钢结构桥梁的防腐设计方案.doc

1、钢结构桥梁的防腐设计方案一、 介绍钢结构是大量基础设施的重要组成部分，而钢结构桥梁由于结构轻巧、耐用而有很悠久的使用历史，在十九世纪末期和20世纪早期，国内就开始在沿海经济发达地区出现钢结构桥梁，如上海的外白渡桥和宁波的灵桥，并一直使用到现在。虽然现今钢结构桥梁通用的碳钢与一些低合金钢有很好的力学性能与合理的价格，但它们存在十分严重的腐蚀问题，不解决这些问题，将产生十分严重的经济损失。据估计，全球每年因为钢结构腐蚀造成的损失高达7000亿美元，而中国在2003年为约3000亿人民币。钢结构桥梁一般会一直处于比较恶劣的环境，如沿海高盐雾环境、沿江河高湿度大气、城市工业污染大气、内陆高酸雨区，对钢

2、结构及其涂层的破坏特别严重。以往，由于受各种原因的限制，钢结构的防腐在国内没有受到应有的重视，只采用手工除锈，涂刷一般红丹底漆和普通醇酸油漆，使用半年或一年以后，就会发生涂层起泡、返锈、脱落，钢材受到腐蚀，返修十分困难，造成很大的损失。使用全寿命经济分析法分析钢结构桥梁的防腐体系，钢结构涂层的耐久性(使用寿命)应该是钢结构防腐的首要问题。为了保证钢结构桥梁安全使用，不受腐蚀破坏，必须选用性能良好和使用时间长（20年以上）的防腐涂装系统，同时增加各涂层的厚度，选用高耐腐蚀的涂料。比如，一般涂层总厚度在40-60 m之间，而桥梁防腐蚀涂层总厚度一般在200300 m。在我国，原有的钢结构桥梁涂装体

3、系可以从铁道部推出的铁路钢结构桥梁的涂装体系可见一斑。注:使用年限是指不重涂罩面漆的寿命；第3涂装系因使用少，缺少数据；第4涂装系在武汉长江大桥(中部)、柳江桥(11、12孔)使用已有15年；状态良好；根据实际使用情况及实验室研究结果推断其使用年限为1520年。从以上的涂装体系来看，第一涂装系和第二涂装系的防腐蚀效果耐久性很差，户外十年后便出现明显的腐蚀，已经被淘汰。而第四涂装系尽管具有比较好的防腐蚀效果，但其装饰效果一般，所以也逐渐将被取代。因此，我们需要寻找新的耐久性的钢结构桥梁的防腐蚀涂层。二、 钢结构桥梁腐蚀的原因 钢铁的腐蚀在自然界里是不可避免的，如何防止钢铁大桥的腐蚀，延长大桥的使

4、用寿命，是桥梁建设中的重要任务。防止钢铁的腐蚀。就有必要首先了解钢铁腐蚀的机理。1、钢铁的自然腐蚀趋势。除了少数贵金属外，金属都是由其自然态的矿石，通过消耗能量的冶炼、电解等方法而获得的。在自然界里发现的铁都不是纯铁，铁是铁矿石放在高炉里或是加热炉里提炼出来的。冶炼过程中还加入了煤矿或焦炭，并加热至很高的温度。在这个过程中，铁矿石吸收了大量的能量，这种能量一部分就贮藏在钢铁中。因此，任何一块钢铁都可以看做是一个充了电的蓄电池。这块钢铁以后就会以电的形式将贮存的能量释放出来。钢铁在能量释放过程中，某些成分耗费了即钢铁产生了腐蚀。这样钢铁就回到了能够稳定存在的自然态。因此，金属随时随地都有恢复到自

