近年来,我国桥梁建设发展迅速,钢桥以其抗震性好、自质量轻、施工周期短等优点,得到了越来越多的应用,尤其在跨江、跨海、跨峡谷的大跨度桥梁中均采用钢桥。表面腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀是导致这种特大钢桥构件产生外观缺陷、寿命降低以至于失去工作能力的重要原因之一。钢结构腐蚀不仅带来巨大的经济损失,同时也危及到结构的安全运行。因此,钢桥长效防腐涂装在工程建设中显得尤为重要。
由于影响钢桥长效防腐的因素很多,而且关注的角度也不同。其中,关注最多的是涂料本身和施工质量管理。本文主要论述了标准规范、涂装体系设计、涂装材料、施工管理等对长效防腐涂装质量的影响。
1 钢桥建设概况
交通运输部公路局为落实《国务院关于钢铁行业化解过剩产能实现脱困发展的意见》(国发[2016]6号)有关要求。以供给侧结构性改革加快推进公路钢结构桥梁建设,促进公路建设转型升级,提出了一些意见,意见中提到:当前,我国钢铁产能利用率不足70%,钢铁行业去产能、去库存的形势紧迫,需要各行业加大支持力度。目前,世界发达国家已逐步发展到了以钢结构桥梁为主的阶段,法国、日本、美国的钢结构桥梁比例已经分别到达了85%、41%、35%,相比较而言,我国钢结构桥梁应用不够广泛,占桥梁总数尚不到1%。
近年来,我国每年新增桥梁约2.8万座,是使用钢材的重要领域。也是加快推进钢结构桥梁的难得发展机遇。近些年,大型钢桥越来越多,以本公司所建钢桥为例,继港珠澳大桥之后,目前在产项目中,10万t以上的项目就有几座,如表1所示。
表1 10万t以上的在产桥梁项目Table 1 Ongoing bridge projects of over 100 000 tons |
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由表1可以看出,要高质量完成这些项目,高质量涂装是不可或缺的重要一环,也是整桥建设这一系统工程中的一个重要组成部分。
2 钢桥梁常见的长效重防腐体系
钢桥梁防腐标准中的防腐体系较多,如TB/T 1527—2011《铁路钢桥保护涂装》和JT/T 722—2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》。其中JT/T 722—2008体系根据腐蚀环境和保护年限的不同进行了更详细的划分。本公司所建的桥梁通常是国家重点工程,其要求的防腐体系都是长效型。所以最常用的是众多体系中性价比最高、施工性能最好的一种。
2.1 氟碳面漆防腐体系
近几年,本公司制作的万t级以上桥梁的涂装方案大多采用环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+氟碳面漆(常规标准体系)的长效重防腐体系,如沪通长江大桥、虎门长江二桥、芜湖长江大桥、平潭海峡大桥、港珠澳大桥等。
2.2 聚氨酯面漆防腐体系
近几年本公司承建的国外项目中,多采用无机/环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+聚氨酯面漆重防腐体系,如香港昂船洲大桥、德国单线(双线)桥、委内瑞拉桥、孟加拉帕德玛桥和美国VN桥。
3 影响钢桥防腐耐久性的因素及建议
目前大型钢桥的设计使用年限一般是100~120 a,钢桥一且开始运营,部分桥梁所处的环境根本无法再进行大面积重新防腐涂装,所以桥梁需要在制造施工中实施长效防腐涂装。技术标准规范对防腐涂装具有很强的指导意义,但认知程度的不同对其理解也会有所不相同,而且随着新涂料新工艺的发展,如果过于教条地理解标准规范可能会适得其反;涂装配套体系的合理性也是影响钢桥防腐耐久性的重要因素之一,尤其是设计创新的防腐配套方案,必须充分论证涂料的合理性;新品种或新涂料由于没有经过大生产应用,缺少足够的应用经验,也会出现各种问题,因此,涂料本身也是影响钢桥防腐耐久性的重要因素之一。另外施工管理、施工过程也是直接影响钢桥防腐耐久性的因素。
3.1 标准因素
3.1.1 标准滞后
由于执行标准或规范每隔5~10 a才修订一次,而防腐涂料及工艺更新较快,再加上环保法规的愈发严格,标准中会不可避免地出现部分内容不能满足现有涂装技术和环保要求。所以在使用标准时不能按部就班、太过教条,否则在实际施工时既保证不了工期又保证不了质量。
标准毕竟是技术性比较强的文件,没有一定涂装相关知识的人仅靠字面意思较难准确掌握其中的内容,不定期的贯标会十分必要。例如:TB/T 1527—2011《铁路钢桥保护涂装》中,特制环氧富锌底漆干膜厚度为40 μm/道, 环氧云铁中间漆干膜厚度为40 μm/道,这2个要求类似,都属于涂层干膜厚度要求,这与目前高固体分低VOC含量要求不匹配。目前的涂料通常不加稀释剂或加少量的稀释剂喷涂一道干膜厚度约80 μm。如果严格按标准执行,特制环氧富锌漆中应加入大量的稀释剂来降低涂料的黏度,来保证喷涂一道底漆的厚度为40 μm左右。因为稀释剂不参与涂料的化学反应,它会全部挥发到大气中污染环境。环保法规和标准对VOC限制就没有实际意义了。
