工业防护涂料在桥梁工程上的应用探讨

文山书院 2017-03-04

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工业防护涂料在桥梁工程上的应用探讨

沈思科，白书亚，田云生，任礼兵，晁兵(中国矿业大学江苏中矿大正表面工程技术有限公司, 江苏徐州 221008)

0 前言

桥梁工程必须要进行腐蚀防护的主要构件有桥梁主体工程的钢结构桥体（钢箱梁、钢桁梁、钢管拱等钢结构）、钢桥面及桥面系钢结构（防撞护栏、人行道或维修通道栏杆、其他附属钢结构设施）、钢筋混凝土主塔（极个别为钢塔）、桥墩干湿交替区（潮差区）以及悬索桥的混凝土锚碇外表面，结合防护及美观装饰需要，桥梁混凝土预制箱梁、引桥、桥墩大气区等目前也大都进行了涂装防护。

当前桥梁主要钢结构的防腐技术主要有两种:一种是重防腐涂料涂层体系，即“无机或环氧富锌底漆+中间漆+面漆”的三重涂层组成的重防腐涂层体系;另一种是电弧喷涂金属复合涂层体系，即“电弧喷涂金属涂层（Zn、Al、Zn/Al、Al/Mg等）+封闭涂层+中间漆+面漆”的复合涂层体系。混凝土表面防腐根据需要可采用“底漆（封闭漆）+面漆”、“底漆（封闭漆）+中间漆+面漆”和硅烷浸渍等防护技术。根据报道采用重防腐涂层的上海南浦大桥（1986年建造）及其后的杨浦大桥、徐浦大桥，在投入运行3～5 a内主桥钢梁即出现明显锈蚀问题;2008年建成通车的杭州湾跨海大桥，采用重防腐涂层的防撞栏杆尤其是基座部分1 a后出现锈蚀、涂层脱落现象，桥面系栏杆所用的氟碳面漆也出现了不同程度的老化现象。

1 考察主要情况

鉴于所述情况，笔者于2009年对浙沪、武汉、广东等地区的26座桥梁工程进行了走访，其中斜拉桥13座、悬索桥5座、钢管拱桥3座、其他桥型5座;表面涂层连续使用寿命达到10 a以上的5座，5 a以上的7座;桥梁主体钢结构采用重防腐涂层体系的6座，金属复合涂层体系的10座;主塔采用涂料涂装的18座，采用硅烷浸渍处理的3座。原有复合涂层所用涂料一般为环氧底漆、环氧云铁中间漆和丙烯酸聚氨酯面漆，目前混凝土防护面漆逐渐采用氟碳面漆，现有工程的首期维护也多采用氟碳面漆（如西陵长江大桥、虎门大桥等）。

被考察桥梁工程钢结构主体、混凝土主塔的涂层防护效果良好，其表面涂层基本达到了预期的防护寿命，其中面漆正常进行首期大修的使用寿命为:西陵长江大桥13 a（钢箱梁及主塔）、虎门大桥12 a（钢箱梁及主塔）、武汉白沙洲长江大桥9 a（钢箱梁及主塔）、汕头海湾大桥13 a（主塔）。南浦大桥（叠合梁）、杨浦大桥（混合箱梁）的钢结构虽然从使用初期就很快出现局部锈蚀现象，但在加强日常维护后，其首期维护基本能坚持到2001年涂层实现预期寿命（10 a）后进行（2009年因举办世博需要再次进行整体维护和亮化）。综合来看各类复合涂层体系的防护效果基本达到了设计要求。

2 主要问题及改进建议

2.1 涂料质量问题

2.1.1 面漆耐候性问题

桥梁工程普遍采用的丙烯酸聚氨酯面漆具有良好的耐候性能，但在考察时发现，这些面漆涂层在户外使用3～5 a后即出现明显的变色、失光甚至是粉化现象。图1为杭州复兴大桥2004年与2009年的外观对比，可以发现向阳面涂层变色更加显著（已出现粉化）。

大中型桥梁工程采用的涂料基本上都是通过招标方式购自国内外知名厂商，其质量足应令人信任，出现上述问题，笔者结合现场检测情况分析可能有以下两方面原因:一是施工控制方面，即涂料现场调配、混合及涂装工艺控制不到位，造成涂料配比不准确、分散不均匀、涂刷时机不当等问题的发生，直接导致包括涂层耐候性能在内的涂层质量下降;二是产品耐候性检测条件可能欠严苛，笔者在现场发现，即使在9月底一个多云的日子，杭州复兴大桥钢构件（向阳面）表面最高温度也达到了56.8 ℃、混凝土表面达到了50.3 ℃，而涂料产品耐候性试验室检测方法为人工加速老化（氙灯或紫外灯），其检测条件一般为8 h光照60 ℃/4 h冷凝50 ℃，而桥梁钢构件向阳面的夏季光照极限温度已远高于60 ℃，实验室确定的加速条件与桥梁工程所处的户外实际条件相差较大，已很难起到有效的预测评估作用。

建议在加强现场涂料涂装质量控制的同时（如加强配料准确性、采用机械混合装置、严格执行涂装工艺），提高产品耐候性的模拟检测条件，如采用8 h光照70 ℃/4 h冷凝50 ℃、采用辐照稳定可靠的进口灯管，更严格地进行涂料原材料的选择、搭配及涂层耐候性测评，大幅提高面漆的耐候性能。

