钢管混凝土桥防腐蚀性能研究

栗金营

（河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450006）

钢管混凝土桥防腐蚀性能研究

栗金营

（河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450006）

据美国高速公路管理局1998年统计资料，在美国境内洲际和国家级桥梁中，因腐蚀而需要维修的桥梁达68466座，腐蚀率占24.5%，而城镇桥梁中，腐蚀率为34.5%。目前美国每个州每年都要拿出数千万美元用于桥梁的防腐涂装维修。我国也有个别钢管混凝土系杆拱桥因钢管锈蚀严重不得已拆除重建，造成了巨大的经济损失。因此，本文通过对现有桥梁腐蚀的研究提出了几条有关钢管混凝土桥防腐蚀的研究方向。

钢管混凝土；桥梁；腐蚀

最早的钢管混凝土工程是1879年建的英国赛文（Severn）铁路桥的钢管混凝土桥墩，在管内灌了混凝土以防止锈蚀并承受压力，随后又被用做多层、高层建筑物的结构柱。而世界上最早修建的钢管混凝土拱桥是1937年在苏联列宁格勒建的跨列宁格勒涅瓦河的拱桥，采用集束的小直径钢管混凝土作为拱肋。分析认为与钢拱桥相比，钢管混凝土拱桥可节约钢材52%，降低造价20%。据不完全统计，我国自1990年建成第一座钢管混凝土系杆拱桥-四川旺苍东河桥至今，主跨跨径在200m以上的钢管混凝土系杆拱桥约40余座。现有钢管混凝土系杆拱桥有多数存在钢腐蚀现象，随着钢管混凝土越来越多的应用到现代桥梁的建设当中，较好的解决钢管腐蚀是一项既实际又艰巨的工作。

1 钢管混凝土的特性

1.1 钢管混凝土的优点。具有优越的力学性能：其一，由于钢管的紧箍作用使混凝土处于三轴向受压应力状态，间接提高了混凝土的极限抗压强度。其二，由于混凝土的填充作用，提高了钢管抵抗局部屈曲的能力。钢管混凝土构件充分发挥混凝土和钢材的材料性能，提高了构件的承载能力，同时又具有较好的塑性和韧性，为高强混凝土和高强钢材的应用提供了广阔的途径。钢管混凝土结构防火性比RC结构差，比全钢结构强，防火涂料可省一半以上。

1.2 钢管混凝土的不足之处。暴露在大气当中与空气和水分相接触，或与有害气体发生反应，造成钢的腐蚀。按其反应机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀：化学腐蚀过程不伴随电流的流动，钢材在高温工作条件下受到氧气O2，二氧化碳CO2，硫化氢H2S和卤素等气体的腐蚀，就属于化学腐蚀。钢材在腐蚀过程中伴随有电流流动的叫电化学腐蚀，钢材在潮湿空气中或在电解质溶液中的腐蚀，就属于电化学腐蚀。钢材按自然环境引起的腐蚀又可分为大气腐蚀，土壤腐蚀，海水腐蚀，淡水腐蚀和生物腐蚀等。钢管混凝土拱桥所处的自然环境引起的腐蚀主要为电化学腐蚀和大气腐蚀。

2 国内外有关桥梁受腐蚀而破坏的案例

2.1 2001年11月7日，于1990年建成的重庆小南门桥因吊杆锈蚀造成部分桥面垮塌，在修复过程中，技术人员对全桥进行了检测，大桥整体结构依然完好。原因是当地为酸雨地区，大气pH值约在4.6-5.6之间，环境腐蚀使外套管锈穿，进而锈蚀到内部钢丝。腐蚀加剧了钢丝的应力集中，应力集中使钢丝应力超过设计值，导致钢丝断裂、桥梁倒塌。虽然此桥不是钢管混凝土桥，但从桥的腐蚀情况来看，暴露在空气中的钢若处理不好就会出现严重的事故。

2.2 佛陈大桥位于广东省佛山市与顺德市交界处，跨越北江支流东平河，1994年通车竣工，全长849.84m（包括主桥，过渡孔和南北引桥），主桥为下承式钢管混凝土刚构系杆拱桥，跨径为112.8m，桥宽26m，钢管混凝土拱肋矢跨比1/5。该桥建成后投入使用仅5年多，就因钢筋和钢管腐蚀严重，不得不实施全面加固，造成较大的经济损失，给交通运输带来了很大的不便。虽然有经验不足等原因，但不得不引起我们对这种结构桥的设计和施工进行反思，提高材料耐久性的研究和施工技术水平在所难免。