5、然化合态(矿石)的倾向，并释放出能量。腐蚀的过程就是合属2、钢铁的电化学腐蚀。腐蚀可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 化学腐蚀是金属与腐蚀介质问发生化学作用而产生的腐蚀，比如钢铁在非电解质溶液和有机溶剂中发生的腐蚀。化学腐蚀的过程中没有电流的产生。 电化学腐蚀是金属和介质发生电化学反应而引起的腐蚀，在腐蚀过程中有隔离的阴极区和阳极区，电流可以通过金属在一定的距离内流动。钢铁的腐蚀绝大多数情况下是电化学腐蚀。在金属表面形成原电池是电化学腐蚀最为主要的条件。当两种不同的金属放在电解质溶液中，并以导线连接，我们可以发现导线上有电流通过。这种装置我们称之为原电他。原电池放电所产生电化学反应，在阳极进行的是

6、氧化反应。在阴极进行的是还原反应。 从理论上说，单一金属在电解质溶液里只能形成双电层，不会产生腐蚀。实际上除了金、铂等呈现惰性的金属外，其他金属单独放在电解质溶液中，由于表面电化学性的不均匀，从而产生了许多极小的阴极和阳极，构成了无数的微电池，也会产生电化学腐蚀。许多原因造成了金属表面化学性不均匀。 化学成分不均匀：一般金属都含有定的杂质或其他化学成分。 组织的不均匀：金属或合金中，金属晶粒与晶界电位往往不相同。 物理状态的不相同：金属在机械加工中会造成金属各部分形变及内应力不均匀。 表面膜不均匀：金属表面的膜(氧化膜)通常是不完整的，具有空隙或裂缝， 氧气溶度差异：金属与含氧量不同的溶液相接

7、触会形成氧浓差电池。氧浓度小的地方金属电位较低，成为阳极而易发生腐蚀；氧浓度高的地方金属电位较高，成为阴极。盐分或其他腐蚀物质浓度差异也会形成浓差电池。 宏电池腐蚀；指电池中阴极和阳极的尺寸较大，肉眼可以辨别阴极和阳极，这种腐蚀电池在生产和生活中是多见的。常见方式有电偶腐蚀和氧浓差电池。 电偶腐蚀，当不问的金属互相接触处于同一电解质溶液中时，就会构成宏电池，这时电位较负的金届为阳极，发生腐蚀。 钢铁在大气环境中，表面会吸附有氧气水分等，加上溶有其他腐蚀性介质，就会形成电解溶液。由于金属表面化学性的不均匀，这样就连通了能够发生电化学腐蚀的微电他的两极，如图5所示。 我们把钢铁在大气环境腐蚀中产生

8、的微电池表示为： FeO2(阳极) H2OC(阴极) 电极反应过程以方程式来表达为： 阳极：铁原于失去电子，被氧化为Fe2+ 2Fe一4e2Fe2+氧原子获得电子，与水分结合形成OH- O2+2H2O十4e4OH- 腐蚀电他的总反应为： 2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2 4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3 2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O 这里的Fe2O3H2O及其脱水化合物Fe2O3就是我们常见的铁锈的主要成分(图1)。图1 钢铁在大气环境电化学腐蚀3 桥梁钢结构的腐蚀形态 桥梁钢结构的腐蚀形态有多种多样，可以分为均匀腐蚀和局部腐蚀。在局部腐蚀中，又可以细分多种形态

9、。（1）均匀腐蚀。均匀腐蚀的腐蚀作用是均匀地发生在整个金属表面上，并在平面上逐步地使金属腐蚀并降低其各项性能：（2）点蚀局部性腐蚀状态，可以形成大大小小的孔眼，但绝大多数情况下是相对较小的孔隙。从表面上看，点蚀互相隔离或靠得很近，看上去呈粗糙表面。点蚀是大多数内部腐蚀形态的一种，即使是很少的金属腐蚀也会引起设备的报废。（3）电偶腐蚀。也称之为双金属腐蚀。由多种金属组合而成的部位，如铝与铜，铁与锌，铜与铁等等。在电解质水膜下，形成腐蚀宏电池，会加速其个负电位金属的腐蚀。影响电偶腐蚀的因素有环境、介质导电性、阴阳极曲面积比等。在潮湿大气中也会发生电偶腐蚀，湿度越大或大气中含盐越多(如靠近海边)，则

