跨越铁路、高速公路、城市道路时用钢结构桥梁更显其优势，进而使得钢结构防腐问题日益突出。笔者就钢结构桥梁防腐现状及防腐蚀工艺进行介绍。

1 钢桥发展概况

我国的钢产量从2005年的3.5亿t到2020年的10亿多t。十多年间急速增长，库存巨大。这是近十年来我国钢铁行业最典型的写照，所以合理、高效的去库存、去产能已经成为经济发展的重要课题。

为深入落实《国务院关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》，交通运输部也相应发布了《交通运输部关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，要求提升公路桥梁品质和耐久性，降低全寿命周期成本，推进钢结构桥梁建设，促进公路建设转型升级、提质增效。

从数据上来看，法国、日本、美国钢结构桥梁占比分别为85%、41%、35%，我国钢结构桥梁占比不足1%。而我国钢材产量已超过全球产量的1/2，Q345q、Q370q、Q420q等优质高强结构钢得到了广泛的应用，钢材质量已经达到世界先进国家常用桥梁结构钢的要求。同时，近年钢材的价格又大幅度降低，2020年国内钢板价格降到约4 000元/t。另一方面，近年的劳动力成本和砂石料的价格又大幅度的增加，人工成本逐年增长，混凝土桥梁施工所需人员成本比例在逐渐增加，这种背景下，我国已经完全具备推广钢结构桥梁的能力。

混凝土桥梁所需的水泥产生的能量消耗和二氧化碳排放以及砂石料开采均给环境保护带来了很大的压力。中小跨径混凝土桥梁大量采用现浇施工，往往采用混凝土对场地地基进行硬化处理，产生大量的建筑垃圾。城市桥梁现浇混凝土施工对城市交通和环境也产生了许多不利的影响，所以推广钢结构桥梁势在必行。

2 腐蚀环境现状

钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学作用或电化学作用而遭到破坏。钢材锈蚀不仅使截面减小、性能降低甚至报废，而且因产生锈坑会造成应力集中，加速结构破坏。

钢结构的防腐蚀性差，是由其使用的环境所决定的。钢材的腐蚀速度与环境、湿度、温度以及腐蚀介质的存在有关。在常温大气环境下，大气中的水分、氧和其他污染物的作用，使钢材发生电化学腐蚀，即钢材构成原电池的阳极，通过溶解和氧气逐渐变为铁锈，铁锈能够吸收大量水分，致使锈层体积膨胀使腐蚀继续扩展到内部。在高温环境中，钢材会发生化学腐蚀，高温状态下金属和干燥空气接触，表面会生成氯化物、硫化物、氧化物等化合物，形成对钢材的化学腐蚀。

我国幅员辽阔，东西跨越4 000多km，南北跨越5 000多km，既有严寒干旱少雨的内陆沙漠又有湿热多雨的沿海地区，大气腐蚀种类从C1到C5-M都有。大气中的腐蚀介质会对桥梁钢结构产生腐蚀，腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳是使桥梁钢结构退出工作、寿命降低的重要原因之一，给社会造成巨大的经济损失。

钢材腐蚀已成为大型钢结构建筑的最大危害，严重影响其使用安全和寿命。据统计，全世界每90s就有1t的钢铁腐蚀成铁锈，美国高速公路管理局1998年统计，其境内州际和国家级桥梁279 543座，因腐蚀需要维修的桥梁68 466座，腐蚀率24.5%；全球每年因腐蚀损耗的金属达2.3亿t，约占当年钢产量的30%；美国2002年发布的第7次腐蚀损失调查表明，1999年-2001年间美国每年直接腐蚀损失2 760亿美元，约占GDP的3.1%；我国则达到4%，由腐蚀带来的间接损失更难以估算，而高效防腐技术可以使腐蚀损失减少25%～40%，因此钢结构桥梁防腐很有必要。

3 防腐蚀工艺现状

钢结构防腐，通常采取REMAKE金属基自修复系统进行修复。REMAKE具有阻止金属基材电化学腐蚀功效，它能把金属基面的铁锈转化为致密的氧化膜对钢板形成第一道防线。利用活性高的金属元素阳极牺牲保护原理，能阻止基材的进一步氧化，从而形成第二道防线。

