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鋼結構橋梁防腐介紹

發表時間:2020-05-29 10:36



橋梁設計講究“安全、經濟、適用、耐久、美觀”五大基本設計原則,耐久也是一個基本原則之一。

區別于混凝土橋梁,鋼結構橋梁的耐久性有鋼材的防腐、鋪裝與疲勞等,鋪裝是直接提供車輪接觸面耐久性的問題,疲勞耐久性是受力與構造同時考慮的方面;防腐與受力無關,有鋼材部位就需要設計相應防腐體系。

鋼材防腐體系有一次防護、二次防護。

一次防護:主要為不銹鋼、耐候鋼

二次防護:

被覆蓋法:包括涂料涂裝、防銹油涂裝、熱浸鋅、熱噴涂、冷噴涂等;

化學處理:利用化學或者電化學處理使金屬表面形成一層穩定化合物,如磷酸鹽處理、鉻酸鹽處理、陽極氧化等;

陰極保護:利用電化學腐蝕原理,利用外加電流或者金屬,達到保護鋼結構。



一次防護

1)不銹鋼

加入鉻、鎳等特定元素而表現出良好耐腐蝕性的合金鋼。金屬元素鉻(Cr) 使鋼材表面形成一層不易溶解的氧化薄膜,而與外界隔離,能夠長久保持金屬光澤。一般含量越高,鋼的抗腐蝕性越好。

不銹鋼成本約為普通鋼材的4倍,但考慮材料成本、維護費用、防銹處理和防火處理的全壽命周期成本,不銹鋼結構具有較大的優勢。

最常用的牌號是304,為了達到耐腐蝕性要求,304不銹鋼必須含有18%以上的,8%以上的含量。

304不銹鋼不耐氯化物腐蝕,在含大量鹽分的海霧中很快會銹蝕。

因此,在侵蝕性嚴重的工業或海洋大氣中,應采用耐腐蝕性更好的316。

雙相型不銹鋼2205,把良好的耐大氣腐蝕性能高抗拉強度彈性強度融為一體,其強度甚至略高于高強鋼Q420。

不銹鋼的線膨脹系數是普通鋼材的1.5倍,熱傳導率約為普通鋼材的1/3,所以焊接變形控制比較困難,特別是奧氏體型不銹鋼,應盡量減少焊縫的溶敷金屬量、低熱量輸入,嚴格精細的焊接工藝和順序。

2)耐候鋼


耐大氣腐蝕鋼,在鋼材中加入一定數量的合金元素(Cu、P、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、V、Ti、Re等),使其在金屬表面形成保護銹層,以提高耐大氣腐蝕性能的鋼,阻止了大氣中氧和水向鋼鐵基體滲入,減緩了銹蝕向鋼鐵材料縱深發展,從而提高耐大氣腐蝕能力,耐大氣腐蝕性能為普通碳素鋼的2~5倍;

部分鐵路鋼結構橋梁鋼橋面采用不銹鋼復合鋼板,基板采用16mmQ370qD,復板材質為022Cr17Ni12Mo2(316L),3mm不銹鋼板;

它的特別之處在于,暴露自然環境中,隨著時間的推移,表面形成抗腐蝕的保護層,無需涂漆保護,材料壽命在80年以上;

如果不處理,銹化反應就會持續下去,最終鋼板就會被爛穿,所以必須讓他停留在某個特殊階段;