10、电偶腐蚀越快。大阴极小阳极组成的电偶，阳极腐蚀电流密度愈大，腐蚀愈严重。电偶腐蚀首先取决于异种金属之间的电位差，这里的电位指的是两种金属分别在电解质溶液(腐蚀介质)中的实际电位，即该金属在溶液中的腐蚀电位。电位差越大，其他条件不变，腐蚀可能越大。 为了防止电偶腐蚀，要尽量避免电位差悬殊的异种金属有电接触；避免形成大阴极小阳极的不利面积比，面积小的部件宜用腐蚀电位较正的金属；电位差大的异种金属组装在一起时，中间一般要加绝缘片，垫片紧固不吸湿，避免形成缝隙腐蚀；设计时，选用容易更换的阳极部件，或将它加厚以延长寿命；可能时加入缓蚀剂或涂漆以减轻介质的腐蚀，或加上第二块金属进行阴极保护等。（4）缝隙腐

11、蚀。是一种严重的局部腐蚀。经常发生于金属表面缝隙中。桥梁结构非常复杂，金属孔隙、密封垫片表面、螺丝和铆钉下的缝隙内等，都会有溶液的积留而引起缝隙腐蚀。 并个是一定要有缝隙才可以发生这种腐蚀，它也能因为在金属表面上覆盖的泥沙、灰尘、脏物等而发生。几乎所有的腐蚀性介质，包括淡水，都能引起金属的缝隙腐蚀，而含氯离子的溶液通常是最敏感的介质。 为了防止缝隙腐蚀，主要是在结构设计中避免形成缝隙，避免造成容易产生表面沉积的条件。因此，对接焊比铆接或螺栓连接要好。容器设计上要避免死角和尖角，以便于排除流出液体。垫片要采用非吸湿件材料，以免吸水后造成腐蚀条件。此外也可以来用电化学保护的方法来防止，方法是外加电

12、流。（5）应力腐蚀在一定环境中外加或本身残余的应力，加之腐蚀的作用，导致金属的早期破裂现象，叫应力腐蚀。 金属应力腐蚀破裂只在对应力腐蚀敏感的合金上发小，纯金属极少产生。合金的化学成分、金相组织、热处理对合金的应力腐蚀破裂有很大影响。处于应力状态下，包括残余应力、组织应力、焊接应力或工作应力在内，可以引起应力腐蚀破裂。对于一定的合金来说，要在特定的环境中才会发生应力腐蚀破裂。例如不锈钢在海水中、铜合金在氨水中，碳钢在硝酸溶液中。 防止应力腐蚀破裂的主要方法是消除一切应力或施以压应力，设备加工或焊接后最好进行除应力退火，或进行喷砂处理造成表面压应力。改变介质的腐蚀性，使其完全不腐蚀(添加缓蚀剂)

13、，或者使其转为全面腐蚀，选用耐应力腐蚀破裂的金属材料，使其不能构成材料和环境组合，也可防止应力腐蚀破裂。（6）腐蚀疲劳。钢铁在交变应力作用和腐蚀介质的共同作用下产生的腐蚀叫做腐蚀疲劳。它往往成群出现。高强度钢丝绳经常出现腐蚀疲劳。 1967年12月，美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之间的俄亥俄大桥突然倒塌，事故调查的结果就是因为应力腐蚀和腐蚀疲劳产生的裂缝所致。减少腐蚀疲劳的主要方法是选择在预定环境中抗腐蚀的材料，以及在材料表面镀锌、涂漆等以减轻腐蚀疲劳的作用。三、国内外钢桥的防腐系统和借鉴1日本的钢桥梁涂装 日本的桥梁早期使用的也是与同时期我国常用的红丹底漆和长油度醋酸面漆的体系。在1967年以后

