波形鋼腹板防腐蝕涂裝技術

肖俊

中鐵二十三局集團第三工程有限公司 四川攀枝花 617068

1 概述

波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋（以下簡稱波形鋼腹板PC 組合箱梁橋）是一種經(jīng)濟、高效、施工簡便的新型橋梁形式。自從1988 年ACSI 協(xié)會將波形鋼腹板PC 組合箱梁作為橋梁結(jié)構(gòu)進行介紹后，世界各國均圍繞這一新的組合結(jié)構(gòu)進行研究。波形鋼腹板箱梁恰當?shù)貙?、混凝土兩種不同材料結(jié)合起來，提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強度及材料的使用效率，其諸多優(yōu)越性。波形鋼腹板PC 組合箱梁用波形鋼板置換預應力混凝土箱梁的混凝土腹板，使箱梁成為由鋼筋混凝土和波形鋼腹板組成的組合結(jié)構(gòu)。其最顯著的特點是用厚10mm 左右的波形鋼板取代厚300-800mm 的混凝土腹板。近年來在國內(nèi)發(fā)展迅速，在認識到該類橋梁的諸多優(yōu)越性的同時，工程建設人員亦關注波形鋼腹板結(jié)構(gòu)耐久性，其尤以波形鋼腹板的防腐蝕性能方面的研究，隨著鋼結(jié)構(gòu)防腐技術的發(fā)展，波形鋼腹板防腐耐久性亦獲得解決，本文對波形鋼腹板防腐蝕技術發(fā)展以及與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術區(qū)別進行分析研討。

2 橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕工藝現(xiàn)狀

鋼鐵具有優(yōu)越的機械性能，且其性能可長時間保持穩(wěn)定，所以工業(yè)用的各種機械等都采用鋼鐵作為主材料。同樣在交通領域，鋼橋等大型鋼結(jié)構(gòu)具有跨越能力大、強度高、建設速度快、施工期限短等特點。特別是近年來，隨著國家基礎設施建設速度的加快，大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁不斷涌現(xiàn)。修建一座跨江或跨海的特大型鋼橋，使用鋼材的數(shù)量一般都在萬t 甚至10 萬t 以上。但是鋼鐵材料在工業(yè)大氣中的暴露，與海水江水的接觸必會導致表面的腐蝕。而腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞是使這種特大鋼橋構(gòu)件退出工作、壽命降低的重要原因之一。橋梁鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護日漸成為人們關注的課題。只有在設計建造的同時，進行卓有成效的防腐，才能確保鋼橋的長久壽命[1]。

2.1 國外防腐蝕技術現(xiàn)狀

顯然，要使鋼鐵材料在所處的各種環(huán)境中能保持長時間的穩(wěn)定和工作壽命，必須對鋼結(jié)構(gòu)材料表面進行各種防腐處理。歐美國家鋼結(jié)構(gòu)的防腐技術發(fā)展始子20 世紀初，起初主要為油漆防腐和重防腐涂料防腐。隨后熱浸鋅防腐、火焰噴涂防腐、電弧噴涂防腐相繼出現(xiàn)。英國是應用熱噴涂防腐技術最早的國家之一。在1939 年首次采用熱噴涂鋅涂層方法保護新建的威爾士Menai 海峽大橋的鋼鏈和部分鋼結(jié)構(gòu)。噴涂的鋅涂層厚度為0．125mm，油漆封孔。15 年后檢查鋅涂層基本完好，鋼鐵基體被很好地保護，無需任何維修。熱噴涂技術初期大多為噴涂鋅，現(xiàn)在電弧噴涂鋁日漸成為防腐發(fā)展的趨勢。對環(huán)境污染嚴重的含重金屬涂裝底漆和大量有機揮發(fā)物的重防腐涂料不再使用。

