大型钢结构桥梁配套涂层的分析与探讨

2021-08-24 14:47:18 作者：高冬来源：工业涂料工程师分享至：

1 引言

21世纪以来，随着国家基础建设的大力发展，大型钢结构桥梁的建设也进入快速发展期，同时我国的钢结构造桥技术也不断提升，大型钢结构桥梁也广泛应用于国内桥梁建设的各个领域[1]。比如2018年通车的港珠澳大桥、2019年通车的南沙大桥以及2020年通车的沪苏通长江公铁大桥等等。相对于混凝土桥梁来说，钢结构桥的抗拉性和抗压性比较好，并且重量较轻，不容易发生断裂等问题，因此钢结构材料适合建设载荷较大的铁路桥梁以及大跨度的斜拉桥或悬索桥。

大型钢结构桥梁的建设是一个十分复杂的系统性工程，而建成后的钢结构桥梁暴露于自然环境中无时无刻不在受着腐蚀介质如氯离子、二氧化硫以及水等腐蚀因子的侵蚀，因此为了保证钢结构桥梁能够长期安全稳定地运行，根据钢结构桥梁所处地理位置、腐蚀环境来正确合理地进行涂层配套设计是钢结构桥梁防腐系统工程中非常重要的一个环节。

大型钢结构桥梁按照用途一般分为公路桥、铁路桥以及公铁两用桥，公路桥梁钢结构所用涂料及配套体系一般参考JT/T 722-2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》标准，目前新的标准正在进行修订，铁路桥梁钢结构及构件一般参考中国国家铁路集团有限公司发布的Q/T 749-2020《铁路桥梁钢结构及构件保护涂装与涂料》企业标准， TB/T 1527-2011《铁路桥梁钢结构及构件保护涂装与涂料》标准目前已经废除。

由于钢结构桥梁一旦建成通车，后续维修成本相对高昂，因此提高钢结构桥梁的防腐寿命是桥梁设计者、尤其是业主最关心的问题。本文将结合国内外相关标准，结合国内近几年钢结构桥梁的工程实际情况，对近年来建成的几座大型钢结构桥梁的涂层配套以及涂装过程中出现的问题进行分析和探讨，供业内人士参考。

2大型钢结构桥梁涂层设计相关标准

2.1 JT/T 722-2008 公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件[2]

JT/T 722-2008 《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》标准新版已经修订，但目前还没有发布，2008老版本中的桥梁钢结构外表面涂层配套体系（长效性）如表1所示[2]。

表1 桥梁钢结构外表面涂层配套体系（长效型）

表1中的S10和S11配套体系底漆为热喷铝（锌），实际施工中考虑到热喷锌或热喷铝的环保问题、能耗问题以及工人健康问题，此配套体系目前采用的不多，但热喷铝应用在螺栓栓接部位的案例还很多。另外，从机理上分析，热喷铝涂层不建议后续再涂装较厚的涂层，一般情况下仅推荐涂装一道封闭漆，主要是由于在有机涂层下铝腐蚀会形成氯化铝，而在水的存在下，腐蚀产物氯化铝是高度不稳定的，并与水反应生产盐酸，会导致更加活跃的腐蚀。

2.2 Q/T 749-2020 铁路桥梁钢结构及构件保护涂装与涂料

Q/T 749-2020 《铁路桥梁钢结构及构件保护涂装与涂料》标准是中国国家铁路集团的企业标准，它代替了中华人民共和国铁道行业TB/T 1527-2011《铁路钢桥保护涂装及图例供货技术条件》标准，根据ISO 12944-2017腐蚀环境的分类，在C1-CX腐蚀环境下，Q/T 749-2020中推荐的钢梁涂装体系如下表2所示。

表2 C1-CX腐蚀环境下钢梁涂装体系

从表2可以看出， Q/T 749-2020标准中规定的钢梁涂层配套体系在C1～C5腐蚀环境下和C1～CX腐蚀环境下所采用的底漆和中间漆种类、干膜厚度都一致，不同的在于面漆。C1～C5腐蚀环境下既可以采用灰色丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆，也可采用氟碳面漆，而在CX腐蚀环境下以及紫外线照射严重的情况下，建议只采用氟碳面漆。

2.3 JT/T 1266-2019 桥梁钢结构冷喷锌防腐技术条件[3]

JT/T 1266-2019《桥梁钢结构冷喷锌防腐技术条件》中规定的C5腐蚀环境下桥梁钢结构外表面所采用的防腐配套体系如下表2所示。

表3 C5很高腐蚀环境桥梁钢结构外表面冷喷锌防腐配套体系

冷涂锌涂料是一种热塑性单组分高锌含量的涂料，最开始仅作为单道涂层应用在电力行业钢铁基材表面代替热镀锌使用及镀锌（喷）锌涂层破坏的修补使用。但是近几年来在钢结构桥梁上应用发展迅猛，并且是作为表2中的复合配套涂层应用。