耐候鋼板表面有一層銹紅色保護膜,阻礙銹蝕往里擴散和發展,保護銹層下面的基體,以減緩其腐蝕速度,保護膜是如何形成?比較常用的就是—安定化處理工藝。

耐候鋼:安定化處理工藝

第一階段:正品耐候鋼開始長出小銹點,普通鋼板的銹點比較疏松,部分發銹處理差的甚至出現掉銹皮。

長銹第二階段:正品耐候鋼銹水較少,銹點較小厚密;普通鋼板的銹水比較多,銹點較大薄疏;普通鋼板的銹柱,淚痕比較嚴重,工件底部有發黑痕跡。

長銹第三階段:正品耐候鋼有清晰的致密的銹核層,銹點之間緊密粘連成保護層,用手擦幾乎不掉銹;普通鋼板掉銹量較多,甚至整塊銹皮剝落,銹穿。

正品耐候鋼是偏向紅褐色,普通鋼板是偏向暗黑色。


耐候鋼:注意事項

①焊接點的腐蝕:焊接點的氧化速率必須和其它用料相同,這需要特殊的焊接材料和技術。

②積水腐蝕:耐候鋼并非不銹鋼,如果耐候鋼的凹位中有積水,該處的腐蝕速率將變快,因此必須做好排水。

③富鹽空氣環境:耐候鋼對富鹽空氣環境較敏感。在這樣的環境中,表層保護膜可能阻止不了內部的進一步氧化。

④掉色:耐候鋼表面的銹層可使它附近的物體表面變得銹跡斑斑。

耐候鋼橋

耐候鋼橋梁設計注意事項

耐候鋼的適用環境

要 求 空氣 中氯 離 子濃度 不 超過 0.05mdd ( mdd:NaCl 換 算的 鹽分 量mg/dm2/day);

到水面的距離不能過近,周圍地形地貌亦有關系;

耐候鋼設計細節

設計不易積塵的結構;

設計水分(包括含較多濕氣的空氣)不易滯留的結構;

設計不易受雨水等水分滴落反彈影響的結構;

特別注意橋梁端部、箱梁內部、結合梁的上翼緣、支座等局部不良部位的細節設計。

耐候鋼的實際情況調查

日光照射也影響耐候鋼保護層的形成,向陽面更容易形成保護層,向陰面由于水分蒸發較慢不利于形成保護層。


箱梁外側因為有日光照射和雨水沖洗,容易形成均勻的保護層,但箱梁內部由于濕氣較重,不容易形成保護層。

箱梁翼緣底部容易結露而形成瘤狀銹蝕,這種銹蝕是不容易完全打磨掉的,打磨不掉的殘銹則變成了行的銹蝕核心。

使用耐候鋼如果對局部不容易形成保護層的地方進行涂裝的話,那么容易產生新的問題就是在涂裝部分的邊緣部位的耐候鋼銹層會侵入涂層下面,造成急劇腐蝕而剝離,因此如果局部涂裝對耐候鋼是不合適的。

耐候鋼要求遠離海洋環境,氯離子的存在影響保護層的形成。對于寒冷地區,冬季如果使用除冰劑等也是不適合使用耐候鋼的。

耐候鋼要求排水處理非常細致,有積水的地方就不容易形成保護層,水汽重的地方也不容易形成保護層。

耐候鋼設計要注意細節,對于如果橋址處如果有鳥類等要注意意外的因素影響,耐候鋼保護層的形成。

耐候鋼一旦形成不了保護層,后期處理起來也比較麻煩,因此選擇耐候鋼要對橋址環境、細節設計非常到位。

二次防護

1)被覆蓋法:包括涂料涂裝、防銹油涂裝、熱浸鋅、熱噴涂、冷噴涂等。

涂料涂裝,占鋼結構橋梁防腐60%。

鋼結構按照腐蝕環境、工況條件、防腐年限進行相應防腐設計;

a、腐蝕環境大氣區、浸水區、埋地區;

b、根據涂裝部位外表面、內表面、鋼橋面、干濕交替區、摩擦面附屬;

c、普通型長效型保護年限。

鋼結構橋梁主要防腐涂層體系

環氧富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+丙稀酸聚氨酯面漆(氟碳面漆、聚硅氧烷面漆)

無機富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+丙稀酸聚氨酯面漆(氟碳面漆、聚硅氧烷面漆)

熱噴鋅(鋁)+環氧云鐵中間漆+丙稀酸聚氨酯面漆(氟碳面漆、聚硅氧烷面漆)