2.2 國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術發(fā)展

九十年代伊始，我國開始采用熱噴涂技術的應用，熱噴涂技術是利用熱源對金屬、非金屬、陶瓷等噴涂材料進行加熱，將熔融的粒子霧化、噴射并沉積到基材表面上，形成特殊表面涂層的方法噴涂使用的熱源主要有三種：一是電弧熱源；二是等離子熱源；三是燃氣熱源。并由此把熱噴涂分為電弧噴涂、等離子噴涂和火焰噴涂，用于防腐領域的主要有火焰噴涂和電弧噴涂近年來，熱噴涂防腐技術在我國得到推廣應用，如：葛洲壩二期工程、黃河龍羊峽水電站工程；南京長江大橋、運河大橋部分鋼結(jié)構(gòu)采用了噴鋅或噴鋁防腐工藝。熱噴涂技術與其他防腐工藝相比，金屬表面前期處理工藝基本相同，熱噴涂表面處理要求略高。采用火焰線材或電弧線材對鋼鐵噴涂鋅或鋁，再對涂層加以封孔處理后，在一般腐蝕環(huán)境下涂層有效期可達30 年以上，較一般油漆防腐涂層壽命長5-10 倍。實用效果表明，采用熱噴涂鋅及鋁進行金屬表面多種環(huán)境下的防腐效果是顯著的。與熱浸鍍鋅工藝相比較，鋼結(jié)構(gòu)表面防腐采用熱噴涂技術具有以下特點：不受熱浸槽本身尺寸的限制，設計方便靈活，施工也更為方便；被噴涂工件不變形，確保了工件的自身精度和安裝精度；熱浸鍍鋅工件會產(chǎn)生相應的變形，其校正工作困難，甚至會使工件報廢；熱噴涂層厚度均勻可控；熱浸鍍鋅的鍍層厚度不勻；噴涂與基材結(jié)合力好；熱浸鍍鋅工藝因酸洗和中和不凈等原因會造成鍍層翹皮或漏鍍現(xiàn)象；噴涂在有條件的地方可以現(xiàn)場施工，減少了構(gòu)件運輸中造成的損傷，且節(jié)約了時間與費用。熱 噴涂 技 術使用設備較多，工藝要求嚴，工程造價高，但按防腐壽命平均25 年計算，防腐壽命內(nèi)循環(huán)費用遠低于其他防腐方法的費用。而且熱噴涂工藝對環(huán)境污染小，是一種環(huán)保型產(chǎn)業(yè)。隨著熱噴涂工藝成本的降低，熱噴涂技術正逐漸被更多的人接受[2]。

圖1 通用重防腐涂裝體系構(gòu)成

3 波形鋼腹板的防腐蝕工藝現(xiàn)狀

波形鋼腹板PC 組合箱梁橋在國內(nèi)應用較晚，此時橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐技術已得到長足的進步，一般波形鋼腹板的防腐涂裝體系可根據(jù)《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術條件》（JT/T722-2008）進行設計。一般工程師設計時根據(jù)波形鋼腹板在箱梁的位置，分別進行內(nèi)表面、外表面、摩擦面的涂裝設計。但因為波形鋼腹板PC 箱梁內(nèi)部都不是封閉環(huán)境，可配套規(guī)范中S14、S15 的涂裝體系。

我國波形鋼腹板的防腐涂裝體系廣泛采用了金屬熱噴涂與有機涂層的復合重防腐體系，體系結(jié)構(gòu)見下圖防腐體系，它可使波形鋼腹板得到20 年以上的長效防腐效果。

波形鋼腹板的涂裝體系主要采用重防腐涂裝體系，即由底漆（噴鋁、有機富鋅、無機富鋅、水性富鋅）+中間漆（高固體分環(huán)氧云鐵、環(huán)氧厚漿涂料）+面漆構(gòu)成的重防腐涂料體系。富鋅（鋁）底漆對鋼鐵起到陰極保護作用和屏蔽作用，當中間漆和面漆完全失效后，腐蝕介質(zhì)作用于富鋅（鋁）涂層，使富鋅（鋁）涂層以一定的腐蝕速率被腐蝕消耗。中間漆和面漆是增加一定的涂層厚度，對鋼鐵起屏蔽作用和對富鋅（鋁）起封閉作用，推遲或阻止富鋅（鋁）涂層及鋼鐵的腐蝕過早發(fā)生[3]。

4 波形鋼腹板的防腐蝕區(qū)域分類

如前述第2 節(jié)所述，波形鋼腹板的防腐涂裝設計可根據(jù)《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術條件》（JT/T722-2008）進行設計，分別進行內(nèi)表面、外表面、摩擦面的涂裝設計。但區(qū)別于一般橋梁鋼結(jié)構(gòu)，波形鋼腹板應用于波形鋼腹板PC 組合箱梁橋，其涂裝區(qū)域包括有①鋼腹板-砼接觸面、②外表面、③內(nèi)表面、④螺栓連接摩擦面/焊接區(qū)域搭接面。尤其以螺栓連接摩擦面/焊接區(qū)域搭接面的涂裝在設計過程中容易混淆。因鋼腹板多采用搭接連接，其利用螺栓進行臨時連接固定，固定后采用焊接進行連接。因此焊接區(qū)域的涂裝體系容易按照螺栓連接區(qū)域涂裝體系設計。

