重庆嘉陵江大桥钢结构防腐技术探讨
2017-06-19
重庆嘉陵江牛角沱大桥位于渝中区牛角沱与江北区华新街，横跨嘉陵江，全长600.56m，其中：主桥长384m（68+80+88+80+68），为上承式钢桁梁桥和简支梁桥组成，引桥长216.56m，为7孔（16.4+4×23.7+3×22.22+26.42）简支梁桥，是横跨嘉陵江联系南北交通的大型城市桥梁。大桥于1966年1月竣工通车。目前已经运行47年。
1. 嘉陵江牛角沱大桥钢结构所处地理环境
嘉陵江牛角沱大桥主桥结构是钢桁梁，钢结构表面积有5.6万平方米，大桥地处酸雨酸雾严重的主城区，根据相关数据显示：重庆降水PH值年平均为4.28，绝对最低值3.00，酸雨出现频率为94J%t一，几乎达到降水必酸的程度。PH值平均为4.13，雨中阴离子、硫酸根离子占36.3，硝酸根离子占6.6%，其他污染也很严重。大桥的钢梁每年锈蚀厚度达0.16毫米，如此锈蚀速度，用不了30年就会因钢梁锈蚀而危及大桥安全。因此怎样对大桥钢梁进行维护，才能保证钢梁在运营过程中的安全，和实现达到大桥的设计寿命等的难题就摆在了我们的面前，现将我司对大桥钢梁进行维护管理的情况作逐一介绍，并对钢梁防腐等问题进行探讨。
2. 我司对大桥钢梁进行维护管理的情况
（1）重庆嘉陵江大桥于1966年建成通车，是一座钢桁梁大桥，主要承重构件都是由钢材组成，为了保持钢构件使用功能经常处于良好状态，为了防止酸雨等有害气体的腐蚀，我们采用涂刷油漆的方法对钢梁进行预防性养护。
（2）六、七十年代由于维修技术落后，钢梁油漆采用的工艺是手工除锈油漆，主材采用的是醇酸磁漆，钢梁油漆工程从北向南全部涂刷完一个周期大约要5年的时间，由两个油漆班，两个吊装班，每年反复涂刷。由于酸雨酸雾影响，室外油漆每两年须维修一次，钢梁油漆工程5年的周期务必会造成部份钢梁油漆不能及时维修，既费人工，又不保证质量。
（3）八十年代，工程技术人员通过对大桥的日常巡查、经常检查、定期检查，及时掌握了钢梁的技术状况，通过对钢梁油漆退化规律的分柝，科学的制定了钢梁油漆预防性养护计划，并在最佳时期实施了维修。维修采用的工艺是喷砂除锈油漆（机械化施工），采用的主材是环氧富锌漆，钢梁油漆的质量保证期为8年。后者的工艺、材料、机械化程度都先进于前者，质量得到了保障，满足了钢梁油漆质量的要求。由于钢梁预防性养护措施到位，该桥虽经历了40年的酷暑严冬、暴雨烈日、超载提速等考验，至今仍保持着安全运营状态，承担着日益繁重的交通任务，创造了极大的经济效益和社会效益。
（4）八十年代末，日本专家到钢梁上考查，惊叹大桥保养得如此完好，很是少见，并说他们国家六十年代修建的类似桥梁已有部份是危桥了。2004年，同济大学对大桥进行了健康检查，通过荷载试验和精密仪器检测，评价大桥至少还有52年的使用寿命。
3. 对钢梁防腐等问题的研究体会
钢梁防腐蚀涂装体系通常是由底层、封闭层、中间层和面层组成的综合防腐蚀系统，任何一种涂料都无法保证同时对钢铁具有隔离、抗紫外线和阴极保护等功能，只有通过它们的互相组合，才能组成有效的防腐蚀涂装体系。
