海洋大氣環境下橋梁鋼構件連接螺栓防腐技術研究

何曉宇，夏宏杰，徐小梅，李宇芊，侯保榮

海洋大氣環境下橋梁鋼構件連接螺栓防腐技術研究

何曉宇1，夏宏杰2，徐小梅3，李宇芊1，侯保榮4

（1.浙江數智交院科技股份有限公司，杭州 310030；2.岱山縣疏港公路工程建設管理中心，浙江 舟山 316000；3.杭州本創科技有限公司，杭州 310030；4.中國科學院海洋研究所，山東 青島 266071）

基于橋梁全壽命周期考慮，通過對包覆防腐、涂層防腐、密封膠與涂層聯合防腐等常用防腐技術的防腐材料、施工工藝和防腐時效等進行了綜合經濟對比分析，得出氧化聚合型包覆防腐蝕技術具備防腐蝕材料先進性、施工質量可控性等優點，是橋梁鋼構件連接螺栓的最優腐蝕防護方案。

海洋大氣環境；橋梁鋼構件；連接螺栓；腐蝕；腐蝕防護；氧化聚合型包覆防腐蝕技術

21世紀是海洋的世紀，發達的海洋經濟支撐并推動著海洋強國的建立。習近平主席為浙江指明了海洋經濟強省的發展目標。隨著交通強省、海洋強省建設的深入推進，舟山跨海大橋、杭州灣跨海大橋等一座座海上橋梁魚躍而起，架起一道道海洋經濟大通道，浙江逐漸從橋梁建設數量大向橋梁建設技術強轉變，實現陸海貫通區域協調發展。

浙江省沿海地區屬北亞熱帶南緣季風海洋性氣候，具備高溫、高鹽、高濕的腐蝕環境，跨海大橋鋼結構及附屬設施長期處于海洋嚴酷腐蝕環境中[1]，相應地帶來了較高養護成本。連接螺栓由于其連接面縫隙的存在，以及動載荷條件下受到摩擦錯動的影響，其長期性能質量直接關聯橋梁鋼結構全生命周期。按橋梁設計使用年限100 a推算，在不考慮經濟指標利率影響及成本上浮影響因素的前提下，全生命周期內的養護成本將達到建設成本的80%，養護投入巨大。

據世界范圍內的腐蝕調研結果估算，采用先進的腐蝕防護措施，可避免17%～35%的腐蝕損失，經濟效益顯著[2]。因此，采用合適的防腐技術，做好連接螺栓的腐蝕防護措施工作，使其充分發揮設計強度和抗震性能，對提升橋梁關鍵基礎構件的耐久性能，從而延長跨海大橋的使用壽命至關重要。

1 連接螺栓腐蝕成因

跨海大橋尤以橋梁鋼構件連接螺栓處最易腐蝕，如圖1所示。主橋和引橋橋面防撞護欄及檢修通道護欄等鋼構件均采用高強螺栓連接立柱與底板，連接螺栓是橋梁護欄金屬構件與基礎面連接、緊固的重要組件，需具備強度高、抗震性能優良等特點。盡管出廠的螺栓幾乎都進行了電鍍、熱浸鍍或化學表面處理等常規防腐措施，但螺栓連接及底板連接處，仍是后期運營過程中最易出現腐蝕的部位。一旦出現腐蝕問題，會降低構件的耐久性及使用性能，不但美觀性不佳，而且構件的使用壽命也達不到設計要求，甚至在運營中引發重大安全隱患。分析跨海大橋連接螺栓腐蝕原因，主要有以下幾個方面。

1）潮濕環境誘發化學反應。連接螺栓大多處于基礎部位，連接位置存在連接縫隙，在海洋大氣環境中，容易積存雨水、露水、污水等。在水的作用下，金屬發生陽極溶解，金屬離子與空氣中的氧結合，生成腐蝕產物，體積膨脹，使涂層開裂，失去保護效果。