5 波形鋼腹板涂裝設計

5.1 砼接觸面涂裝設計

在現(xiàn)有波形鋼腹板PC 橋建設工程案例中，均未對砼接觸面進行防腐涂裝設計，但一般鋼結(jié)構(gòu)加工處于工廠中進行，其生產(chǎn)周期至橋梁施工安裝過程中，一般有三個月以上的周期，期間由于鋼板表面裸露在大氣中，可能受雨水傾浸而導致銹蝕，如若直接埋入混凝土中，與混凝土貼合不密實，其腐蝕會在混凝土中進一步加劇，根據(jù)《鐵路鋼橋設計規(guī)范》規(guī)范，一般對砼接觸面做短暫性防護，防護體系采用無機硅酸鋅底漆或環(huán)氧富鋅底漆25-40um 左右，亦稱之為車間底漆，其可以短暫保護鋼板不受大氣環(huán)境影響銹蝕，亦可以提高鋼板表面與混凝土的摩擦系數(shù)，涂料使鋼板表面的摩擦系數(shù)不低于0．45，提高結(jié)合力[4]。

5.2 波形鋼腹板內(nèi)、外表面

鋼腹板內(nèi)、外表面涂裝可以參照《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術條件》（JT/T722-2008）進行設計。

唯應注意的是，區(qū)別于傳統(tǒng)鋼箱梁橋，波形鋼腹板箱梁的內(nèi)部都不是封閉環(huán)境，且一般均未配置抽濕機，所以通常采用配套號S14、S15 的涂裝體系。

5.3 高強度螺栓連接區(qū)域涂裝

根據(jù)設計構(gòu)造不同，螺栓連接摩擦面可按照《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)保護涂裝》（TB/T1527-2004）進行設計，多采用無機硅酸鋅涂料進行涂裝。

需要注意的是，有時設計者考慮高強螺栓連接+鐵角焊縫連接，此時，涂裝面則需要按照搭接連接區(qū)域涂裝進行設計。

5.4 搭接連接區(qū)域涂裝

搭接面涂裝，由于其采用搭接焊縫焊接連接，焊接過程中，原有涂層體系較厚會對焊縫質(zhì)量造成影響，因此一般在工廠加工制作中，僅采用車間底漆做短暫性防護。

如果工廠制作后距離現(xiàn)場施工時間較短，亦可采用密封貼條進行覆蓋處理。施焊前需要對表面進行清理，防止工廠涂裝涂料對焊縫質(zhì)量造成影響。

焊縫周圍約15cm 的涂料均會由于焊接熱量受損，熱影響區(qū)外表面可以做修復性涂裝，但是熱影響區(qū)內(nèi)表面則無法再行進行涂裝，故而需要注意的是一定要對焊縫進行四周圍焊，避免大氣、雨水侵蝕到焊縫熱影響區(qū)內(nèi)表面，造成內(nèi)部銹蝕。

5.5 工地搭接焊接區(qū)域修復性涂裝

焊接及焊接檢測完成后，對涂裝區(qū)域進行修復。涂裝修復寬度需根據(jù)焊縫熱影響區(qū)進行控制，一般控制在焊縫中心線兩側(cè)各15cm。

涂裝體系可根據(jù)《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術條件》（JT/T722-2008）的第4．3．2．3．4 條進行采用。6．波形鋼腹板防腐涂裝優(yōu)越性以及后期維護管養(yǎng)誤區(qū)與建議

6 波形鋼腹板防腐涂裝的優(yōu)越性

波形鋼腹板在做整體防腐處理過程中，其較傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于鋼腹板表面無死角部位，整個波形鋼腹板處于面單元形狀，在進行防腐前處理時較傳統(tǒng)鋼箱梁具有無法比擬的優(yōu)勢。主要表現(xiàn)在鋼箱梁為箱體構(gòu)造，無法對整體表面進行機械自動化噴射除銹，僅能采用人工噴砂除銹，其表面處理難以達到Sa3．0 級，而波形鋼腹板由于為面單元，可以整體進入拋丸除銹機，全方位清理除銹，表面容易實現(xiàn)Sa3．0 級，并由于機械噴砂彈丸速率遠遠高于人工噴砂方式，其粗糙度效果均勻一致并按照配比實現(xiàn)粗糙度要求，提高涂料與鋼板表面附著力。

