桥梁防腐徐浦大桥钢箱梁涂层翻新工艺
2010-12-20
介绍了徐浦大桥原涂层配套及维修前锈蚀等级、使用寿命在30年以上的新涂装配套方案设计、翻新工程的工艺参数和技术标准。
1、工程概况
徐浦大桥是黄浦江上的第3座大桥，其中钢箱梁约1.1万t，总面积约68000m2，1997年1月涂装施工结束。按业主和设计单位的指定。
根据国际标准ISO12944-2中大气腐蚀环境分类的定义，徐浦大桥钢箱梁处于c3（中等）的腐蚀环境。其中，暴露1a后，单位面积上低碳钢及锌层质量的损失量（或厚度损失量）是涂装设计的依据。ISO12944-5对腐蚀环境、使用寿命和漆膜厚度作了系统规定。
标准中提出涂装配套系统的高耐久性的使用寿命为大于15a。在ISO12944标准中特别强调了预期的耐久性与涂装设计使用寿命是同一概念。耐久性不是商业上的担保时间，而是指配套涂层达到第一次大修前的时间，此时涂层状态应达到IS04628-3的Ri级，锈蚀面积为1%。
根据标准，徐浦大桥的涂层应具有大于15a的使用寿命。但在2004年，我公司有关人员在例行检查中发现涂层锈蚀等级已达到IS04628-3的Ri3级，锈蚀面积已达到了1%。根据国内外先进经验，此时维修是最经济有效的阶段。2004年3月，上海浦江桥隧运营管理有限公司决定对徐浦大桥钢箱梁中的2万m2进行大修。
涂层配套方案及规定膜厚的设计大桥涂层在使用期间内若频繁地进行维修保养，不仅会花费巨额维护费用，更重要的是涂层维修施工中喷砂、打磨等作业会严重影响正常的交通安全，且对环境保护不利。因此有效保护大桥钢构件，延长涂层使用寿命是涂装设计的主要内容。
锌层含量以97%计算，100μm锌层防护年限为：
2、防腐方法
对这种多孔金属喷涂层，在喷涂以后，选用合适的封闭涂料进行封闭处理，或者在封闭后再进行涂装，形成复合防护体系，可大大提高防腐性能，达到长久防护的目的。荷兰热镀研究所通过20余年的研究指出，喷涂Al、Zn以后，进行封闭处理，其耐蚀性可比单一喷金属涂层和单一封闭涂层的寿命的总和高出50%～120%，此谓之协同效。
如100μm锌层的防腐年限为18a，110μm重防腐涂料的防腐年限至少2a，按协同效应，总的防护寿命至少为：
（18+2）X150%=30a
对照方案可达到30a的使用寿命。30a后涂层的锈蚀等级为ISO4628-3的Ri3级，锈蚀面积为1%。
3、涂装工艺及相应的技术参数
高质量的涂层配套需用先进的涂装工艺技术来实施，因此设计了涂装工艺流程和相应的技术参数。
带旧漆膜钢箱梁→去除松动漆皮、局部污垢、焊缝打磨除锈→喷砂处理→用有机溶剂擦拭局部油斑→干燥压缩空气吹尽灰尘及砂粒等→电弧喷锌或锌铝层→喷涂封闭漆→喷涂二道面漆→检查质量→修补→交验。
3.1喷砂
在钢箱梁翻新工艺中，喷砂处理是其中重要的一环，经过喷砂处理使钢箱梁表面具有一定的清洁度和粗糙度，提高了钢材表面的活化度和表面积，也就增强了金属涂层与钢材的结合力，改善了锌及锌铝涂层内的应力分布状态。
3.1.1喷砂设备
本工程中采用北京某涂装机械制造厂生产的型号为JLR-1D型自动循环回收式喷砂机。该机属环保型产品，喷砂后的粉尘由该机自动吸除，碎磨料及粉尘等不会外溢或落人黄浦江中。同时，在施工现场还采用了三防布围遮，以形成相对封闭的空间，不影响周边环境。
3.1.2磨料
针对循环式喷吸砂机的工作特性，厂商指定必须采用棱角钢砂或棕刚玉砂。
经过上述技术、经济指标的分析，采用棱角钢砂作为磨料，磨料的特性分析见表3。由于粗糙度的大小主要决定于磨料的颗粒直径；徐浦大桥涂层总厚度为200μm左右；为了保证涂层的附着力，喷砂后钢材表面粗糙度Rz为70μm左右；因此合适的棱角钢砂粒度应为G14～G18，颗粒直径1.0～1.7cm。磨料必须无油、无尘、无返潮结块现象。
3.1.3喷砂工艺
要保证压缩空气的质量，特别在供气管线上要安装有效的油水分离器，使压缩空气清洁干燥、无油、无其他污物。在相对湿度（RH）小于85%的条件下，喷砂后的钢材表面在4h内需喷涂锌或锌铝合金。
3.2电弧喷锌