3 近年来大型钢结构桥梁涂层配套分析

3.1 环氧富锌配套涂层分析

沪苏通长江公铁大桥（工程名：沪通长江大桥）构建外表面采用了环氧富锌配套涂层的方案，其配套体系如表5所示。

表4 沪通长江大桥构件外表面配套方案

沪通长江大桥为沪通铁路的控制性工程，是一座公铁两用桥，位于江阴长江大桥下游45km、苏通长江大桥上游40km，所处环境属于C5环境，主跨1072米。

本项目中所采用的是特制环氧富锌底漆，不挥发物中金属锌含量≥80%以上，参照的是Q/T 749-2020标准中C5-CX环境下的涂装体系2。特制环氧富锌底漆是利用环氧树脂优良的防腐性能、羟基和醚键提供的附着性能、醚键内旋转提供一定的韧性和耐冲击性能，同时给予金属锌的电化学阴极保护提供了重要的补充。特制环氧富锌表面处理一般要达到ISO 8501-1标准Sa2 1/2,但特制环氧富锌底漆相对无机富锌、冷涂锌底漆等在表面处理过程中具有一定的低表面容忍性能，也就是说在特殊情况下表面处理达到动力工具St3级，也可以涂装环氧富锌底漆，这主要是应用在桥位钢构焊接处无法喷砂的部位。

本项目中采用的氟碳面漆，要求主剂中氟含量≥24%。现在主要的氟碳树脂有两种，分别为FEVE和PVDF两种，用在重防腐中的一般是FEVE，也就是含氟乙烯与乙烯基醚的共聚物，一般认为氟含量越高，耐候性越好，其实这是一种误解，氟含量与耐候性实际上不成正比关系，真正影响耐候性的是氟乙烯与乙烯基醚共聚的单体得到的树脂才具有良好的耐候性，这主要是由于氟乙烯与乙烯基醚共聚是完全的交替共聚，这种结构对抗紫外线起着关键的作用。而现在市面上也有一些采用氟乙烯和乙烯基酯共聚的氟碳，这种共聚不能完全交替共聚，严格意义上来说，这种氟碳树脂不能说是FEVE树脂。目前市面上FEVE氟碳树脂在重防腐领域应用较多的有日本大金氟化工的ZEFFLE-GK570，旭硝子的LUMIFLON LF 200在国内也有一些应用案例。

3.2 水性无机富锌底漆配套涂层的分析

武汉青山长江大桥钢箱梁内表面的配套方案如表6所示。

表5 武汉青山长江大桥钢箱梁内表面配套方案

武汉青山大桥是武汉第11座长江大桥，大桥主跨938米、桥面宽48米，不仅是目前世界上跨度最大的全漂浮体系斜拉桥，也是目前长江上桥面最宽的桥梁。

该桥内表面采用水性无机富底漆+环氧封闭漆的配套方案。水性无机富锌底漆早在20世纪70年代就开始应用，其代表为美国国家航空-太空总署（NASA）研发的IC531。目前国内的水性无机富锌是以水为溶剂，主要成膜物质是硅酸钾、硅酸锂，并且涂料中挥发性有机化合物（VOCs）含量近乎于零，是目前富锌种类中最环保的一种底漆。水性无机富性能具有优异的耐热性，长期耐热可达400℃，同时具有非常优异的耐久性，中性盐雾试验可达5000h以上，这主要是由于水性无机富锌涂层除了极佳的阴极保护作用以外，其漆膜还具有多孔结构，当腐蚀介质如氯离子进入到漆膜表面后，不会像有机富锌底漆那样造成渗透压起泡，同时漆膜中的锌粉与空气中的水分、二氧化碳等物质发生反应，形成氧化锌、氢氧化锌、碱式碳酸锌等，这些腐蚀产物结构致密不导电，提高了漆膜的致密性和内聚强度，同时腐蚀产物的生产会减低漆膜的电导率，使电化学反应的导电通路降低，降低了漆膜中锌粉的消耗速率，因此漆膜的防腐性得到极大的提高。

由于水性无机富锌的腐蚀产物成碱性，因此后道配套涂层也要必须具有一定的耐碱性能，一般以环氧封闭漆为主，国外配套一般只做一度水性无机富锌底漆，鲜有配套涂层的案例。水性无机富锌底漆对底材处理要求比较高，钢结构表面经喷砂处理达到GB/T 8923-2011中规定的Sa 3级以上，粗糙度在40-60μm，并且干膜厚度不宜超过100μm，否则容易开裂。苛刻的底材处理、漆膜易开裂、堵枪等因素限制了水性无机富锌在重防腐领域的大力推广。

