橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐體系

摘要:本文關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂裝設計理念，著重介紹了聚氨酯、氟碳、聚合硅氧烷三科橋梁漆配套體系，并提出了目前橋梁防腐涂裝領(lǐng)域中一些熱點問題。

      橋梁是人類最杰出的建筑之一，聞名遐爾的中國江陰長江大橋、潤揚長江大橋、美國舊金山金門大橋、英國倫敦橋、日本明石海峽大橋等，都是一件件璀璨的空間藝術(shù)品和城市的標志性建筑。2003年開工的蘇通長江公路大橋（主垮1088米）和2004年開工的中國香港昂船州大橋（主跨1018米），建成后在世界斜拉橋跨度排名中分列第一、第二位。隨著大型鋼橋的不斷出現(xiàn)，其防護涂裝問題已成為防腐工程界的重要課題。

    鋼橋防護涂裝體系的發(fā)展歷程  從國內(nèi)外的橋梁防腐涂裝變遷來看，橋梁漆的發(fā)展實際上反映了涂料工業(yè)的發(fā)展歷程。橋梁涂料的發(fā)展和使用，和涂料用樹脂和防銹顏料等助劑的開發(fā)應用有著密切的關(guān)系。每一種新的樹脂或涂料助劑的試用成功，都會取代以前的涂料產(chǎn)品而作為某一時期的代表性涂裝體系。  20世紀50年代，我國鐵路鋼橋防護涂料是以采用天然原料為主的低檔涂料，防銹性能差，部分橋梁在涂裝一年后就出現(xiàn)嚴重銹蝕。隨后，鐵科院和全國各大油漆廠家緊密合作，相繼開發(fā)出了305鋅鋇白面漆、紅丹防銹漆、醇酸316面漆。60年代，因醇酸316面漆的耐候較差，鐵科院研發(fā)了醇酸66面漆，改善了耐候性、增強了防腐蝕性能。70年代，出現(xiàn)了灰云鐵醇酸磁漆。1976年，南京長江大橋采用了云鐵聚氨酯底漆加灰云鐵醇酸磁漆的防護體系；武漢長江大橋防護采用了紅丹防銹漆加灰云鐵醇酸磁漆配套體系。一般此類醇酸配套的防護壽命可達5年以上，在橋梁運營過程中需要進行長期的維護。  我國公路鋼橋的大規(guī)模建設開始于20世紀80年代后期，主要用于大跨度的橋梁的建設。而同期的橋梁防護涂料形成了環(huán)氧富鋅、無機富鋅、環(huán)氧涂料、氯化橡膠等產(chǎn)品大量應用的局面。氯化橡膠面漆由于耐候性還是不強，兩三年后會有粉化，于是在90年代以后，耐候性突出的脂肪族聚氨酯面漆，特別是有著良好重涂性能的丙烯酸改性聚氨酯面漆，很快就取代了氯化橡膠面漆的使用。目前的橋梁大多數(shù)使用的面漆是丙烯酸改性聚氨酯面漆，比如江陰長江大橋、潤揚長江大橋、南京二橋、三橋和廣東虎門大橋、武漢白沙洲大橋、云南小灣橋等等。  從世界各國鋼橋涂料防護涂裝應用經(jīng)驗來看，富鋅底漆,尤其是高鋅含量的無機（或有機）

      富鋅底漆+環(huán)氧（云鐵）中間漆+脂肪族聚氨酯面漆配套體系在橋梁防護體系中是很優(yōu)秀的涂料防腐蝕體系。國際標準ISO 14713和英國標準BS5493以及美國高速公路管理局鋼橋防腐維修報告經(jīng)驗證明,此種體系的耐候性在一般的鄉(xiāng)村大氣環(huán)境下至少20年以后才需考慮是否重新涂裝的問題(Re3,1% rusting areas),若在海洋環(huán)境和工業(yè)污染地區(qū)，一般情況下至少也有15年的防護期，是否需要第一次全靣重新涂裝，也要根據(jù)涂層劣化實際情況確定(Re3,1% 銹蝕面積)。 