近几年来，金属喷涂层广泛用于钢结构桥梁的新建、重建或表面维修。金属热喷涂主要有喷锌、喷铝和喷锌铝合金等。在对钢铁的保护方面，锌层的阴极保护作用突出；铝层的耐蚀性能好；锌铝合金层有更强的保护作用，它的电位接近锌，而耐蚀速度接近铝，综合性能优于锌、铝层。这就是徐浦大桥选用喷锌和喷锌铝合金的理由。
3.2.1锌铝丝
丝材质量直接决定镀层质量。特别是丝材不纯会直接导致金属涂层腐蚀速率增大。耐蚀性能下降。
停止使用时，锌铝丝需覆盖、包扎，以保证清洁。稍有沾污，应用清洁抹布擦净。
3.2.2热喷涂设备
工程中采用了日本产AS-400大功率电弧喷涂机，德国制造的SRC-15空压机和SSD10AA空气冷干机组成的整体热喷涂系统。其中，日本产的DA1HENAS-400电弧喷涂机具有下列特点。
喷涂电源。采用了先进的双向电源控制回路设备，高效耐用，而且使电流稳定。
送丝装置。研制的新型同步双推和四轮驱动送丝装置，能准确供给锌铝等软质细丝，且电弧稳定。同时，该机有先进的遥控接受、电缆端口接送系统，取代常规的溶丝圈交换技术，使喷抢装置能保证丝材相交点始终位于雾化气流中心，电弧燃烧稳定。
喷枪的轻量化。枪体质量仅为1.5kg，喷枪与电缆质量小，减轻了操作工人的劳动强度。
高防尘性能。电源及送丝装置均使用了防尘保护系统。
3.2.3技术条件
电弧喷涂热源。电弧喷涂时的功率是由电弧电压和电弧电流决定的，因此也就决定了热源参数。在适当的电弧电压范围内，喷涂过程稳定，粒子射流集中，尺寸均匀细小；过低则熔化热量不足，短路现象频繁，电弧不稳定；过高则射流角度增大，雾化效果差。虽然AS400喷涂机输出电压范围可控制在14～36V范围，但在徐浦大桥电弧喷涂工艺中，一般控制在20～24V，效果最好。
喷涂工作电流决定着喷涂生产效率，加大工作电流可提高生产效率，并可减少镀层的气孔率与氧化物，在实际工程中，采用的电流为200A，对保证涂层质量、提高生产效率十分有利。
雾化技术参数的控制。在工程中，采用了压缩空气作为气源，压缩空气的压力和流量对颗粒的细化、加速以及镀层的质量有明显的影响。实践证明，喷涂中，工作气压控制在0.69MPa、流量为1.3m3/min最为适宜。
操作工艺参数的控制。
环境及其他条件控制。环境条件中的露点和湿度也是影响镀层质量的主要因素，雨天、雾天应停止施工；在相对湿度大于85%、钢板表面温度小于露点温度3时，应停止锌铝层的喷涂，同时也应保证压缩空气无油、无水。
3.3锌、锌铝金属涂层的封闭处理
常规电弧喷涂层的孔隙率为3%～5%；涂层为层状堆积结构，且表面粗糙；腐蚀介质会通过这些孔隙渗入钢铁基体而发生点化学反应，导致涂层失效，因此必须对锌、锌铝涂层进行封闭处理。
3.3.1封闭剂的选择
封闭剂必须具有下列性能：
①足够的渗透性；
②与锌或锌铝涂层间有较高的结合强度；
③耐化学或有机溶剂的能力强，与复涂的中层漆、面漆有优异的配套性能；
④施工性能良好。
经过经济技术的分析和重点工程的施工实践，选择环氧云铁中层漆作为锌、锌铝涂层的封闭涂料。
3.3.2封闭涂料的施工要点
锌及锌铝层喷涂后，在相对湿度小于85%的状态下，为避免涂层表面沾污，4h内进行封闭处理；
封闭前用干燥、清洁的压缩空气吹净表面浮尘；
环氧云铁封闭漆的甲、乙组分混合后充分搅拌，用专用稀释剂稀释至30%～40%后使用；
针对大桥施工的特点，采用刷涂办法，操作认真细致，既不漏涂，又保证封闭涂料能充分渗入金属涂层的孔隙之中。
3.3.3控制封闭漆膜厚的工艺措施
环氧云铁封闭漆规定干膜厚为30μm。太薄了起不到渗透封闭的效果，太厚了影响涂层的附着力。在实际生产中，也很难用湿、干膜检测仪检测膜厚。通过封闭涂料的理论涂布量及损耗系数的计算，以等量面积涂布等量的封闭漆的办法来控制膜厚，这个工艺措施收到了较好的效果。
3.4面漆的涂装
3.4.1面漆类型的选择
为提高涂层的防腐能力，同时又能满足徐浦大桥钢箱梁在色泽上的要求，必须喷涂面漆。选择了与原丙烯酸聚氨酯面漆颜色相同的氯化橡胶面漆，理由是：
①氯化橡胶面漆系单组分的厚膜型涂料，无熟化期、混合使用期和贮存期的限制；
②氯化橡胶面漆常温固化，施工方便，可刷、辊涂，有气喷涂、无气喷涂；
③与环氧云铁封闭漆配套性能良好；
④氯化橡胶面漆防腐蚀性能优异，经济实惠，性价比高。
3.4.2施工要点