水性無機富鋅涂料以硅酸鹽為成膜反應物與鋅反應生成硅酸鋅網狀結構,因此可稱為無機硅酸鋅涂料,屬綠色環保型涂料。

水性無機富鋅涂料由于硅酸鹽與鋅粉反應的同時還與鋼鐵反應形成硅酸鋅鐵絡合物,因而對鋼鐵表面形成很強的化學鍵,從而可抵抗水、海水、有機物、氯化物等的侵蝕。

環氧富鋅涂料是以環氧樹脂為成膜物并以有機溶劑為稀釋劑的涂料,屬有機類涂料。

環氧富鋅涂料的附著力靠樹脂對鋼鐵表面的粘結力,屬物理吸附,初始附著力較好,但有機物的耐候性差,在惡劣環境下更易老化,從而附著力慢慢降低。

一般來說,環氧富鋅涂料較易與各類面漆配套,水性無機富鋅涂料除油性漆和醇酸漆不能配套外,可與目前普遍使用的環氧、丙烯酸、聚氨酯、乙烯類漆配套,如涂環氧過渡層漆則可與更多的面漆配套,且效果更佳。

雖然一般來說水性無機富鋅底漆的配套性能不如環氧富鋅底漆,但目前可配套的面漆品種仍很多,完全能滿足防腐工程的需求。


基材表面處理:水性無機富鋅漆在成膜過程中與鋼鐵表面形成化學鍵,因此對基材表面的處理要求嚴格,必須達到 Sa 2.5 級,并使表面有一定的粗糙度,增加表面積,確保鋅粉能同鋼鐵緊密接觸。


環氧富鋅涂料附著力主要由有機樹脂對基材的物理吸附貢獻,因此對基材表面處理程度可相應降至 Sa 2.0 級,但實際施工中也要求達到 Sa 2.5 級。

值得指出的是,在重防腐領域, Sa 2.5 級是普遍采用的級別,目前噴砂(噴丸)技術完全可以達到。


施工環境問題:水性無機富鋅涂料以水為稀釋劑,只有通過水分的揮發才能使濕膜形成硅酸鋅致密網狀結構的漆膜,因此這類涂料對施工環境,如氣溫、濕度、風力等比較敏感,相比之下,環氧富鋅涂料由于以有機溶劑為稀釋劑,較少受環境的影響。

WZ-116 系列水性無機富鋅涂料已能滿足不同環境條件下的施工要求。另外,對自動涂裝流水線作業而言,因基本呈封閉型,大大削減了外部氣候環境的影響,對水性無機富鋅涂料的施工十分有利。

熱噴涂與冷噴涂

熱噴鋁工藝已應用較長時間:

對表面處理要求高,噴砂必須達到最高級別 GB8923 規定的 Sa 3 級,否則有脫落可能;同時,噴涂施工時,對環境條件的要求也高,相對濕度 RH<85%;鋼材表面溫度必須高于露點溫度 3℃;

熱噴鋁層有 5~15%的孔隙率,不能單獨成膜,必須用涂料層封閉,才能發揮它的防腐效果,空穴處易形成早期點蝕;

鋅鋁鍍層的破損處及焊縫處修補困難;

不環保,污染較大;噴砂除銹時形成的塵粉及噴鍍時形成的氧化鋅粒子,對人體傷害嚴重,存在勞保及職業病問題;

冷噴鋅材料近年來發展很快:

對表面處理要求低,噴砂達到 GB8923Sa2.5 級,去除氧化皮后,允許鋼材表面有 5%以下的銹斑??梢栽谙鄬穸却笥?85%條件下施工,施工的允許溫度范圍寬。

鋅盾鍍層孔隙率很低,既可單獨成膜,封閉層不是必須的,節省一道工序及費用;又可與重防腐料配套,復合涂層的防腐蝕年限可增加2倍以上。

鋅盾鍍層間重融性能好,在工廠及現場均可方便施工及修補,不存在修補防腐薄弱問題。

鋅盾像重防腐涂料一樣,可刷滾涂,可用有氣、無氣噴涂,施工效率大大高于熱噴鋁。

鋅盾是環保型產品。鋅盾成份內不含 Pb、C2、Hg 等重金屬離子,溶劑里含苯,甲苯等有毒成份,對環境對人體安全環保性好,符合國家發展政策。

冷噴鋅

冷涂鋅是一種單組分涂料,主要由高純度的鋅粉、溶劑和特殊有機混合樹脂三部分組成。

涂層干膜中含鋅量高達96%,具備熱鍍鋅及富鋅涂料的雙重優點,常溫施工便可達到熱浸鍍鋅的效果,提供陰極保護物理屏蔽雙重保護功能,防腐性能優異、施工便捷;