但需要注意的是，在進行整體防腐涂裝前，防腐前處理至關重要，需要超大型拋丸除銹機，目前波形鋼腹板加工單位需要注意鋼腹板構(gòu)件較大的這一問題。如果處理不好，如采用分段拋丸除銹后進行焊接組裝，焊接區(qū)域的防腐前處理質(zhì)量則堪憂，勢必為整體的防腐前處理留下瑕疵，影響全橋鋼結(jié)構(gòu)耐久性。

6.1 涂裝體系的等級選擇

在配套進行鋼腹板表面涂裝體系設計時，需要根據(jù)當?shù)卮髿猸h(huán)境資料進行配套選擇，許多設計工程師易于直接選擇高等級防腐涂裝體系，而未考慮到橋梁建設工程大氣腐蝕環(huán)境等級，這容易造成過多不必要的浪費。尤其體現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)部分橋梁采用耐候鋼建設的橋梁仍采用重防腐涂裝進行表面處理，一方面耐候鋼耐大氣腐蝕的優(yōu)越性完全喪失，耐候鋼在節(jié)省涂裝費用的價值沒有得到體現(xiàn)。

6.2 鋼結(jié)構(gòu)防腐體系的檢測與維護

現(xiàn)行ISO12944 對鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系功能進行了說明，關于面漆采用不同的涂料，其主要功能是保護底層涂料，而面漆在不同的大氣環(huán)境下，隨著時間推移，逐年耗散，并不是傳統(tǒng)的設計認為防腐體系損壞時，整個涂裝體系均損傷，如聚氨酯面漆在海洋大氣環(huán)境下，也僅僅每年耗散3-5um。

因此在鋼結(jié)構(gòu)管養(yǎng)過程中，需要對鋼結(jié)構(gòu)進行檢測，進行涂層劣化評定，評定方法依據(jù)ISO4628。根據(jù)漆膜劣化情況，選擇合適的維修或重涂方式。

維修涂裝要求如下：

（a）當面漆出現(xiàn)3 級以上粉化，且粉化減薄的厚度大于初始厚度的50%，或由于景觀要求時，徹底清潔面涂層后，涂裝與原涂層相容的配套面漆（1-2）道；

（b）當涂膜處于（2-3）級開裂，或（2-3）級剝落，或（2-3）級起泡，但底涂層完好時，選擇相應的中間漆、面漆，進行維修涂裝；

（c）當涂膜發(fā)生Ri2-Ri3 銹蝕時，徹底清潔表面，涂裝相應中間漆、面漆。重新涂裝

重新涂裝要求如下：

（a）當涂膜發(fā)生Ri3 以上銹蝕時，徹底的表面處理后涂裝相應配套涂層；

（b）當涂膜處于3 級以上開裂，或3 級以上剝落，或3 級以上起泡時，如果損壞貫穿整個涂層，應進行徹底的表面處理后，涂裝相應配套涂層。

根據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計表明，一般采用重防腐涂裝體系設計的鋼結(jié)構(gòu)，僅做面漆涂裝維護即可。

7 結(jié)語

波形鋼腹板預應力混凝土箱梁橋國內(nèi)經(jīng)歷20 多年的科研、研究、發(fā)展實踐應用，其技術逐步成熟，在結(jié)構(gòu)研究表明其較傳統(tǒng)預應力混凝土橋具有極大的性能優(yōu)勢，較鋼箱梁更具有經(jīng)濟性。波形鋼腹板在防腐蝕耐久性較傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)更好，是波形鋼腹板預應力混凝土橋在國內(nèi)得以推廣應用的優(yōu)越性所在。隨著防腐蝕技術的進一步發(fā)展，波形鋼腹板PC 箱梁橋必將在國內(nèi)得到更大規(guī)模的推廣應用?，F(xiàn)階段對其耐久性極大的關注，其防腐蝕技術需要不斷吸取國內(nèi)外關于鋼結(jié)構(gòu)耐久性研究成果，設計時需要對防腐蝕的重要性、鋼腹板涂裝體系進行不同防腐區(qū)域詳細設計，只有這樣才能實現(xiàn)橋梁設計的實用性、經(jīng)濟、環(huán)保、美觀、舒適的要求。墨臨高速公路地約科1#大橋波形鋼腹板防腐蝕涂裝技術的實戰(zhàn)應用取得較好效果[5]。