2.3 据美国高速公路管理局1998年统计资料，在美国境内洲际和国家级桥梁中，因腐蚀而需要维修的桥梁达68 466座，腐蚀率占24.5%，而城镇桥梁中，腐蚀率为34.5%。目前，美国每个州每年都要拿出数千万美元用于桥梁的防腐涂装维修。在我国，也已经出现了许多因耐久性不良而过早报废的桥梁，例如北京西直门立交桥使用仅19年，就因严重剥蚀和钢筋锈蚀破坏等原因不得已于1999年报废重建。

3 钢管混凝土腐蚀原因分析

3.1 钢管表面涂料的影响。涂料具有一定期限的耐久性，通常比桥梁的使用寿命要短，有的甚至几年就不起保护作用。现有的涂料部分存在易老化，表面易开裂的特点，如不及时进行防护就等于是让钢材暴露在空气当中，在裂缝处与有害气体和酸雨相接触，很容易腐蚀。其次，涂料分层涂喷时应当慎重选择相邻层涂料，避免涂层的咬噬或黏结性较差，使其不能起到好的保护作用。

3.2 钢管表面处理不当。在进行表面喷涂防护时，表面锈渣未除或存在异物，造成涂层不能与钢管较好的黏结，表面鼓包或脱落给防护带来不利影响。

3.3 施工粗糙，在桥梁防护上不重视，采用劣质材料，还有施工方法不当造成防护失败。

3.4 缺乏系统科学的管养制度。

4 钢管混凝土的防腐措施

钢材防腐蚀的主要方法有选择适当钢材，合理设计构件，改变环境，电化学防腐和涂层保护等。

4.1 在进行钢结构设计时，要考虑材料的均匀腐蚀程度。即结构构件的厚度=计算的厚度+腐蚀富余量（材料的年腐蚀深度*设计使用的年限）。利用均匀腐蚀深度值，也可估算出结构构件的使用寿命。但实际上腐蚀一般是不均匀的，所以设计结构构件时还要考虑一定的安全系数。

4.2 涂料防护。合理选择分层涂喷的涂料原料，实践证明锌粉底漆+环氧中间漆+丙烯酸聚氨酯面漆涂装配套体系是较好的防护做法，其防护理论年限可达30年。涂料配合实际上是一相辅相成的涂装配套体系，其中富锌底漆由于有了环氧中间漆的屏蔽保护而隔绝了基体与腐蚀介质的直接接触，延长了它对钢管结构的保护寿命，而中间漆和面漆更赋予了涂层的防护性能。这套体系在重防腐领域发挥着显著的作用。我国的虎门大桥钢构件防护就是采用的这种做法，到目前为止，其防护效果良好。

4.3 热喷涂金属防腐涂装体系。所谓热喷涂是指依靠专用设备产生的热源（火焰，电弧，等离子等），把金属或非金属固体材料加热熔融或软化，并利用热源自身的动力或外加高速气流雾化，使雾化的喷涂材料快速喷射到经过预处理干净的基体表面形成涂层的过程。1953年美国进行了长达19年的热喷涂锌，铝涂层试验，并在此基础上制定AWSC2.18-93热喷涂操作指南。热喷涂锌，铝涂层，已经是一项成熟可靠的技术，国外和国内都有相关的标准。1988年我国制定了热喷涂国家标准，1997年对此进行了修订，即GB/T9793—1997《金属和其他无机覆盖层—热喷涂锌，铝及合金》。交通部JTJ041—2000《公路桥涵施工技术规范》和铁道部TB/T1527—1995《铁路钢桥保护涂装》明确规定以热喷涂为钢桥梁防腐的有效方法。

5 国内有关防腐方面的研究

5.1 将热镀锌钢表面铈盐和硅烷处理可提高其防腐性能。研究发现：将热镀锌（HDG）钢板经20g/l的Ce（NO3）3.6H2O溶液处理后浸涂5%（体积比）硅烷，研究涂层的耐腐蚀性能中，5% NaCl溶液中的电化学极化曲线测试结果和中性盐雾试验（NSS）结果表明，单独的铈盐处理或浸涂硅烷膜能够提高热镀锌层的耐腐蚀性而经过铈盐处理后再浸涂硅烷形成双层膜后能够明显的抑制腐蚀过程中的阴极和阳极反应，极化电阻RP较HDG试样增加40多倍，也是单一膜处理试样的5-9倍，膜层的耐腐蚀性能明显提高。俄歇电子谱（AES）分析表明，热镀锌试样经过两步处理后，在表面形成了双层膜：外层是富含C，Si，O的均匀硅烷膜层，里层是富含Ce的稀土转化膜层。