14、，日本开始采用氯化橡胶涂料和环氧涂料；1968年后，从英国进进口了专利技术，开始采用新的涂装体系喷锌十酚醛系面漆，主要体现在1970年建造的关门桥上面。表2体现了日本一般的钢桥涂装体系。需要注意的是，氯化橡胶涂料目前已经不大使用，主要的涂装体系是“体系3”。日本钢管加用技术研究所在1974年开始在连接濑户内海的新两国桥进行的实桥涂装试验，多种涂料配套体系分别在1、3、5、7、10、15（1989年）的检查，综合评定的结果是删除了厚膜型无机富锌+酚醛云铁+氯化橡胶及镀锌的涂装体系。 1991年l0月日本“钢质公路桥涂装便览”进行厂大修订，底漆是无机富锌和超厚膜型环氧涂料，氟树脂涂料作为面漆正式列

15、入桥梁涂装规格书。典型的涂装体系如下：底逐 厚膜型无机富锌涂料 面漆 氟碳中涂漆中间漆 厚膜到环氧树脂底漆 面漆 氟树脂面漆该涂装体系在横跨东京湾公路桥，关西新国际机场联络桥的上部钢结构及海上大气部分钢结构上得到了具体应用，见表3。2、英国的钢桥涂装体系英国的钢桥涂装体系主要是由铁路部门的工程专家进行研究制订的，这和其他国家一样，因为铁路是当时最主要的交通动脉。据统计，在英国约有1万座不同大小和类型的钢桥，其中大型的有10座。1960年，英国提出了BR-70规格，明确要求取消含铅油漆和采用无气喷除法作为主要的施工方法，经过铁路工程专家4年多的广泛调查，于同年产生国内油漆工程手册第10版，内容涉

16、及到表面处理、表面保护和结构的装饰。金属涂层由于有着突出的优点，开始作为基本的保护体系，与有机涂层组成复合型保护体系。第一座使用喷铝保护的钢质桥梁是位于南威尔士的莫色提维，于1954年施工，30多年的运行使用说明防护效果很好。这也是在英同为什么富锌底漆不太被采用于桥梁方面的主要原出。玻璃鳞片涂料在1992年应用于英国的一座桥梁，但是并不为公路局所采用。公路饲桥的涂装规范由英国公路局(原交通部)制订(表4)。3、我国常见的涂装体系除了铁路桥上的涂料体系严格按照铁路部门的标难来执行外，在长江上面近十年来建造的大量公路钢桥的涂装体系，特别是主要的涂装部位钢箱梁外表面基本上按5的方案处理。(1)车间底

17、漆。车间底漆对钢箱梁的保护时间较短，主要用于喷砂后钢结构不超过1年的短期保护，钢箱梁组装完成后，需要重新喷砂，去除车间底漆后，再进行二次涂装。钢箱梁外表面采用醇溶性无机硅酸锌车间底漆，其防腐蚀原理是利用金属锌对钢板起阴极保护的电化学作用，主要用于钢箱梁的防锈、防油、防水、防热。(2)醇溶性天机富锌底漆。当钢箱梁运至拼装广时，还需要对梁段进行二次表面处理。钢箱梁底、斜腹板等的外表面二次涂装时，采用醇溶性无机富锌底漆，其成膜机理是依靠硅酸乙酯(基料)吸收空气中的水分，发生水解反应，自身发生缩聚，并同时与钢铁反应生成复合盐类，在干燥的同时牢固地附着于钢材表面。由于锌的电极电值为一0.76v，与铁的电