2）安裝過程中的碰撞降低初始出廠時的構件防腐層。螺栓在使用過程中的碰撞、擰緊動作，其防腐層易遭到損壞，且難以修復，因此安裝到位的螺栓構件達不到初始出廠時的防腐壽命，導致耐腐蝕性能嚴重下降。

3）連接螺栓在拉應力作用下易腐蝕。連接螺栓主要是用于設備與基礎之間的連接，地腳螺栓在緊固后受到振動等動拉應力的作用，加劇了螺栓的腐蝕[3-6]。

圖1 跨海大橋連接螺栓腐蝕案例

2 螺栓腐蝕防護常用方案

2.1 包覆防腐方案

包覆防腐屬于包覆有機復合層方案，主要有氧化聚合包覆防腐技術（OTC）和復層礦脂包覆防腐技術（PTC）[7-13]，其中氧化聚合包覆防腐技術適用于大氣區的鋼結構包覆，而復層礦脂包覆防腐技術適用于水位變化區和浪濺區嚴峻腐蝕環境的鋼結構包覆。本文重點介紹適用于橋梁鋼構件連接螺栓的氧化聚合型包覆防腐蝕技術。

氧化聚合型包覆防腐蝕技術應用3種緊密相連的保護層，最內層為防蝕膏，中層為防蝕帶，外層為外防護劑[14-15]。此外，根據異型鋼構件部位的實際需要，還包括用于塑型的防蝕膠泥。防蝕膏、防蝕帶的緩蝕劑中含有銹轉化成分，相較于傳統涂層方案，其表面處理要求較低，無顯著鼓泡和浮銹即滿足要求。施工后，空氣中的外層防護劑會發生氧化聚合反應，形成堅韌的皮膜，具有良好的耐老化性能。防蝕膏和防蝕帶粘貼在金屬結構表面，在外防護劑的保護下則永久保持非固化、柔軟的狀態，從而達到最佳的防腐蝕性能。防蝕帶材料柔軟、易貼合，可以廣泛適用于各種復雜形狀的結構、設備[16-17]。因此，OTC技術屬于長效型防腐技術。對橋梁鋼構件連接螺栓進行表面處理后，再依次涂抹、包覆防蝕膏、防蝕帶、外防護劑，可達到長效防腐目的。舟山某橋梁護欄支座和杭州灣區域某跨海橋梁平臺底部連接支撐位置的螺栓包覆防腐案例如圖2所示。

2.2 涂層防腐方案

涂層防腐方案是一種鋼結構外表面采用涂層體系以達到腐蝕防護效果的常用防腐措施[18-20]。根據《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件規范》[21]要求，涂層體系保護年內，要求涂層95%以上區域的銹蝕等級不大于ISO 4628規定的Ri2級，無氣泡、剝落和開裂現象。涂層體系按照保護年限可分為普通型（10～15 a）和長效型（15～25 a）。橋梁鋼結構按照涂裝的部位可分為6類：外表面、非封閉環境內表面、封閉環境內表面、鋼橋面、干濕交替區和水下區、防滑摩擦面、附屬鋼構件（如護欄、扶手等）。按照涂裝階段可分為初始涂裝、維修涂裝、重新涂裝。常規情況下，橋梁鋼構件連接螺栓通常按相鄰鋼構件的涂裝體系進行普通的防腐方案設計，施工時按照相應設計要求和材料工藝進行底漆、中涂和面漆施工。海洋大氣環境下，對螺栓表面進行涂裝是應用最廣泛的一種推薦方案[22]。舟山區域某跨海橋梁采用涂層防腐的工程案例如圖3所示。

