淺談鋼橋防腐的研究概況

林 浩

（山西省交通科學(xué)研究院 新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實驗室重交通公路養(yǎng)護(hù)材料協(xié)同創(chuàng)新平臺，山西 太原 030006）

鋼橋在使用中暴露在各種惡劣環(huán)境下，其結(jié)構(gòu)表面與周圍水分、鹽分等腐蝕性介質(zhì)容易發(fā)生化學(xué)及電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，這些腐蝕環(huán)境很容易造成鋼橋銹蝕，最終導(dǎo)致橋梁失去原有的承載能力。大部分橋梁需橫跨江河，常年承受高溫、高濕，金屬的腐蝕極易發(fā)生；南方腐蝕環(huán)境多為酸雨和濕熱，北方的腐蝕環(huán)境多為寒冷和冰鹽，這些都極易造成鋼橋的腐蝕破壞。鋼橋的腐蝕是鋼橋的通病，維修難度高，尤其是跨河、跨海以及溝谷等難以接近的地帶[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，鋼橋的防腐費(fèi)用占鋼橋建設(shè)總費(fèi)用的10%以上，因此研究鋼橋的防腐對鋼橋的服役質(zhì)量和服役壽命至關(guān)重要。

人們一直嘗試各種金屬防腐技術(shù)對鋼橋加以保護(hù)，防止或減緩鋼橋腐蝕的發(fā)生。其中，金屬防腐最有效、最常用的方法是在金屬表面涂刷金屬防腐涂料，用以隔絕金屬基體與腐蝕介質(zhì)。防腐涂料配方組成主要包括基料、溶劑和顏填料。

金屬的腐蝕可以分為干蝕和濕蝕兩種方式，干蝕又稱化學(xué)腐蝕，濕蝕又稱電化學(xué)腐蝕，常見的金屬腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕首先是在金屬表面形成原電池，然后原電池放電，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，原電池的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)。根據(jù)歐姆定律，金屬的腐蝕與金屬表面形成原電池的電流大小有關(guān)；根據(jù)法拉第定律，減少腐蝕電流可以減少金屬的腐蝕速度。金屬表面原電池電流的大小，取決于金屬表面與水、氧氣和電解質(zhì)等因素的隔離程度。金屬防腐涂料通過兩種方式防止金屬腐蝕的發(fā)生，第一種是利用涂膜黏附性質(zhì)來屏蔽腐蝕來源，防止腐蝕源與金屬的接觸，又稱為屏蔽機(jī)理；第二種是涂膜中添加活性物質(zhì)防止金屬表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，又稱為電化學(xué)保護(hù)機(jī)理。

1 屏蔽作用防腐涂料的研究概況

屏蔽作用中，根據(jù)成膜物質(zhì)種類可以將金屬防腐涂料分為聚氨酯金屬防腐涂料、環(huán)氧樹脂金屬防腐涂料、酚醛樹脂金屬防腐涂料、有機(jī)氟金屬防腐涂料等。

聚氨酯樹脂防腐涂料是以聚氨酯樹脂為成膜物質(zhì)的涂料，成膜后，涂層色澤鮮艷、光滑平整、堅硬而柔韌，有很好的耐酸堿、耐油性，且保色保光性好。其缺點是使用之前必須現(xiàn)用現(xiàn)配，儲存時間不宜過長，潮濕環(huán)境使用效果不好，毒性和刺激性較大。

環(huán)氧樹脂金屬防腐涂料是以環(huán)氧樹脂為成膜物質(zhì)的一類金屬防腐涂料。環(huán)氧樹脂金屬防腐涂料優(yōu)點是涂層堅硬，具有優(yōu)良的耐磨性、耐水性、耐腐蝕性、耐熱性、柔韌性和物理機(jī)械性能。不僅如此，環(huán)氧樹脂金屬防腐涂料最突出的優(yōu)點是電絕緣性和金屬附著力。環(huán)氧樹脂金屬防腐涂料因其優(yōu)異的固化性能和施工方便等特點而被廣泛應(yīng)用。其缺點是紫外線條件下易老化、室外使用龜裂和粉化現(xiàn)象嚴(yán)重。

酚醛樹脂防腐涂料的主要成膜物質(zhì)是酚醛樹脂或者改性酚醛樹脂。其優(yōu)點是耐高溫、成膜快、施工簡單、涂層強(qiáng)度高、光澤好、具有良好的電絕緣性和防腐性。其缺點是涂層容易泛黃、機(jī)械性能和耐水性差[4]。

石墨烯在金屬的防腐領(lǐng)域具有非常大的應(yīng)用潛力。石墨烯穩(wěn)定的sp2雜化結(jié)構(gòu)能在金屬材料與活性化學(xué)介質(zhì)間形成阻隔層，阻止擴(kuò)散和滲透作用。石墨烯作為金屬防腐涂層具有好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、涂層薄、強(qiáng)度高和摩擦性能好等優(yōu)點。其缺點是施工難度大以及大規(guī)模生產(chǎn)難以實現(xiàn)等[5]。