可采用單層封閉涂層復合涂層兩種形式。

涂層厚度特性:熱噴鋅、冷噴鋅和富鋅涂料涂層厚度均為75~80μm,熱噴鋅涂層厚度離散性大,表面粗糙度高,冷噴鋅和富鋅涂層厚度均勻;

腐蝕電位隨時間的變化:三種涂層腐蝕電位均遠負于基體腐蝕電位,熱噴鋅涂層腐蝕電位和冷噴鋅相當,富鋅涂層腐蝕電位略高;

鹽霧試驗:熱噴鋅涂層鹽霧試驗21d即出現紅褐色銹蝕,涂層被破壞,腐蝕50d的表面存在大量孔洞和裂紋,涂層脫落,完全失去防護作用;

冷噴鋅涂層與基體結合緊密,腐蝕50d也仍保持原始形貌;富鋅涂層鹽霧試驗21d出現鼓泡,隨時間延長,鼓泡數量逐漸增加,涂層表面出現大量裂紋,涂層與基體脫離。


冷噴鋅存在問題

涂料本身問題:施工性、配套性差,涂層質量和附著力不穩定以及耐熱性差等方面,是由冷涂鋅涂料本身特性所決定的。

冷涂鋅生產廠家應該加強其在重防腐涂裝行業中的應用性研究,提高冷涂鋅的施工性能,解決冷涂鋅與中間漆、面漆的配套問題;

施工工藝要求高:冷涂鋅防腐需要選擇合適的噴嘴型號、控制噴涂厚度、嚴格遵守工藝要求的涂裝道數、間隔時間,還有采取加熱保溫、通風措施等手段來控制涂裝質量;

③冷噴鋅復合涂層防腐體系成熟體系較少:冷涂鋅材料鋅含量非常高,電化學防腐能力比普通富鋅底漆更優異,作為單涂層防腐材料優勢明顯。

但使用冷涂鋅復合涂層的話,對其配套性、施工環境及施工要求較高,容易出現剝落、起泡;當選擇冷涂鋅復合涂層的方案時,應設計合理的涂裝道數和厚度,并充分考慮各種影響因素和工期進度的要求。

鋼材防護納米技術

大型鋼結構是大量基礎設施的重要組成部分。橋梁、電站、輸油輸水管道、油氣儲罐、大型生產裝置、船舶、海工結構、塔架及許多大型建筑物均大量采用鋼結構。

雖然所用的碳鋼與一些低合金鋼具有很好的力學性能與合理的價格,但它們存在著嚴重的電化學腐蝕問題。

由于具有用量大、壽命要求長的特點,所以需要的防腐手段也具有特殊性。

在各種腐蝕控制方法中,主要選用不同表面處理與施加防腐涂層的方法來對大型鋼結構進行防護。

目前為止,應該說大多情況下防護效果還遠不理想,主要是存在由于化學與力學失效引起的覆蓋層壽命問題。

因此開發高性能、長壽命、并在新形勢下滿足環保要求的表面改性a技術與防腐產品,是一項重要的任務。

而解決這樣的問題,離不開高技術與新思路和采用。

目前,納米技術在鋼結構重防腐產品中的應用還處于起步階段。

國內外均少見型產品應用的報導。

但普遍認為,納米技術的采用無疑將會給該領域帶來世大的收獲。

原因很簡單,因為防護所涉及的表面材料與自防護腐蝕產物的性質主要由其微觀結構所決定,這里涉及界面問題,電化學歷程的改變,傳輸行為、表層材料強度與塑性的變化等。

例如,某些各類的納米粒子引入有機涂層可以增加其抗老化性,無機涂層的塑性可由于其結構的納米化而改善。




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