     然而，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對大型鋼結(jié)構(gòu)工程的防腐蝕提出更高的要求，既要提高長效保護的周期（如20年、30年或更長），又要安全、健康和環(huán)保，符合環(huán)境保護的最新要求；既要美化環(huán)境，又要講究成本和效益。在這方面，除了各種新型重防腐蝕涂料的研究和開發(fā)外，近幾年來在聚硅氧烷涂料和氟碳涂料作為聚氨酯涂料的更新?lián)Q代產(chǎn)品方面進行了大量的研究。據(jù)資料報道，關(guān)于聚硅氧烷方面的研發(fā)，在2002年申請的專利占全部涂料專利的5%。氟碳涂料雖然具有優(yōu)異的保光保色性，耐化學性和表面平滑易清洗等特性，但是由于它只有在含氟的溶劑中才能較好的溶解，要生產(chǎn)低VOC含量的產(chǎn)品有一定難度，同時它的反應物可能會仍然含有異氰酸酯，所以在環(huán)境友好和健康方面還需要進一步改進，并且重涂性限制較嚴。而聚硅氧烷涂料在各種環(huán)境中大型工程上的應用，顯得更為合理和環(huán)保。 

     在日本較早使用氟碳漆（如明石海峽大橋等），而在歐美等國可能出于更重視環(huán)保和健康的原因，現(xiàn)在使用最好的面漆則是綜合性能更為超強的聚硅氧烷面漆。目前，聚硅氧烷涂料可分為環(huán)氧聚硅氧烷和丙烯酸聚硅氧烷兩類。前者為雙組分，如老人牌的55000；后者是單組份，如AMERON公司的PSX1001。環(huán)氧聚硅氧烷面漆和丙烯酸聚硅氧烷面漆在耐候性、保光保色性、防腐性等方面基本一致，區(qū)別在于前者在附著力、耐磨、防腐上更加實出，而后者可能保光性好一些①，但重涂性較差。由于固體份高，兩者均可厚膜化施涂，一次噴涂可達到75～150μm，而老人牌環(huán)氧聚合硅氧烷55000一次噴涂甚至可達250μm，更能適應大型工程施工周期嚴、節(jié)湊快的特點。 

（一）發(fā)展趨勢 

     世界涂料發(fā)展力求符合“4E”原則，即經(jīng)濟（Economy）、效率（Efficiency）、生態(tài)（Ecology）、能源（Energy），在此原則的基礎(chǔ)上，橋梁防護涂料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不斷變革和完善；橋梁防腐漆配套發(fā)展的最新趨勢、特點如下： 

1. 高膜厚化：這是重防腐涂料的重要標志之一。目前橋梁外部主配套的總干膜厚度一般在200μm以上，蘇通大橋設計主配套總膜厚達320微米；南京三橋主配套的總膜厚達380μm。 

2. 涂料選擇高檔化：橋梁防腐的特點要求底漆附著力好、防腐性能實出、而面漆耐候性、裝飾性要好、極佳的保光、保色性、耐久性。為此，高性能的耐蝕合成樹脂（無機-有機合成樹脂等）和新型的顏料（片狀鋅粉等）、填料及助劑的開發(fā)應用更加廣泛、深入。

3. 高固體分、低VOC：盡量減少溶劑對環(huán)境的污染，開發(fā)、使用環(huán)境友好型涂料。 

4. 表面處理嚴格化：橋梁防腐涂料必須和金屬基體的嚴格表面處理相結(jié)合才能達到預期的效果。 

5. 性價比最大化。 

二）設計原則 

     根據(jù)橋梁所處的大氣、化學腐蝕環(huán)境的差異性，按照ISO 12944《鋼結(jié)構(gòu)保護涂層》腐蝕性環(huán)境分類標準和GB/T 15957-1995《大氣環(huán)境腐蝕性分類》，對橋梁所處的大氣腐蝕環(huán)境進行分級。 

① 科學制定橋梁防腐預期壽命 

     一般來說,新建大型公路橋梁在涂裝施工質(zhì)量達標、建成通車后對油漆涂層進行正常的維護及保養(yǎng)的前提下, 目前國際上一般認為大型新建鋼結(jié)構(gòu)橋梁防護涂層的有效使用壽命可達到15-20年，國內(nèi)有一部分大型新建橋梁防護涂層的設計有效使用壽命要求達到25-30年。 