3.3 醇溶性无机富锌底漆配套涂层的分析

表6 南京长江第五大桥钢壳外壁板外表面配套方案

南京长江第五大桥，又称梅子洲过江通道，南京长江五桥主跨600米，是世界上首座轻型钢混结构斜拉桥。

该项目钢壳外壁板外表面采用醇溶性无机富锌底漆的配套方案。醇溶性无机富锌的基料为硅酸乙酯水解物，其固化剂机理是正硅酸乙酯水解液吸收空气中的水分水解缩聚，然后与锌粉及钢材表面铁反应生成锌-硅酸-铁络合物[4]，这些生成产物具有非常良好阴极保护性、耐热性以及焊接性等优点，缺点是（1）对底材低表面处理的容忍度不具备，钢材表面清洁度要达到Sa2.5级，粗糙度Rz=40～75μm，（2）干膜厚度不能过高，超过120μm容易开裂；（3）施工状态下VOCs高达480g/L，不环保。

3.4 冷涂锌配套涂层分析

北京新首钢大桥（工程名：北京永定河大桥）钢结构外表面采用了冷漠镀锌（冷涂锌）涂层配套，其配套体系如表7所示。

表7 北京新首钢大桥钢箱梁外表面配套方案

北京新首钢大桥横跨北京永定河，主桥全长639米，最宽处54.9米，是北京地区最大跨径的桥梁，也是目前中国桥梁中最宽的一座钢结构桥梁。北京新首钢大桥采用了冷涂锌配套涂体系，该体系和JT/T 1266-2019中的ZD10配套体系类似，由于新首钢大桥处于城市大气环境，腐蚀环境不是十分恶劣，因此涂层厚度也做了相应的调整。

冷涂锌与其它富锌涂料相比，全锌含量高达95%以上，因此能为钢铁表面提供更好的阴极保护。冷涂锌中不挥发物中全锌含量高达95%以上，因此决定了涂料配方中成膜物质含量仅有3%～4%，锌粉含量在80%以上，由于成膜物质不能充分包裹锌粉，因此冷涂锌涂层是一种多孔结构。冷涂锌作为一种单组分热塑性涂料，涂装后经溶剂挥发成膜，而挥发后的涂层仍是线性结构，这类线性分子结构的涂层在受热或受力情况下分子间可相互移动（流动），同时涂层在溶剂中容易溶解，而环氧富锌、无机富锌属于化学交联成膜，成膜物在成膜过程中发生化学反应，生成具有三维空间网状结构的连续涂层，这类涂层是不溶不熔的，只有交联度不是太大时在溶剂中溶胀。

根据冷涂锌涂料的特点，采用冷涂锌配套体系时，建议涂装施工时把握以下几点：（1）喷涂后道涂层环氧封闭漆时，要选用渗透性好，粘度低的涂料，使封闭剂充分渗透到冷涂锌涂层的孔隙中去，第一道封闭漆要薄喷，间隔一定时间待溶剂完全挥发后，再进行后续涂装，否则漆膜中残留的溶剂会引起附着力下降、漆膜鼓泡等现象；（2）由于底漆是线性结构，受热或受力情况下分子容易相互移动，因此在焊缝区域采用冷涂锌配套体系热影响区较大，建议焊缝区域预留25mm～30mm的焊缝距离，而采用环氧富锌或无机富锌的配套体系预留焊缝区域10mm即可。

冷涂锌作为一种新型的涂层在钢结构桥梁上应用，与环氧富锌和无机富锌涂料相比，还需解决以下问题，如提高涂层的内聚力（附着力）、改善涂层的耐溶剂性、降低施工状态下涂料中的VOCs，提高耐热性以及后道涂层的配套性等等。

4 结束语

介绍了大型钢结构桥梁常用的标准以及涂层配套方案，对近几年来的几座大型钢结构桥梁配套方案以及施工中存在的问题进行了分析与探讨。随着人们环保意识的增强以及环保法规的不断完善，水性涂料、高固低粘涂料、无溶剂涂料以及无涂层的耐候钢将会是钢结构桥梁发展的重要方向。

参考文献

[1] 叶小亮。浅谈中国桥梁钢结构行业市场发展趋势[J].经营者，2019（2）：25

[2] 中华人民共和国交通部。JT/T 722-2008 公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件[S].北京：中国标准出版社，2008

[3] 中华人民共和国交通部。JT/T 1266-2019 桥梁钢结构冷喷锌防腐技术条件[S].北京：中国标准出版社，2019

[4] 刘登良。涂料工艺[M].北京：化学工业出版社，2010:1014

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