圖2 螺栓包覆防腐方案

圖3 螺栓常規涂層防腐方案

2.3 涂層與密封膠聯合防腐方案

密封膠[23]按照聚合物種類可分為硅酮、改性硅酮、聚氨酯、聚硫等。其中，聚硫密封膠[24]是以液態聚硫橡膠為主體，配合硫化劑、促進劑和補強劑等助劑反應而合成的密封膠。聚硫密封膠與大多數的材料都有良好的粘結效果，被廣泛地應用于金屬、玻璃的密封，水池、大壩、橋梁隧道[25]等的混凝土嵌縫。密封膠主要以防水功能為主，目前部分橋梁鋼構件連接螺栓采用了涂層與密封膠組合方案進行防水防腐處理（如圖4所示），通過密封隔離作用，間接起到輔助性防腐效果。

圖4 螺栓涂層與密封膠聯合防腐方案

2.4 其他防腐方案

油性材料方案、防護蓋方案以及油性材料與防護蓋組合方案，如圖5所示。

圖5 螺栓油性材料和防護蓋防腐方案

3 主要方案比選

3.1 防腐原理比較

包覆防腐方案采用3層防腐保護層，其中，防蝕膏具有銹轉化功能，轉化后的黑色氧化亞鐵膜具有封閉保護性作用；防蝕帶和外防護劑均可通過氧化聚合作用形成保護膜。該方案的保護膜柔軟易貼合，抗震性能強，適用于各種復雜形狀的結構。

涂層防腐方案涂抹多道涂層，底漆起到鈍化緩蝕和陰極保護作用；中間層漆增加涂層厚度，增大屏蔽效應；面漆起到保護涂裝層作用。

密封膠與涂層聯合防腐方案，利用密封膠具有較好粘結性，通過在金屬涂層表面涂抹密封膠起到密封防水防腐效果。

3.2 防腐材料比較

包覆防腐方案用到3種材料，分別為氧化聚合型防銹防腐蝕膠黏膏、氧化聚合型防銹防腐蝕膠黏帶和氧化聚合型膠黏劑。防蝕膏具有耐中性鹽霧性（168 h，35 ℃），達到銹蝕度A級標準。防蝕帶拉伸強度高、難剝離，具有耐中性鹽霧性和耐老化性。外防護劑黏度較高，具備耐火性和易干性。

涂層防腐方案底漆附著力強，具有耐熱性和抗滑移性，類型主要有環氧富鋅底漆、無機富鋅底漆、冷噴鋅等；中間層漆具有彎曲性和耐沖擊性，附著力較強，類型主要有環氧云鐵中間漆和環氧厚漿漆；面漆具有耐磨性、彎曲性和耐沖擊性，硬度和附著力較強，類型主要有脂肪族丙烯酸聚氨酯面漆、氟碳面漆和聚硅氧烷面漆。

密封膠與涂層聯合防腐方案所用密封膠質地較為細膩，為均勻膏狀物或黏稠體，不應有氣泡、結塊、結皮或凝膠，無不易分散的析出物。密封膠具備有彈性、易干、粘結性強、難剝離的特性，按照聚合物種類可分為硅酮、改性硅酮、聚氨酯、聚硫等，按照位移能力可分為12.5、20、25級別[26]。

對于螺栓防腐，大黃油和二硫化鉬是常用的油性防腐材料，價格相對實惠。防護蓋采用聚偏氟乙烯（PVDF）材料，港珠澳大橋對局部區域的M30內六角螺栓采用了防護蓋方案進行螺栓的加強防腐。

3.3 施工工藝比較

包覆防腐方案共有4道施工工藝，分別是表面處理、涂抹防蝕膏、纏繞防蝕帶和涂刷外防護劑。表面處理需達到無明顯鼓泡和浮銹，無需進行噴砂除銹，工藝簡單；涂抹防蝕膏用手均勻涂抹，謹防漏涂；纏繞防蝕帶從下往上依次粘貼，每層應依次搭接55%左右，將里面空氣壓出，確保緊密貼合；外防護劑涂刷2次。