5.2 纳米技术在涂料中的应用。运用纳米微粒材料的光学效应，可提高涂料的耐老化，耐腐蚀，抗辐射等性能。

5.3 在海洋环境中PTC保护技术的防腐应用。PTC保护的施工工艺：表面处理-涂防蚀膏-缠线防蚀带-固定防护罩（由坚硬的固体玻璃钢制成）。它的特点是：施工方便，表面处理简单，可带水作业；适用于任何形状结构物；具有良好密闭性和抗冲击性能，质量轻，对结构物无附加荷载；绿色环保，无毒无污染。其有防护年限可达30年以上，是海洋环境中钢铁防腐蚀应用较为理想的方法。

5.4 不锈钢粉末。它是近阶段发展起来的金属颜料，由于其具有不活泼性，特别是在高温强蚀环境中的防护性极好，所以既可用来作为主要颜料，也可作为复合颜料的一部分，与黏合剂组成防护性涂料，具有较好的防腐蚀性能。

5.5 碳纤维布复合材料。它不仅是一种性能优异建筑补强材料，还可耐强酸强碱作用，耐腐蚀和耐久性较强，即使在严寒和火灾情况下也可表现出较好的受力性能。

6 钢管混凝土防腐蚀的措施展望

6.1 用玻璃钢钢管代替常规钢管。玻璃钢作为一种发展和应用比较广泛的复合材料，与金属及其他传统材料相比，具有质轻，高强，耐腐蚀，耐疲劳，工艺简单，可维修性好和几乎无需维护保护的优点。目前，它在我国航空，航天和军事领域得到了大量应用和发展。研究表明：玻璃钢管具有密度小，重量轻等特点，其密度是钢铁的1/4-1/5，比钢筋混凝土轻1/3，玻璃钢管的强度较高，其环向拉伸强度可达360M P a以上，接近钢材的强度，其强度也高出钢材很多。此外，玻璃钢管的弹性模量也很小，使得玻璃钢管不易破碎和冻裂。玻璃钢耐腐蚀性：耐各种酸碱盐及有机溶剂的腐蚀，管上不结垢，不产生锈蚀，不产生径缩。但玻璃钢具有一定的局限性，它不耐太高的温度，而且具有易燃，不防火等诸多不足，尽管无机玻璃钢具有防火，价廉等优点，但尚处于研究使用阶段。

总的来说，玻璃钢具有替换的潜质，我们应加快其对耐火性能的研究。可研究使其与强耐火涂料结合的耐火性能，或在玻璃钢中加耐火的复合材料或耐火微粒看其耐火性能好坏，与钢管做对比试验，在功能和经济上选择最佳者。当然就目前来说，玻璃钢总的效应还不及钢管，但随着科学和经济的高速发展，玻璃钢会胜过普通钢管，并在未来的桥梁建设中得到广泛的发展。

6.2 注重对表面涂层材料研究。当前纳米技术是一个很热门的话题，各行各业都在进行纳米材料的研制工作，其中电子行业最为火热。但在桥梁防护涂料研发上研究较少，我们应该应用纳米颗粒的微小性来填充涂料的空隙，使涂料层更加均匀密实，来增强起其抵抗腐蚀的能力。例如：可研究碳纳米微粒和桥梁涂层材料相结合的耐腐蚀性能。

6.3 总体展望。注重多学科交叉重防腐涂料，涂装研发。借鉴航天航空行业，航海及汽车工业的成功经验，研发适合我们建筑行业的物美价廉的涂料，是新一时期工作的重点，环保节能和省资源，高性能，功能化是研发的主要方向。

7 结语

钢管混凝土作为桥梁建设的一种组合结构，其良好的受力性能已得到了世界建筑师的广泛认可，近十几年来其在高层建筑，地铁建设特别是桥梁上得到了快速的发展，一些大工程也开始青睐于它，但其耐腐蚀性差的确是困扰其发展的不利因素，加强其耐腐蚀性能的研究很重要。

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TU398.9

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1671-0037（2014）10-66-2

栗金营（1986.4-），男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：桥梁工程。