（1）防腐蚀底层：防腐蚀涂装底层与钢铁直接接触，对钢铁表面具有钝化缓蚀作用、阴极保护作用，即含有防腐蚀底层的钢铁表面直接暴露在腐蚀介质中时，它应对钢板具有防腐蚀保护。此外，防腐蚀底层应与钢铁具有优良的涂装结合力，以保持整个涂装层在防腐蚀寿命期内，涂装结合牢靠，避免因涂层附着力差而导致涂装层脱落而提前失效，防腐蚀涂装底层对整个涂层的耐腐蚀寿命有举足轻重的影响。
（2）封闭涂层和中间涂层：封闭涂层对热喷涂层的孔隙进行封闭，对环氧富锌涂层、无机富锌涂层和热浸镀锌涂层等外露锌粒进行遮盖，封闭涂层的作用是当涂装有防腐蚀底层的钢板直接暴露在腐蚀环境中时，由于底层孔隙和外露锌层被很好遮盖和连接，大大降低底层电化学腐蚀速率；其次是起隔离作用，防止腐蚀介质进入底层内部，加强面漆附着力，延缓其电化学腐蚀发生时间，使涂层的耐腐蚀寿命获得提高。而中间层主要在底漆和面漆之间起承上启下作用，它增加涂装涂层厚度，是防腐蚀涂装体系中重要部分。
（3）面漆：面漆对涂装底层和中间涂层具有保护作用，延缓底层腐蚀发生时间，面漆涂层应具有优良的耐候性、抗老化性、保光保色性、耐盐雾性、耐潮湿性能，漆膜坚硬光滑。
4. 钢结构锈蚀及其防治
随着我国冶金工业的发展，应用于建筑工程中的钢材品种、规格和数量迅速增加，质量和性能稳步提高，钢结构技术的应用亦日益广泛。由于钢结构容易锈蚀，所以，钢结构防锈防腐蚀成为钢结构工程中不可缺少的重要一环。随着技术进步和科技的发展，钢结构防锈防腐蚀措施越来越多，施工工艺也不尽相同，基于钢结构的形式及所处的外围环境的不同，对钢结构的防锈应相应地采取不同的措施。
4.1钢结构的锈蚀根据钢结构周围的环境、空气中的有害成分（如酸、盐等）及温、湿度和通风情况的不同，钢结构的锈蚀可分为两类：化学锈蚀和电化学锈蚀。
4.1.1化学锈蚀钢结构表面与周围介质直接起化学反应而产生的锈蚀称为化学锈蚀。如钢在高温中与干燥的O2，NO2，SO2，H2S等气体以及非电解质的液体发生化学反应，在钢结构的表面生成钝化能力很弱的氧化保护薄膜FeO，FeS等，其腐蚀的程度随时间和温度的增加而增加。
4.1.2电化学锈蚀钢结构在存放和使用中与周围介质之间发生氧化还原反应而产生的腐蚀属于电化学锈蚀。在潮湿的空气中，钢结构表面由于显微组织不同、杂质分布不均以及受力变形、表面平整度差异等原因，使钢结构表面局部相邻质点间产生电极电位差，构成许多“微电池”。在电极电位较低的阳极区（如易失去电子的铁素体），铁失去电子后呈Fe2+进入电介质水膜中；阴极区（如不活泼的渗碳体）得到的电子与水膜中溶入的氧作用后，形成OH-，两者结合成Fe（OH）2，进一步被氧化成Fe（OH）3（铁锈）。这种由于形成微电池、产生电子流动而造成钢的腐蚀称为电化学腐蚀。若水膜中溶有酸，则阴极被还原的H+离子沉淀，使阴极产生极化作用，而使腐蚀停止，但水中的溶氧与H+结合成水，除去沉积的H+，阴极极化作用消失，腐蚀继续进行。综上所述，在潮湿（存在电解质水膜）和有充足空气（水中溶有氧）的条件下，就会产生严重的腐蚀现象。 4.2钢结构的除锈、防锈及防锈涂料。