2.1.2 富锌底漆的结合问题

富锌底漆的结合问题主要表现在钢桥面铺装层的质量上。钢桥面铺装层是建立在钢桥面防腐涂装层基础上的，许多桥梁通车后短期内桥面铺装层即出现车辙、开裂、推移、拥包等病害，技术人员分析认为原因之一可能是防腐涂装的富锌底漆层与底层钢板基体的附着力不足。调研发现，钢桥面使用1 a即开始出现上述问题（如杭州湾大桥、武汉阳逻长江大桥）而不得不进行路面修补（见图2），考察也发现采用热喷涂金属涂层取代富锌底漆层，桥面使用效果无明显改进。对此业内专家分析认为，钢桥面上铺装沥青混合料是一个世界性难题，沥青铺装层与钢桥面膨胀系数不一样，受环境温差变化影响沥青铺装层容易出现裂缝并产生滑移，车辆通行时产生振动也易导致桥面沥青铺装层断裂;陈先华等人的研究成果表明，综合改善办法应包括钢桥面结构的设计优化、桥面铺装体系的配套改进及铺装施工质量的严格控制。富锌底漆的结合问题可能并不是造成钢桥面铺装层质量问题的关键原因，现有研究表明钢桥面采用环氧富锌底漆是较佳选择。

2.1.3 湿固化涂料体系

海工钢筋混凝土的浪花飞溅区、潮差区不仅经受海洋大气腐蚀，还有海水夹杂泥沙与海洋漂浮物的冲刷、气蚀、干湿交替以及异物意外撞击等的侵蚀，其腐蚀级别达到E级和F级，该处混凝土的涂装施工还存在基体表面潮湿、涂装时间短促、施工涂层受到海水反复浸泡等不利因素影响，如何对其进行有效防护也是目前技术研究的热点和难点。在前期试验的基础上，部分跨海大桥的混凝土潮差区采用了湿固化体系防护。本次考察发现，湿固化涂层的防护效果并不理想，几年内已出现附着力降低、涂层大面积脱落问题（见图3），产品及涂层体系还需要进一步的研究改进。桥梁工程采用湿固化体系前均进行了严格的试验检验（包括现场涂装检验），出现上述问题可能不仅限于涂料产品本身因素，笔者建议在研究湿固化涂料产品的同时，研究适用于现场施工条件的配套涂装技术更至关重要。

2.1.4 涂层被动开裂问题

考察发现桥梁混凝土结构（主塔、桥墩及基座、锚碇）都存在不同程度的表面开裂问题（见图4），由于涂料复合涂层具有一定的追随性（延伸量），如复合涂层厚度为100 μm时涂层延伸量为0.81 mm、200μm时延伸量为1.29 mm，混凝土实际开裂状况应更加严重。

面对上述问题，针对涂料产品的改进有两种不同意见:涂料人员建议提高涂料涂层的追随性，有效遮挡屏蔽混凝土产生的裂缝，阻止腐蚀介质沿缝渗入侵蚀钢筋;而工程养护部门则反对对裂缝的有意识遮盖，认为不利于对混凝土结构裂缝的早期发现、监控以及及时维护。由于现有涂料产品难以同时满足上述双方的要求，国外开发的有机硅烷浸渍产品得到了应用机会（如GE的硅烷产品），其渗透力（C50）可达到2.5 mm、透明效果不掩盖任何底材变化，而且耐候性、憎水性等性能突出。武汉阳逻、天兴洲两座长江大桥主塔即先后采用了类似技术，该技术的唯一缺陷是装饰效果明显不足，因此建议涂料技术人员以此为鉴，开发出性能更优的涂料新品种（如半透明+渗透性+耐候性+装饰性涂料）。

2.2 桥面系金属构件防护问题

考察发现，桥面系金属构件锈蚀是和面漆老化一样普遍存在的问题，虽然属于轻度锈蚀、短期内并不威胁到桥梁主体的安全使用，但其涉及面广、负面作用大，已严重影响了桥梁工程的装饰美化效果。桥面系金属构件锈蚀现象集中发生在钢构件边角棱角处、涂层破损处以及施工缺陷处。

钢构件边角棱角是涂装防护的难点和重点，现有涂装施工文件已明确要求将桥梁钢结构主体钢构件的边角打磨成弧形（R=2 mm）[9]，但由于桥面系钢构件种类及数量繁多、外形尺寸小，而连接和紧固件也必须保有棱角，难以一同打磨处理，实际控制时采用复合处理方法，如底材先镀锌或涂装达克罗涂层，然后喷“底漆+面漆”或是锌加涂料，也有直接采用不锈钢材料甚至再喷面漆的，但效果都不是很理想。杭州湾跨海大桥对螺栓外加了塑料防护罩;西堠门大桥在风障上使用了铝型材横栏，钢护栏采用了热喷涂金属复合涂层防护技术，螺栓表面采用了外涂锌加涂料或者是“密封剂密封+外涂面漆”技术，都取得了一定的改善效果。笔者则建议针对边角部位涂层厚度偏薄的问题，除增加涂料的触变性，更重要的是考虑提高涂层的屏蔽性能，尤其是通过添加片状颜料（如云母氧化铁、锌粉、铝粉等）显著提高底涂层的屏蔽性能。
涂层破损则主要是由于行驶车辆剐蹭、碰撞引起的，由于大部分破损处不能得到及时的维护处理，导致腐蚀现象的蔓延。施工缺陷处也是腐蚀破坏发生的主要位置，例如掉落的刷毛很容易就成为腐蚀介质的突破口（见图5），即使是热喷涂金属复合涂层防护体系，如果施工质量控制不到位，也难以为钢铁基体提供有效保护（见图6）。考察也发现，不论何种复合涂层体系，都有表面防护完好的工程构件，小到一枚螺栓，大到整节箱梁，可见设计的涂层体系可以达到预期防护效果，而施工控制非常关键。