钢箱梁防腐涂装技术在铁路桥梁中的应用研究

张杰 辛馨 辛亮

(中国中铁四局集团有限公司，安徽合肥 230023)

0 引言

随着国民经济的发展，钢结构桥梁将会成为未来桥梁建设的主流方向，目前国内外主要的钢结构桥梁形式有:斜拉式、悬索式、钢拱式、箱梁式、桁架式、悬臂式以及组合体系等结构形式，其中钢拱式和斜拉式形式适用于钢混凝土结构500 m以下跨度的桥梁;悬索桥是跨度最大的桥梁结构形式，是跨千米以上桥梁的优选桥型，最大跨度可达4 000 m。虽然钢结构桥梁有以上诸多优点，但是也有它致命的弱点，极易与周围环境介质发生反应，使金属表面发生氧化腐蚀，产生酥松、起层、粉化、脱落，致使金属失去应有的性能，给桥梁结构造成严重的安全隐患，甚至造成灾难性的事故，给国民经济带来巨大的损失。因此，对钢结构的腐蚀机理和长效防腐涂装体系的应用研究已经成为了一个不可忽视的重大课题，也有着十分重要的意义。

1 工程概况

宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥钢箱梁采用斜拉式结构，其钢结构部分总长425．6 m，中间高5 m，最大宽度21．074 m，钢箱梁为正交异性钢板结构，由顶板、底板、斜底板、中纵腹板、边纵腹板及边板围封而成。钢箱梁不同区段采用了不同的板厚，共分6个区，7个梁段类型。

钢箱梁标准节段长9 m，中跨合龙段长4．9 m，标准节段每隔3 m设置一道实腹横隔板，全桥共计49个节段，2个钢—混结合段，2个刚度过渡段，1个中间合龙段，44个标准节段，钢—混结合段重约384．1 t，其他最大节段重约180．3 t。全桥共94个风嘴单元，桥面砟道宽 8．5 m，总用钢量8 120．16 t，索塔用钢1 355．82 t，斜拉塔高177．91 m，全桥总涂装面积97 741 m2。

2 钢箱梁腐蚀机理

金属腐蚀按照腐蚀过程的特点，可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀三类。其中电化学腐蚀占据腐蚀类型的80%，是钢铁腐蚀的主要类型。桥梁用钢Q345qD为低合金高强度钢，在炼钢的时候由于钢材的性能需要渗入碳或其他元素，这些渗入的元素由于与钢材内主体铁元素之间的标准电极电位不同，从而形成原电池。大气中的水分、氧气等介质使钢材内无数的原电池形成通路进行点电荷迁移，铁成为阳极，失去电子而转化成铁锈。在海滨地区，有大量的盐雾，使得大气中氯离子含量较高，宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥地处海滨城市，大气中氯离子对钢桥梁的腐蚀不容忽视。一般情况下处于钝态的金属仍有一定的反应能力，即钝化膜的溶解和修复(再钝化)处于动平衡状态。但当介质中含有活性阴离子(如氯离子)时，平衡便受到破坏，溶解占优势。其原因是氯离子能优先地有选择性的吸附在钝化膜上，把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，并在新露出的基底金属的特定点上生成小蚀坑(孔径多在20μm～30μm)，这些小蚀坑就是腐蚀后留下的点蚀坑。因此在氯离子含量较高的条件下，不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能降低，容易发生晶间应力腐蚀和点蚀，进而发生应力腐蚀开裂，加速腐蚀的过程。

在偏酸性的环境中H－离子浓度会比较大，会发生析H反应，阳极反应为:Fe失去最外层电子变成Fe2+离子;阴极反应为:H+得电子变成H2。

其反应方程式如下:

阳极过程:Fe=Fe2++2e

阴极过程:2H++2e=H2

钢材的腐蚀是一个综合复杂的变化过程，往往是许多因素复合的结果。电化学保护法是防止金属腐蚀的有效途径，是根据电化学原理在金属设备上采取措施，使之成为腐蚀电池中的阴极，从而防止或减轻金属腐蚀的方法，具体方法为:将还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗，被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。

3 钢箱梁长效防腐涂装体系工艺

3．1 桥梁道砟面防水防滑层

道砟面防水防滑层采用3 mm厚树脂(MMA)防水防滑层构造，此类防滑层适用于以钢板或混凝土为基体的桥面，一般工艺为:基体部分与防水层之间喷涂底漆，待底漆固化后再喷涂甲丙烯酸树脂(MMA树脂)，防水涂料固化后，然后均匀喷涂一层作为树脂粘合剂的MMA树脂涂料，最后铺撒耐磨的硬质骨料使其固定于粘结涂料中。道砟防腐工艺见图1。

