鋼結構橋梁防腐工藝現狀

張 宇

(烏蘭察布市公路養護中心，內蒙古 烏蘭察布 012000)

隨著公路的迅速發展，鋼結構橋梁的應用越來越多，特別是地震多發和強震地區及跨越鐵路、高速公路、城市道路時用鋼結構橋梁更顯其優勢，進而使得鋼結構防腐問題日益突出。筆者就鋼結構橋梁防腐現狀及防腐蝕工藝進行介紹。

1 鋼橋發展概況

我國的鋼產量從2005年的3.5億t到2020年的10億多t。十多年間急速增長，庫存巨大。這是近十年來我國鋼鐵行業最典型的寫照，所以合理、高效的去庫存、去產能已經成為經濟發展的重要課題。

為深入落實《國務院關于鋼鐵行業化解過剩產能實現脫困發展的意見》，交通運輸部也相應發布了《交通運輸部關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》，要求提升公路橋梁品質和耐久性，降低全壽命周期成本，推進鋼結構橋梁建設，促進公路建設轉型升級、提質增效。

從數據上來看，法國、日本、美國鋼結構橋梁占比分別為85%、41%、35%，我國鋼結構橋梁占比不足1%。而我國鋼材產量已超過全球產量的1/2，Q345q、Q370q、Q420q等優質高強結構鋼得到了廣泛的應用，鋼材質量已經達到世界先進國家常用橋梁結構鋼的要求。同時，近年鋼材的價格又大幅度降低，2020年國內鋼板價格降到約4 000元/t。另一方面，近年的勞動力成本和砂石料的價格又大幅度的增加，人工成本逐年增長，混凝土橋梁施工所需人員成本比例在逐漸增加，這種背景下，我國已經完全具備推廣鋼結構橋梁的能力。

混凝土橋梁所需的水泥產生的能量消耗和二氧化碳排放以及砂石料開采均給環境保護帶來了很大的壓力。中小跨徑混凝土橋梁大量采用現澆施工，往往采用混凝土對場地地基進行硬化處理，產生大量的建筑垃圾。城市橋梁現澆混凝土施工對城市交通和環境也產生了許多不利的影響，所以推廣鋼結構橋梁勢在必行。

2 腐蝕環境現狀

鋼材的銹蝕是指其表面與周圍介質發生化學作用或電化學作用而遭到破壞。鋼材銹蝕不僅使截面減小、性能降低甚至報廢，而且因產生銹坑會造成應力集中，加速結構破壞。

鋼結構的防腐蝕性差，是由其使用的環境所決定的。鋼材的腐蝕速度與環境、濕度、溫度以及腐蝕介質的存在有關。在常溫大氣環境下，大氣中的水分、氧和其他污染物的作用，使鋼材發生電化學腐蝕，即鋼材構成原電池的陽極，通過溶解和氧氣逐漸變為鐵銹，鐵銹能夠吸收大量水分，致使銹層體積膨脹使腐蝕繼續擴展到內部。在高溫環境中，鋼材會發生化學腐蝕，高溫狀態下金屬和干燥空氣接觸，表面會生成氯化物、硫化物、氧化物等化合物，形成對鋼材的化學腐蝕。

我國幅員遼闊，東西跨越4 000多km，南北跨越5 000多km，既有嚴寒干旱少雨的內陸沙漠又有濕熱多雨的沿海地區，大氣腐蝕種類從C1到C5-M都有。大氣中的腐蝕介質會對橋梁鋼結構產生腐蝕，腐蝕、應力腐蝕和腐蝕疲勞是使橋梁鋼結構退出工作、壽命降低的重要原因之一，給社會造成巨大的經濟損失。

鋼材腐蝕已成為大型鋼結構建筑的最大危害，嚴重影響其使用安全和壽命。據統計，全世界每90s就有1t的鋼鐵腐蝕成鐵銹，美國高速公路管理局1998年統計，其境內州際和國家級橋梁279 543座，因腐蝕需要維修的橋梁68 466座，腐蝕率24.5%；全球每年因腐蝕損耗的金屬達2.3億t，約占當年鋼產量的30%；美國2002年發布的第7次腐蝕損失調查表明，1999年-2001年間美國每年直接腐蝕損失2 760億美元，約占GDP的3.1%；我國則達到4%，由腐蝕帶來的間接損失更難以估算，而高效防腐技術可以使腐蝕損失減少25%～40%，因此鋼結構橋梁防腐很有必要。

3 防腐蝕工藝現狀

鋼結構防腐，通常采取REMAKE金屬基自修復系統進行修復。REMAKE具有阻止金屬基材電化學腐蝕功效，它能把金屬基面的鐵銹轉化為致密的氧化膜對鋼板形成第一道防線。利用活性高的金屬元素陽極犧牲保護原理，能阻止基材的進一步氧化，從而形成第二道防線。