在欧洲和北美地区钢桥的防腐发展过程是：20世纪40年代至70年代为油漆防腐；20世纪70年代以后为重防腐涂料防腐，与油漆防腐相比，因其涂层与基体结合力高、生产效率高、养护周期更长而得到广泛应用。

我国钢桥腐蚀到目前为止，仍集中采用刷油漆防腐。新中国成立以来，钢桥防腐技术的变化也主要集中在对油漆的种类进行调整。随着大型钢桥的建设，其防腐问题开始突出，铅系涂装体系的防腐耐久性差和维护费用高昂的缺点日渐显现，而后开发了重防腐涂料，经过对底、中、面漆的配套使用，使钢桥的防腐寿命有较大提高。

目前，国内外大型钢结构防腐蚀主要技术有两种：①重防腐蚀涂料涂层体系，即底漆+中间漆+面漆的三重涂层组成的重防腐蚀涂层体系；②热喷涂复合涂层体系，即电弧喷涂锌、铝或锌铝合金+封闭涂层+面漆的复合涂层体系。二者的综合参数对比见表1。

表1 两种防护体系对比

考虑初始投入，目前国内业主还多用后者，但随着对钢结构全寿命防护技术的不断认识，越来越多的业主已切身感受到高质量复合涂层防护体系的安全、经济和可靠性。

我国的热喷涂腐蚀防护技术研究及应用起步较晚，但进展迅速，尤其是改革开放以来，热喷涂金属涂层及其复合涂层防护技术在煤矿、港口码头、民用大型钢结构建筑、桥梁、高速铁路、大型船舶以及其他大型工业化项目(如石化、电力、海洋)上快速普及应用，取得了优异的社会效益及经济效益。目前我国热喷涂金属涂层及其复合涂层技术与在户外大型工程上的施工应用技术已达到国际先进水平，部分领域的研究及应用技术处于国际领先地位。

随着我国经济建设和国民经济的不断快速发展，各类大型户外钢结构工程设计、施工数量迅速增加，对工程使用寿命、施工保障、安全运行提出了更高要求，如从以前的50年提高到100年，甚至120年；由于人口增长、工业发展等社会发展带来的全球变暖、世界金融危机等环境影响，人类环保及低碳经济发展都要求腐蚀防护技术有飞跃性的发展提升。因此，研究钢结构的腐蚀和防护是一个重大课题，对于延长钢结构的服役寿命、减小灾害性腐蚀破坏、提高经济效益都具有重要的现实意义。

虽然热喷涂技术具有经济性和防护效果好的优势被世界各国广泛应用于钢结构的腐蚀防护，但是由于目前要求对钢结构构件进行长期保护(几十年甚至上百年)，尤其是要求对大型的重要钢结构构件在服役期内免维护或少维护，现有的金属复合涂层技术已逐渐难以满足上述的技术需求，如现有金属涂层孔隙率、涂层与基体的结合强度、耐蚀性等性能指标已经不能满足恶劣的腐蚀环境，迫切需要研究开发新型的可靠的腐蚀防护寿命更长的热喷涂材料。

锌铜钛合金材料具有耐蚀性能好、钝化膜自愈性好、耐蠕变性能好、涂层孔隙率低等特点，同时，在较长时间内涂层仍具有强的耐蚀性，因而能够应用于要求长寿命强耐蚀的大面积钢结构腐蚀防护领域。

针对锌铜钛合金相比其他传统金属涂层材料的优点，以及越来越严峻的腐蚀环境和更严格的钢结构腐蚀要求，现有金属复合涂层技术已逐渐难以满足上述技术需求，而在纯锌中铜、钛的加入，能填补原有基材的相缺陷、细化晶粒，显著降低脆性和易开裂等问题，整个金属涂层体系防腐蚀性能有了质的提升。因此，推动锌铜钛合金作为大面积钢结构防腐金属涂层就更为必要。