② 結(jié)構(gòu)與工況條件   

     橋梁結(jié)構(gòu)、形狀與工況條件的不同，對表靣處理和涂裝作業(yè)的要求有很大的不同，是涂裝設計量身定做的重要依據(jù)。這些因素主要有： 

● 鋼結(jié)構(gòu)還是砼結(jié)構(gòu)？ 

● 鋼箱梁、鋼板梁、鋼桁梁、鋼管拱？ 

● 懸索橋、斜拉橋、拱橋中的纜索、風咀的特殊性 

● 橋梁結(jié)構(gòu)中各部位工況及其小環(huán)境特點 

● 橋梁外觀與色彩設計要求 

● 橋梁制造流程與涂裝作業(yè)的銜接 

③ 工工藝水平的高低 

     涂料的防護功能有陰極保護、緩蝕作用、屏蔽作用三種作用。施工工藝直接影響底材的表面處理、涂料的成膜質(zhì)量，進而影響涂料防護功能的發(fā)揮。例如，富鋅漆涂在表面處理達不到Sa2.5等級的鋼表面，無法起到陰極保護的作用。因此，現(xiàn)代橋梁涂裝特別強調(diào)：底材的表面處理、選用優(yōu)質(zhì)的重防腐涂料、正確設計涂裝的油漆配套、嚴格控制現(xiàn)場的施工質(zhì)量、加強運營過程中的維護與保養(yǎng)，從而確保及延長橋梁的使用壽命。 

④ 貫徹“全壽命經(jīng)濟分析法”設計思想 、考慮投資限制性因素 

     涂裝設計與任何設計一樣，必須貫徹“全壽命經(jīng)濟分析法”設計思想，控制投資在允許的范圍內(nèi)，才是可行的。 

四、 老人牌橋梁涂裝配套體系 

 虎門大橋是中國第一座大型鋼結(jié)構(gòu)懸索橋，于1996年建成通車。主配套采用了海虹老人牌涂料的以下涂裝體系：無機富鋅底漆 15780-19840（75微米）+ 環(huán)氧封閉漆 15280-50890（ 25微米）+環(huán)氧云鐵漆45670-12130（ 80微米）+聚氨酯面漆55210-54610（ 80 微米）；

總膜厚260微米。隨后的重慶的鵝公巖大橋和江陰長江大橋以及南京第二長江大橋均采用了類似的涂裝體系，此體系在潤揚長江公路大橋上進行了系統(tǒng)的優(yōu)化（用45230代替15280，用45150代替45670）。無機富鋅底漆/環(huán)氧封閉漆/環(huán)氧（云鐵）中間漆/兩度丙烯酸改性脂肪族聚氨酯面漆的橋梁漆配套，用作為鋼箱梁外表面重防腐配套涂層涂裝體系，該配套涂層涂裝體系經(jīng)國家涂料質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心多次檢驗：  耐中性鹽霧試驗： 4392小時達到一級(良好級)，8000小時達到二級(合格級) 濕熱試驗：   1000小時漆膜無變化，評為一級；  人工氣候老化：    1000小時不起泡、不脫落、不開裂、不生銹； 耐酸、耐堿試驗： 5%, w/v, H2SO4 溶液中8小時    合格                       5%, w/v, NaOH 溶液中60小時    合格   而根據(jù)HG/T 3565-1999<鋼結(jié)構(gòu)橋梁漆> 、TB/T 2773-1997<鐵路及鋼橋用面漆供貨技術(shù)條件>及TB/T 2772 -1997 <鐵路鋼橋用防銹底漆供貨技術(shù)條件>等標準規(guī)定，耐鹽霧指標最多為1000小時，因此國家涂料質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心評價認為：“從本中心歷年來對各類涂料耐鹽霧試驗的檢驗結(jié)果看，鹽霧試驗做到3000小時漆膜不破壞的產(chǎn)品已不多見，說明該配套體系的耐鹽霧性能與國內(nèi)同類產(chǎn)品相比性能優(yōu)異”。配以我司優(yōu)質(zhì)的現(xiàn)場技術(shù)服務，因而被國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程廣泛采用，受到橋梁界的普遍好評。  進入21世紀以后，橋梁對涂料的防腐性能要求越來越高，防護期限越來越長；海虹老人牌涂料的橋梁漆涂裝配套體系與時俱進，除了對經(jīng)過實踐長期驗證的經(jīng)典配套體系和涂料產(chǎn)品進行改進以外，還根據(jù)世界涂料和橋梁防護發(fā)展的趨勢，適時推出了防腐性、耐候性更為超強的聚合硅氧烷橋梁漆配套體系。