18、极电位(一0.409V)相比较低，这样由锌作为阳极,铁作为阴极受到保护。锌的含量达到理论值80时，会在钢结构表面形成一层锌粉膜，一旦锌粉与空气中的二氧化碳、二氧化硫或盐分子中的氯离间接触生成锌的各种盐类，均为难溶的碱式盐，会填没涂层中的间隙，起到保护作用。(3)环氧封闭漆。二次处理时，在底漆上再涂一层环氧封闭漆，环氧封闭漆是双组分产品，主要组分是环氧树脂，因化剂为聚酰胺及多元胺，一般使用湿度在5以上，低于这一温度固化反比将停止，但如果涂装时环境温度较低，可以加入特殊的催化剂以适应低温环境的使用。环氧封闭漆用于填充、封闭无机富锌漆表面空隙，由了与下一道中层漆具有相同组分环氧树脂，因此涂层之间黏结

19、力较紧密!（4）环氧(云铁)漆以云母氧化铁作为原料，云母氧化铁光敏性较弱，不易起化学反应目能一定程度上防止紫外线辐射，遇到风霜雨雪及日光不易破坏，云母氧化铁呈鳞片状，加大了水汽渗透阻力，并有利于面漆黏结。 环氧树脂涂料具有优异的耐碱性，附着力强，成膜后涂层强度高，涂装后起泡及剥离的可能件，但其在太阳下易受紫外线作用而导致涂层粉化，所以作为中间漆使用。(5)聚氯酯面漆。可以看到的钢结构的外表面采用聚氨酯而漆，聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称，但由于其不能由氨基甲酸配单体聚合，因此用多元醇和化学性较为活泼的异氰醒酪RNCO聚合而成。在聚合过程中没有其他副产品生成，因此固化后体积收缩很小。其漆膜耐磨性特别

20、强，附着力强，耐水性及耐化学品性都十分好，其中芳香族聚氨酯涂料的耐候件较差，似脂肪族聚氨酌涂料的耐候性较好，实例证明其保光、保色及抗紫外线和抗老化能力较强。四、典型的钢结构防腐涂层介绍与分析1、热喷涂锌铝及其合金防腐涂料热喷涂技术早在1910年就已经形成，国外在三十年代开始广泛采用此技术来防护钢铁构件的大气腐蚀及特殊要求的处理，我国在五十年代引进了热喷涂技术，并将其应用在大型钢铁构筑物的防腐。热喷涂锌铝及其合金防腐涂料主要用于大气和水腐蚀环境中，使用寿命20-30年。金属锌和铝均具有很好的耐大气腐蚀特性。在钢铁构件上喷涂锌，锌是负电位和钢形成牺牲阳极保护作用，从而使钢铁基体得到了保护。目前大气

21、防护金属喷涂层更多地倾向于喷涂铝涂层。一般热喷涂锌铝及其合金防腐涂料的前处理要求很高，喷砂除锈到Sa3级标准，很难达到3。而且，原料Zn 和铝的纯度要求很高（Zn要求99.99，Al要求99.5），否则将大大缩短使用热喷涂涂层的防腐寿命。热喷涂锌铝及其合金防腐涂料还需要外封闭层，主要采用环氧树脂涂料和聚氨酯涂料。由于此类防腐涂料成本很高，国内应用不多。代替的方法之一就是采用性能好而价格便宜的环氧富锌涂层。金属喷涂防护涂层有如下特点4：1) 涂层与基体结合牢固，涂层寿命长，长期经济效益好；2) 工艺灵活，适用于重要的大型及难于维护的钢铁结构的长效防护，且可现场施工；3) 涂层经封闭及涂装处理，可

22、大大延长涂层的使用寿命，从理论和实际应用的效果来看，热喷锌或喷铝的涂层是涂装的最好底层。二者结合起来即形成金属喷涂层与涂装涂层的复合涂层。此复合涂层的防护寿命较金属喷涂层和涂料防护层二者寿命之和还要长，常为单一涂料防护层防护寿命的数倍；4) 施工工艺要求严格，表面处理必须达到Sa3级，要求有专业熟练操作工人。工程施工周期较长。2、富锌底漆重防腐长效涂料系统中，多采用无机或有机富锌涂料作底漆。因富锌涂料底漆组分中，含有大量的金属锌，除具有良好的屏蔽性及渗入焊接处等优点外，有牺牲阳极保护作用。2.1无机富锌漆具有耐水、耐盐雾、耐湿热、耐候等特点，对基体表面处理要求严格， 否则涂层不牢固， 注意与面