涂層防腐方案共有4道施工工藝，分別為表面處理、涂抹底漆、涂抹中間層漆、涂抹面漆。其中，表面處理要對結構進行表面預處理、除油、除鹽分、噴砂除銹等，涂抹涂層需要確保均勻一致，不允許有漏涂、氣泡、裂紋、氣孔和返銹現象，允許存在輕微橘皮和局部輕微流掛現象，并隨時檢查濕膜厚度，以保證干膜厚度滿足設計要求。

密封膠與涂層聯合防腐方案中，涂層方案施工工藝與常規涂層方案一致，密封膠防水共有2道施工工藝，分別為表面處理和涂抹密封膠。

油性防腐施工方便，可直接在被保護螺栓表面涂抹，整體美觀性較差。另外，油性材料屬于可燃材料，存在一定的安全隱患。防護蓋可批量預制，施工便捷，整體美觀性更好，但防護蓋的密封牢固性對其防腐效果影響顯著，僅適用于尺寸規格相對單一的構件。實際工程中，螺栓螺母規格繁多，螺桿超出螺帽的尺寸千差萬別，防護蓋尺寸的匹配直接影響其密封性。橫跨杭州灣某大橋護欄支座采用了油性材料加防護蓋防腐方案，臺風過后曾發生大量防護蓋被吹掉的情況。

3.4 防腐效果比較

包覆防腐方案屬于長效型防腐技術，正常使用情況下防腐年限在20 a以上。日本某橋梁拉索采用OTC連續防腐時間已超過30 a。氧化聚合型包覆防腐技術從2012年開始在國內市場進行了試點應用，至今，已經應用在不同領域的30余個項目中，經過后期的腐蝕防護效果驗證，得到了各個項目業主的肯定。2012年大連國際會議中心鋼結構防腐工程，針對焊接縫、螺栓節點等常規防腐技術防護薄弱的部位，對不同防腐技術進行了反復論證和驗證，最終還是采用了可以帶銹施工的OTC包覆技術。該方案在大連國際會議中心鋼結構包覆防腐工程（2012年）、青島海灣大橋吊桿防水套包覆防腐工程、天津LNG管廊地腳螺栓包覆防腐工程[27]、文昌衛星發射基地（2015年）進行了現場掛片試驗和局部試點應用，經過3 a的驗證，這項技術最終獲得業主的認可。2018年和2019年文昌基地陸續開展了2期工程共計8個避雷塔的包覆施工。溫州東歐大橋和舟山官山大橋吊桿防水套包覆防腐工程效果如圖6和圖7所示。杭州灣跨海大橋是世界第二長跨海大橋（36 km），于2008年5月1日通車，通車不到1 a時，現場調研發現，水中平臺下部的剪刀撐部位已出現輕微銹蝕。2012年，通車4 a，再次調研時，剪刀撐腐蝕已較為明顯，幾乎所有的剪刀撐上均發生較為嚴重的銹蝕。平臺建成僅使用不到5 a，剪刀撐連接區、變徑樁焊接區、螺栓連接區銹蝕嚴重，銹層厚度達1 cm。2013年，針對上述銹蝕區域采用了涂層防護維修方案，維護后的涂層使用不到5 a又全部失效。2018年針對剪刀撐連接部位，改變了涂層方案，采用了包覆防腐方案。

圖6 溫州東歐大橋吊桿防水套包覆防腐方案效果

圖7 舟山官山大橋吊桿防水套包覆防腐方案效果

涂層防腐方案在國內外橋梁中得到大量應用，舟山的2座跨海橋梁鋼結構外表面采用了防腐涂裝體系，建成5 a后，出現了多處防腐涂裝劣化、鋼材腐蝕、螺栓松動等腐蝕問題。港珠澳大橋鋼護欄及其小型鋼構件采用氟碳面涂的防腐方案（如圖8所示），其表面抗老化壽命也不超過15 a[28]。