结合实际，采用辊涂办法，2道达到D.F.T.80μm，在电焊缝和边角等辊不到的地方，需用刷涂补充；
一定要在环氧云铁封闭漆完全固化后才能复涂氯化橡胶面漆；
为保证膜厚，氯化橡胶面漆经充分搅拌后，采用专用稀释剂，稀释率小于5%。
3.4.3环境条件控制
在相对湿度（RH）大于85%条件下的雨天、雾天等，应停止施工；
认真进行露点管理，在钢板表面温度大于露点温度3℃时，才能涂装施工；
在气温高于30℃时，为保证氯化橡胶面漆的流平性，亦应停止涂刷。
4、涂装质量的控制与检验
质量是工程的生命线，因此对徐浦大桥工程中涂装质量控制贯穿在每一个工艺环节中。主要掌握的检验标准和质量管理的办法有以下几方面。
4.1喷涂前钢材表面处理的相关标准
4.1.1清洁度
在GB11373-1989“热涂金属件表面预处理通则和GB/t9797-1997”金属和其他无机覆盖层、热喷涂锌、铝及其合金“国家标准中规定，钢材表面预处理清洁度达到GB8923-88的Sa3级，它的文字定义为：Sa3是指钢材表面最洁净的喷射清理级。在不放大的情况下进行观察时，表面应无可见的污垢，并且无氧化皮、铁锈、涂料涂层和异物。该表面应具有均匀的金属色泽。
4.1.2粗糙度
在粗糙度的概念中，采用了IS08503和GB1031-1083标准中的喷砂粗糙度值Rz。它是指波峰到波谷的平均值，上下各取5个点。
施工中，可用IS08503-2的标准样板进行比较，得出Rz喷砂粗糙度值。也可用E123A型的粗糙度仪，但测点要多，且分布合理。
4.2锌及锌铝合金涂层的质量控制
4.2.1涂层的外观质量
锌及锌铝合金的涂层外观色泽均匀一致；根据GB9796-9应无漏喷现象；无鼓泡、裂纹、翘皮、粗大熔融粒等宏观缺陷存在。
4.2.2锌铝涂层的厚度检测
电弧喷涂涂层为非磁性，钢材基体为磁性，用磁性测厚仪在磁性基体上测量非磁性涂层厚度，测量的方法应按GB/t9793-1997进行，即在10cm×10cm基准面积内测量10个点，取其算术平均值作为一次测量厚度值。
在判定膜厚质量指标时，可按IS012944标准，即平均膜厚大于规定膜厚，同时，85%测点的膜厚能达到规定膜厚的要求；不到规定膜厚的测点值应能达到规定膜厚的85%。
4.2.3锌、铝涂层与钢材基体的结合力
拉开法
在工程开始前，就采用样板法，进行结合力的测试。样板的预处理等级、锌及锌铝合金涂层厚度等工艺条件均需与工程相同。
根据GB9794-88和GB9796-88标准规定，对5块样板做拉开法试验。5个试样的平均结合强度值不可低于9.8MPa；且任何一个试样的结合强度不可低于5.89MPa。
测试结果符合GB/t8642-88国家标准规定的结合强度，达到11.4MPa。
在工地现场，较多的采用划格法。根据GB9796-88标准规定，采用专用划格刀、粘胶纸。由于锌、锌铝合金涂层膜厚低于200μm，切格区面积约为15mm×15mm，格距3mm。粘贴纸拉开后，涂层的任何部位都未与钢铁剥离，才算合格。
4.2.4耐腐蚀性
150mmx75mm×3mm的试片，在0.5mol/L的钠溶液中浸泡72h后，涂层无鼓泡、红锈和剥落现象，符合GB/t9795-88“热喷涂铝及铝合金涂层”标准的要求。
4.2.5孔隙率的检查
孔隙率要控制在2%左右，简便的现场检查方法是：清除喷涂层表面的油污、灰尘，并进行干燥，然后用10g/L铁氰化钾或20g/L氯化钠溶液的试纸覆盖在喷镀层上约10min，试纸上出现的蓝色斑点不应多于3点/cm2。
4.3封闭漆及面漆漆膜的质量检查
由于环氧云铁封闭漆及氯化橡胶面漆同属锌铝涂层的面涂，根据施工经验，只能是在面漆涂装后进行。
4.3.1漆膜外观
漆膜表面平整光滑，无漏喷，无气孔、针孔、桔皮、流挂等漆膜弊病出现；面漆颜色及光泽度能符合设计要求。
4.3.2涂层结合力
根据GB9286-88标准，用划格法进行附着力测试，用专用刀具和粘胶纸，切割面积6mm×6mm，格距1mm。粘贴后，切割边缘，完全平滑，无一格脱落即结合力为0级。
4.3.3涂层厚度的检测
在工程实践中，检测出来涂层的总厚度，减去锌、铝涂层的厚度即为重防腐涂料的涂层厚度。仍按IS012944国际标准的有关规定，即平均膜厚大于规定膜厚，同时以2个85%来判断。