2 電化學(xué)保護(hù)作用防腐涂料的研究概況

聚苯胺作為新型的金屬防腐涂料，具有很多優(yōu)點。其最主要的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)多樣化，實驗發(fā)現(xiàn)聚苯胺不同的氧化態(tài)、還原態(tài)，具有不同的結(jié)構(gòu)、顏色和電導(dǎo)率。另外聚苯胺具有優(yōu)異的電化學(xué)性能、光化學(xué)性能、環(huán)境穩(wěn)定性和獨特的摻雜機(jī)制，不僅如此，聚苯胺金屬防腐涂料具有獨特的抗點蝕和抗劃傷等優(yōu)點。其主要缺點是不溶不熔、對金屬的黏結(jié)性差、不易施工和大規(guī)模生產(chǎn)困難等。聚苯胺金屬防腐涂料的作用機(jī)理是由于特殊結(jié)構(gòu)的聚苯胺導(dǎo)致金屬表面形成一種致密的氧化膜，金屬表面劃傷后很快又會形成氧化膜，而且，把聚苯胺涂覆在金屬一個側(cè)面時，金屬的另一個側(cè)面同樣形成一層氧化膜，而起到防腐效果，這也很好地解釋了聚苯胺金屬防腐涂料具有良好的抗劃傷、抗孔蝕等優(yōu)點[6]。研究發(fā)現(xiàn)，金屬基體/聚苯胺防腐涂料界面能夠產(chǎn)生一種特殊的電場，這個電場能夠阻礙電子從金屬表面向氧化介質(zhì)傳遞，從而防止金屬基體的腐蝕作用。

目前，人們研究出一種以氧化鐵紅、氧化鋅和磷酸鋅為主要防銹填料，以聚合物乳液為基料的水性金屬防腐涂料。該涂料具有干燥快、防腐效果好、生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)效率高、揮發(fā)物少、不燃燒、氣味低和環(huán)境友好等優(yōu)點。其缺點是不適用于水下和極端潮濕環(huán)境的金屬防腐。該涂料的作用機(jī)理是，涂層中含有大量鈍化作用和緩蝕作用的防銹填料，能夠產(chǎn)生新的防銹薄膜。這些防銹薄膜的電極電位較高，使金屬表面避免成為原電池陽極的可能性；不僅如此，該防銹薄膜上存在的微孔，增加成膜物質(zhì)的附著力，可以有效阻止銹蝕在膜破壞處向外擴(kuò)展。當(dāng)有少量水存在時，填料就會從涂層中解離出來緩蝕功能的離子，通過緩蝕功能抑制金屬基體的腐蝕速度[7]。

3 預(yù)測金屬防腐的發(fā)展趨勢

3.1 水性金屬防腐涂料的發(fā)展

傳統(tǒng)的金屬防腐涂料由于大量使用有機(jī)溶劑，導(dǎo)致生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生大量有害廢溶劑、廢氣，更嚴(yán)重的是，涂層干燥后還會釋放有害的揮發(fā)性有機(jī)物，不僅污染環(huán)境，而且影響施工人員和使用人員的身體健康。隨著人們環(huán)保意識的提高，高性能水性金屬防腐涂料越來越受到人們的重視，水性金屬防腐涂料用于取代傳統(tǒng)的溶劑型防腐涂料，水性金屬防腐涂料以水作為溶劑，以其無公害、低污染、環(huán)保和安全的優(yōu)越性，很快被金屬防腐涂料市場所認(rèn)可。

3.2 高固含量金屬防腐涂料的發(fā)展

固含量高的金屬防腐涂料同樣也是未來金屬防腐涂料的發(fā)展趨勢，一般防腐涂料的揮發(fā)份在40%左右，這些揮發(fā)份大部分是有機(jī)溶劑，其揮發(fā)到大氣中，污染環(huán)境，影響施工者和使用者的身體健康，更重要的是會對涂料本身造成缺陷，大幅度降低防腐效果。目前國外已經(jīng)研制出固含量在90%以上的防腐涂料，該涂料具有優(yōu)異的防腐性能，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中取得大規(guī)模應(yīng)用，尤其是在水電工業(yè)上應(yīng)用，已經(jīng)取得了十分理想的效果。

3.3 金屬材料在特定結(jié)構(gòu)中的替代產(chǎn)品

實際調(diào)查顯示，各類金屬防腐涂料在使用過程中都表現(xiàn)出不同程度的局限性，有效防腐時間短等問題。

本課題組實驗研究了碳纖維復(fù)合材料的各項力學(xué)性能，還研究了在光照、陰冷、水環(huán)境、堿環(huán)境和酸環(huán)境中碳纖維板材的老化問題，這些環(huán)境中碳纖維板材表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗老化性能。針對碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能和抗老化性能的優(yōu)點，提出金屬材料在極易發(fā)生腐蝕的的極端環(huán)境，用碳纖維復(fù)合材料替代部分金屬材料的想法。人們亟須解決的科學(xué)難題是碳纖維復(fù)合材料的錨固技術(shù)，到目前為止，碳纖維復(fù)合材料的錨固技術(shù)已經(jīng)有所突破，錨固性能不斷提高。所以，在鋼橋服役的極端惡劣環(huán)境中嘗試碳纖維復(fù)合材料和金屬材料配套使用，不僅可以提高鋼橋的整體使用壽命，減少鋼橋的維修成本，而且還可以提高交通運(yùn)輸?shù)臅惩ㄐ?、舒適性和安全性。