4.2.1除锈方法钢结构在涂刷防锈蚀涂料前，必须彻底除锈，将构件表面的毛刺、铁锈、油污及附着物清除干净，否则将严重影响涂料的附着力，并使漆膜下的金属表面继续生锈扩展，使涂层破坏失效，达不到预期的防护效果。目前钢结构常用的除锈方法在工厂中多为人工除锈喷砂、喷丸，随着国家标准及相关行业标准的陆续制定，钢结构表面除锈的质量控制已有相应的规定，如GB50205-1995《钢结构工程施工及验收规范》对喷射、抛射或手工、动力工具等划分了相应的等级。手工除锈，尽管其工效低，劳动条件差，除锈不彻底，但因其人工除锈费用低，仅为喷砂除锈的1 6～1 9，在漆种对钢结构表面处理要求不高的情况下，此种方式仍可采用。但在除锈质量要求较高的情况下，就要采用喷砂除锈。喷砂除锈是一种较为先进的除锈方法，对于同一种油漆，同样条件下，喷射除锈较手工除锈的漆膜寿命可延长3～5倍。它不仅除锈较彻底，而且工效高，操作简便，目前已广泛采用。酸洗除锈及酸洗磷化处理虽然除锈彻底，工效高，但仅适用于形状复杂及小型和薄壁型钢结构件。因酸洗槽设备的限制，目前大型构件尚应用不多。
4.2.2常用的防锈措施。
（1）综合考虑厂房的整体布置，隔离散发侵蚀性介质的区域（即改进工艺设备和生产过程），采用有利于自然通风的厂房布置方案，以降低有害物的含量。
（2）尽可能选用含有适量合金元素的耐大气腐蚀的低合金钢材和正确配套的涂料。
（3）在结构选型上采用不易锈蚀的合理方案。如在构造上选取合理的截面型式，以避免积灰、积水，易于清理和涂漆；节点构造要简单；在加工制作的过程中保证焊接质量，避免焊缝夹渣；尽量避免或减少涂刷油漆后进行焊接，以防止破坏漆膜的完整性；对施工过程中破坏的漆膜应及时补涂油漆。
（4）采用先进、科学的管理方法和合理的防腐措施。
4.2.3防锈涂料钢结构的防腐蚀，除了要彻底除锈外，还应选择使用防锈性能好的涂料。选用涂料时应根据结构所处的环境、使用功能、经济性和耐久性、稳定性等因素来选用合适的防锈涂料。
4.2.3.1红丹防锈漆在一般的钢结构工程中，常选用防锈能力强，有较好的坚韧性、防水性和附着力的油性红丹防锈漆作为防锈底漆，醇酸磁漆为面漆。红丹防锈漆处于晶格外层的铅离子与腐蚀初始阶段的铁离子产生离子置换生成难溶物质，红丹在水和氧的存在下与油基漆生成铅皂，其裂解的单羟酸铅、二羟酸铅盐具有缓蚀作用。铅离子与许多腐蚀介质生成如硫酸铅等不溶性盐，铅皂的封闭作用随时间生成物愈来愈致密和结实，这是油性红丹漆的特性。但由于生产红丹漆需要大量的有色金属铅，为保证工人身体健康，许多科研和制造单位正积极研制替代红丹防锈底漆的漆料。
4.2.3.2环氧富锌和无机富锌漆，环氧富锌即有机富锌，由锌粉、环氧树脂和固化剂配制而成。主要用于钢结构的重防腐涂装体系作长效通用底漆，也可用作镀锌件的防锈漆，其应用的适宜温度为10～35℃，并避免在雨、雾、雪天施工涂刷。无机富锌漆主要以水玻璃为基料，加入锌粉、漂浮剂和固化剂等配制而成。此漆具有与镀锌层相同的阴极保护作用，为可焊漆。其耐候性及耐老化性能良好，可耐450℃的温度，但耐酸碱度差。这种涂料对钢结构表面处理要求较高，一般规定应达到Sa21 2级标准。在低温、高温情况下，该涂料不可施工。它与钢结构表面之间有优异的物理、力学性能，因此，它的结合力牢固。以延缓钢材的锈蚀。
4.3总之，在钢结构防腐过程中，除了综合考虑工程造价，对钢构件进行良好的涂层选择和涂装外，设计和施工人员还必须清楚地了解涂料性能和掌握涂料的施工技术，再加上严格的施工管理体系，才能更好地完成钢结构设计规定的指标和要求，延长钢结构的使用寿命。