在歐洲和北美地區鋼橋的防腐發展過程是：20世紀40年代至70年代為油漆防腐；20世紀70年代以后為重防腐涂料防腐，與油漆防腐相比，因其涂層與基體結合力高、生產效率高、養護周期更長而得到廣泛應用。

我國鋼橋腐蝕到目前為止，仍集中采用刷油漆防腐。新中國成立以來，鋼橋防腐技術的變化也主要集中在對油漆的種類進行調整。隨著大型鋼橋的建設，其防腐問題開始突出，鉛系涂裝體系的防腐耐久性差和維護費用高昂的缺點日漸顯現，而后開發了重防腐涂料，經過對底、中、面漆的配套使用，使鋼橋的防腐壽命有較大提高。

目前，國內外大型鋼結構防腐蝕主要技術有兩種：①重防腐蝕涂料涂層體系，即底漆+中間漆+面漆的三重涂層組成的重防腐蝕涂層體系；②熱噴涂復合涂層體系，即電弧噴涂鋅、鋁或鋅鋁合金+封閉涂層+面漆的復合涂層體系。二者的綜合參數對比見表1。

表1 兩種防護體系對比

考慮初始投入，目前國內業主還多用后者，但隨著對鋼結構全壽命防護技術的不斷認識，越來越多的業主已切身感受到高質量復合涂層防護體系的安全、經濟和可靠性。

我國的熱噴涂腐蝕防護技術研究及應用起步較晚，但進展迅速，尤其是改革開放以來，熱噴涂金屬涂層及其復合涂層防護技術在煤礦、港口碼頭、民用大型鋼結構建筑、橋梁、高速鐵路、大型船舶以及其他大型工業化項目(如石化、電力、海洋)上快速普及應用，取得了優異的社會效益及經濟效益。目前我國熱噴涂金屬涂層及其復合涂層技術與在戶外大型工程上的施工應用技術已達到國際先進水平，部分領域的研究及應用技術處于國際領先地位。

隨著我國經濟建設和國民經濟的不斷快速發展，各類大型戶外鋼結構工程設計、施工數量迅速增加，對工程使用壽命、施工保障、安全運行提出了更高要求，如從以前的50年提高到100年，甚至120年；由于人口增長、工業發展等社會發展帶來的全球變暖、世界金融危機等環境影響，人類環保及低碳經濟發展都要求腐蝕防護技術有飛躍性的發展提升。因此，研究鋼結構的腐蝕和防護是一個重大課題，對于延長鋼結構的服役壽命、減小災害性腐蝕破壞、提高經濟效益都具有重要的現實意義。

雖然熱噴涂技術具有經濟性和防護效果好的優勢被世界各國廣泛應用于鋼結構的腐蝕防護，但是由于目前要求對鋼結構構件進行長期保護(幾十年甚至上百年)，尤其是要求對大型的重要鋼結構構件在服役期內免維護或少維護，現有的金屬復合涂層技術已逐漸難以滿足上述的技術需求，如現有金屬涂層孔隙率、涂層與基體的結合強度、耐蝕性等性能指標已經不能滿足惡劣的腐蝕環境，迫切需要研究開發新型的可靠的腐蝕防護壽命更長的熱噴涂材料。

鋅銅鈦合金材料具有耐蝕性能好、鈍化膜自愈性好、耐蠕變性能好、涂層孔隙率低等特點，同時，在較長時間內涂層仍具有強的耐蝕性，因而能夠應用于要求長壽命強耐蝕的大面積鋼結構腐蝕防護領域。

針對鋅銅鈦合金相比其他傳統金屬涂層材料的優點，以及越來越嚴峻的腐蝕環境和更嚴格的鋼結構腐蝕要求，現有金屬復合涂層技術已逐漸難以滿足上述技術需求，而在純鋅中銅、鈦的加入，能填補原有基材的相缺陷、細化晶粒，顯著降低脆性和易開裂等問題，整個金屬涂層體系防腐蝕性能有了質的提升。因此，推動鋅銅鈦合金作為大面積鋼結構防腐金屬涂層就更為必要。

4 結束語

隨著我國經濟建設和國民經濟的不斷快速發展，各類大型戶外鋼結構工程設計、施工數量迅速增加，對工程使用壽命、施工保障、安全運行提出了更高要求，在鋼結構橋梁防腐設計中推廣熱噴涂腐蝕防護技術是當今世界的發展趨勢，對于延長鋼結構橋梁的服役壽命、減小災害性腐蝕破壞、提高經濟效益都具有重要的現實意義。