23、漆的配套性，否则会发生起泡、脱落现象。2.2有机富锌漆是环氧富锌漆或聚氨酯富锌漆，具有良好的附着力，具有耐油、耐水、耐溶剂、耐冲击好的特点，对基体表面处理要求比无机富锌漆要低一些， 电化学保护作用比无机富锌漆稍差。常用环氧富锌漆作底漆。3、环氧中间漆环氧中间漆是底漆或面漆之间的中间层，它既联底又接面，起承上启下作用，增强屏蔽作用，又可提高涂膜厚度，长效重防腐涂料体系中环氧云铁防锈漆是首选中间漆。云母氧化铁是稳定的-Fe2O3，是六角形片状晶体，在涂膜中以平行的方向重叠排列，可以有效地防止水汽的渗透，对阳光反射力强，还能吸收红外线，延缓漆膜的老化，因此有很好的防锈性能和耐候性。在环氧云铁防锈漆中

24、，环氧基团提供了漆膜优异的附着力。它常与富锌底漆配套使用，具有良好的封闭性能、耐候性、耐久性及耐磨性等。表面具有一定的粗糙度，对面漆有良好的附着力。常与环氧、聚氨酯面漆配套使用。4、氯化橡胶防腐涂料氯化橡胶的Cl-Cl键有一定的极性，有良好的附着力，又因它的组成中不含酯键，故耐腐蚀，漆膜透水率低。在我国大量应用于船舶、港湾结构等重防腐场合，效果良好，所以有人将氯化橡胶作为使用寿命长达3050防腐方案的面漆涂层唯一选择5，这忽视了氯化橡胶比较低劣的装饰性能。由于氯化橡胶中氯的质量分数高达65%以上，所以在受紫外线照射时，常析出氯化氢而降解，用于钢结构表面，这种面漆的装饰性较差，其外观寿命一般不超

25、过五年，在户外使用一、二年后就会严重失光、失色，装饰性能极差，无法适应现代社会同时强调防腐和装饰的新要求。5、氯乙烯醋酸乙烯共聚物防腐涂料氯乙烯醋酸乙烯共聚物涂料，在美国及海湾地区广泛使用。耐腐蚀性优良，漆膜坚韧性及流平性好，耐老化，保色性好，制成的漆不泛黄，但存在溶解性差，黏度高，固体含量低，价格高，污染严重等缺点。6、脂肪族丙烯酸聚氨酯涂料脂肪族丙烯酸聚氨酯涂料是以HDI缩二脲为主要原料的脂肪族聚氨酯与丙烯酸树脂聚合改性的各色丙烯酸聚氨酯漆，它同时兼有丙烯酸树脂和脂肪族聚氨酯的优良性能，又具有优异的耐候性、抗粉化、抗龟裂和优异的耐蚀性、耐油、耐碱、耐工业废料，此外漆膜坚韧耐磨、丰满光亮、美观，具有良好的装饰性，常用于高档装饰。但其户外耐候性寿命也只有12年左右。7、氟树脂涂料氟碳涂料是在氟树脂基础上经改性、加工而成的一种新型涂层材料。其基料氟树脂所含碳氟键的分子结构是已知最强的分子键，键能高达110千焦/mol，而且碳一氟键长度短，因此氟碳涂料有远比一般涂层材料优异的耐酸、耐碱、抗腐蚀、耐候性和摩擦系数小、憎油、憎水、抗粘、抗污染等优异性能。其户外寿命可达20年以上。