图1 道砟表面防腐工艺流程

其断面结构见图2。

图2 树脂防护防水层断面结构

3．2 钢箱梁外表面防腐方案

钢箱梁外表面直接暴露在大气下，易与周围环境发生反应，因此对外表面的保护特别重要，在加工制作的过程中采用二次涂装保护:一次喷涂车间底漆;二次现场防腐涂装。车间底漆的喷涂首先对钢板采用喷砂除锈，要求清洁度为Sa2．5级以上，表面粗糙度为Rz50μm～Rz100μm，这样可使工件表面的机械性能得到改善，提高工件的抗疲劳性，使工件在加工周期内得到防腐保护，不易产生腐蚀损耗，增加了它和涂层之间的附着力，延长涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。第二次防腐涂装工艺为:喷砂除锈，电弧喷铝，环氧封闭漆，环氧云铁中间漆，氟碳面漆的涂装体系。这样可有效的保护金属的表面，可得到长效防腐的作用。其中环氧树脂封闭漆是一种很好的粘合剂，它是一种高分子聚合物，其与相应的固化剂发生反应后就会形成交联密度非常高的高分子，形成致密的保护膜，阻止了水分子的穿透。中间层采用环氧中间漆，其具有极好的耐磨性，附着力高，硬度大，保光保色性好等特点。表面采用氟碳面漆，因氟元素相对较多，且氟元素电负性大，碳氟键能强，使其具有良好的各项性能，耐候性，耐热性，耐低温性，耐化学药品性，而且具有独特的不粘性和低耐磨性，因此被广泛应用在涂层表面。外表面防腐工艺见图3。

3．3 钢箱梁内表面涂装方案

钢箱梁内表面在涂装前须布置抽湿机，要求相对湿度小于50%，同外表面处理一样也是采用二次涂装工艺进行防腐，第一次喷涂车间底漆与钢箱梁外表面的处理完全一样，第二次防腐涂装工艺采用:喷砂除锈，无机富锌防腐底漆，底表面处理环氧树脂漆。在涂装前，应严格控制涂装的施工环境，要求钢箱梁表面温度5℃～35℃，相对湿度不大于85%，全部涂装不允许在有雾、下雨环境中进行，施工时风速工程技术应不大于15 m/s。内表面防腐工艺见图4。

图3 外表面防腐工艺流程

图4 内表面防腐工艺流程

4 喷砂除锈处理

喷砂处理使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。为了保证涂层的附着力，钢材表面的清洁度要求Sa2．5级以上，粗糙度达到Rz50μm～Rz100μm，其中粗糙度的大小主要取决于磨料的直径大小，因此合适的棱角钢砂粒度应为 G14～G18，颗粒直径为 1．0 mm ～1．7 mm，硬度为 HRC40 ～HRC50，磨料中不允许有可溶性盐类等。在对焊缝进行喷砂处理前，焊接尖角必须打磨成R≥2 mm以上的圆弧，并除去焊缝的焊渣，针孔，毛刺等缺陷。喷砂施工时的工艺参数为:喷砂枪喷嘴处压缩空气压力不小于0．7 MPa;喷砂距离100 mm～300 mm;喷砂角度60°～70°;喷砂嘴孔径8 mm～10 mm。喷砂作业时，喷射面应均匀;喷砂后的表面应无油、无锈斑、无腐蚀物、无氧化物、无油漆等;喷砂后的钢材基面应是纯色，粗糙度应达到Rz50μm～Rz100μm。

5 电弧喷铝工艺

电弧喷铝操作的技术指标主要是控制好喷涂厚度、喷涂间距、喷涂速度以及喷涂时的工艺参数等(见表1)。

表1 电弧喷铝工艺参数

电弧喷铝工艺要求:电弧喷枪出口处与工件表面距离在80 mm～200 mm之间，喷枪与工件的夹角大于60°，喷枪移动速度要根据涂料层厚度的要求进行调整。分区域喷涂时，应有50%左右的搭接幅度。

6 涂装质量控制及安全措施

喷砂结束后应在4 h之内进行电弧喷铝工艺，在电弧喷铝过程中，需不断检测涂层厚度，使其达到标准厚度范围。待喷铝结束后应在12 h内涂装防腐油漆。对于漆膜厚度的检测按同类构件数抽查10%，但均不少于3件，每件检测5处，每处的数值为3个相距约50 mm的测点干漆膜厚度的平均值。如果涂刷的不好，被涂料覆盖的地方和没被覆盖的地方就会形成大阴极小阳极，腐蚀的更快。

7 结语

以上钢箱梁防腐涂装体系及其施工工艺在本项目使用中达到了长效防腐的目的，采用长效防腐技术对保护桥梁的腐蚀起到了大大的减缓作用，有效的保护了桥梁的结构性能。上述长效防腐体系实现了桥梁保护和延长了桥梁的使用寿命。

其中各项技术指标和工艺参数对钢箱结构桥梁的长效防腐技术起到了参考作用，具有一定的实用价值。

［1］连晓欢，郭 刚．钢结构防腐蚀技术浅析［J］．工程技术，2011(1):25-26．

［2］高 云．钢箱梁防腐涂装技术在桥梁中的应用［J］．建筑与工程，2011(2):46-49．

［3］王芳芳，王晓敏，裴俊军．钢结构防腐蚀涂料施工事故分析［J］．腐蚀与防护，2007(7):381-384．

［4］王安杰．高速电弧喷涂技术在钢结构防腐蚀的应用［J］．科技与向导，2011(9):61-62．

［5］刘明亮，王 超，李术川．钢结构防腐系统知识［J］．科技与向导，2011(18):11-13．

［6］沈志聪．全国钢结构防腐蚀及涂装技术专题研讨会［Z］．2009．

［7］张俊娟，李光波，杜旭斌．钢桥钢箱梁外表面防腐涂装体系 研究［J］．山西建筑，2007，33(20):322-325．