圖8 舟山跨海大橋涂裝防腐方案腐蝕

油性材料防腐方案在夏季會出現融化流淌現象，1 a左右，油性材料會變干，需要定期維護，后期維護工作量大。由于防護蓋的密封牢固性不足，防護蓋方案的時效存在不確定性。

涂層與密封膠聯合防腐方案設計使用年限一般取決于涂層防腐年限，通常為5～10 a[29]。由于密封膠抗老化性能較差，尤其是構件棱角位置，通常使用3～5 a就會發生開裂（如圖9所示）。因此，該方案需定期（5～10 a）進行再次維護，以達到長效的密封效果，間接起到隔離環境降低腐蝕的防護需求。橋梁連接螺栓常用腐蝕防護方案的對比參見表1。

圖9 某大橋護欄基座螺栓密封膠防腐方案

表1 橋梁連接螺栓腐蝕防護常用方案比較

Tab.1 Comparison of common schemes for anticorrosion of bridge connecting bolts

4 結語

本文分析了橋梁螺栓等異型鋼構件的常用防腐方案，通過對不同方案的防腐材料、施工工藝和防腐時效等進行了綜合經濟比對。分析結果表明，氧化聚合包覆防腐新技術優勢明顯，施工便捷，防護效果優良。綜合考慮腐蝕防護效果及全壽命角度腐蝕防護費用最小的原則，大氣區橋梁鋼構件連接螺栓推薦使用氧化聚合型包覆防腐蝕技術方案。

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Study on Anticorrosive Technology of Connecting Bolts of Bridge Steel Members in Marine Atmospheric Environment

HE Xiao-yu1, XIA Hong-jie2, XU Xiao-mei3, LI Yu-qian1, HOU Bao-rong4

(1. Zhejiang Institute of Communications CO., Ltd, Hangzhou 310006, China; 2. Shugang Highway Engineering Construction Management Center, Daishan County, Zhejiang Zhoushan 316000, China; 3. Hangzhou Benchuang Technology Co., Ltd., Hangzhou 310006, China; 4. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Shandong Qingdao 266071,China)

In this paper, based on the consideration of the whole life cycle of the bridge, the comprehensive economic comparison and analysis of the anti-corrosion materials, construction technology and anti-corrosion effectiveness of the wrapping anti-corrosion, coating anti-corrosion, sealant and coating combined anti-corrosion and other common anti-corrosion technologies has been studied. The results show that the technology of corrosion protection with oxidation polymerization has the advantages of advanced corrosion resistant materials and controllable construction quality. It is the best corrosion protection plan for connecting bolts of bridge steel members.

Marine Atmospheric Environment; Bridge Steel Member; Connecting Bolt; Corrosion; Corrosion prevention; Oxidation Polymerization Coating Anticorrosive Technology

TG174

A

1672-9242(2023)01-0076-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.011

2021?12?14；

2021-12-14；

2022?02?14

2022-02-14

浙江省交通運輸廳科研計劃項目（2020003）；交通運輸行業重點科技項目（2020-GT-010）

Sources Science and Technology Plan Project of Zhejiang Provincial Department of Transportation (2020003); Transportation Industry Key Technology Project (2020-GT-010)

何曉宇（1981—），女，博士，高級工程師，主要研究方向為水運及海洋工程結構優化、防腐及智慧應用等。

HE Xiao-yu (1981-), Female, Doctor, Senior engineer, Research focus: structural optimization of water transportation and offshore engineering corrosion prevention and intelligent application.

何曉宇, 夏宏杰, 徐小梅, 等. 海洋大氣環境下橋梁鋼構件連接螺栓防腐技術研究[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(1): 076-082.

HE Xiao-yu, XIA Hong-jie, XU Xiao-mei, et al.Study on Anticorrosive Technology of Connecting Bolts of Bridge Steel Members in Marine Atmospheric Environment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 076-082.

責任編輯：劉世忠