另外,摩擦面处采用电弧喷铝工艺,由于施工过程中产生的大量噪音、弧光、金属粉尘对人和环境伤害很大,所以桥梁钢结构防腐喷铝施工通常都是夜间作业。但如果涂装厂房距离居民区较近,晚上涂装施工作业时的噪音很大,也会影响附近居民的正常生活。
3.1.2 对标准理解不足
标准在长效防腐涂装中居核心地位,它相当于此行业的“法规”,它使各工序、质量要求、施工方法等“有法可依”,标准的导向十分重要。为此,建议标准修订时,应最先关注人的健康与安全。如有可替代的新涂料,应毫不犹豫地从标准中删除不环保工艺或材料。同时,新版标准出版时应开办多场贯标会,帮助下游各相关单位正确理解和使用桥梁防腐标准。当标准更新滞后时,桥梁施工管理人员应该用发展的眼光去解读标准和规范。
3.2 涂装配套体系设计因素
表2 设计涂装体系Table 2 Coating systems |
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注:斜拉素套筒裸露部分应按钢锚梁内表面涂装处理,如果直接暴露在空气中则增加一层100 μm的氟碳面漆。 |
(1) 无机富底漆厚度设计为20 μm。
无机富锌底漆喷涂一道最少60 μm,如果设计20 μm,只能多加稀释剂,但一道喷涂厚度最少40 μm,这样不但增加涂料消耗还会加重环境污染。
(2) 电弧喷铝涂层的表面粗糙度要求Rz40~60 μm。
电弧喷铝涂层要求的表面粗糙度应为Rz60~100 μm。因为涂层主要通过机械结合附着于基体上[3],粗糙的表面可以增加其接触面积,附着更牢固。较低的表面粗糙度会降低铝涂层与基体的层附着力,铝涂层易脱落。
(3) 高强螺栓摩擦面部位采用电弧喷铝+无机富锌车间底漆涂层。
高强螺栓摩擦面在桥梁标准中规定了稳定抗滑移系数要求,即在出厂时抗滑移系数达到0.55及以上,架设时达到0.45及以上(不大于6个月)。目前仅有电弧喷铝层和无机富锌防锈防滑涂层2种涂层能达到要求,这2种涂层必须独立使用,即涂层为单独的电弧喷铝层或无机富锌防锈防滑涂层,绝不是复合涂层。另一方面,无机富锌车间底漆不是无机富锌防锈防滑涂料,不具有较高的抗滑性能[4],此部位用错涂层将直接影响桥梁安全。
(4)如果直接暴露在空气中则增加100 μm的氟碳面漆。
这条错误不涉及安全隐患,但是却浪费了涂料,氟碳面漆在复合涂层体系中价格最高,这样会造成不必要的成本增加。100 μm的氟碳面漆改为70~80 μm即可。
另外,还有一种偶发的错误设计,如要求钢桁梁桥的箱形杆件(上下弦杆、腹杆等)内部涂装。无论是国内还是国外这类桥梁杆件内部都采用气密防腐。钢桁梁桥的箱型杆件内部与钢箱梁桥的内部不同,一般的桁梁箱形杆件是完全封闭结构,而且内部空间狭小。而钢箱梁桥的内部空间较大,每个涂装节段并不是封闭空间,人员和设备可以进出内部。标准中列出的桥梁内表面涂装体系也指的是钢箱梁而非钢桁梁桥。如果桁梁桥的箱型杆件内部要求涂装,则只能在箱形杆件焊接盖板前,对槽型结构内部涂装,然后再焊接盖板。但此种操作更不利于质量的保证,其一由于结构焊接、喷砂、喷涂这三个工序不能在同一厂房内作业,槽型又是一种不稳定结构,吊运则更容易造成构件变形;其二组成箱体后的焊接即火焰修整都会烧损内部已有涂层,而这些烧损的内部涂层又无法修补,导致内部表面的涂层不完整。所以桁梁桥杆件封闭空间的内部涂装根本没有意义。
综上所述,设计合理的涂装配套体系是非常重要的一环,若涂装配套体系有问题和隐患,后面再精心的科学管理都是枉然。建议体系创新首先要推敲理论上的合理性、实施的必要性,然后进行客观实验,最后再考虑现场的可操作性等。另外,建议设计图报审时针对涂装体系也应有相应的专业审核,避免因个人的认知错误而造成资源浪费或从源头埋下涂装质量安全隐患。
3.3 施工管理(业主、监理、总包)因素
科学、严格的涂装施工过程管理很重要。但实际施工管理时不讲科学仅谈严格,过分强调外观效果,过度返修将会为桥梁后期的涂装质量埋下隐患。
常见案例如下:
(1)钢板轧制过程中有时会产生的表面缺陷,有些缺陷在标准公差范围内,可以接受。但为了追求外观效果通常要求给钢板打腻子填平缺陷。若把300 μm的坑填平,再加上正常近300 μm厚的涂层,局部表面总体涂层厚度至少600 μm,涂层过厚,应力大,很容易开裂脱落。
(2)无机富锌防锈防滑涂层表面产生白色锌盐,为保证外观效果,要求清洗涂层表面。
富锌漆的防腐机理就是通过金属锌的化学反应,使钢铁得到保护。锌是活泼金属,空气中易被氧化生成锌盐。所以富锌涂层表面出现白色物质就是正常的反应产物锌盐,可阻隔屏蔽腐蚀进一步进行,外观虽不美观,但并不影响抗滑移系数,不需要进行处理。如果清洗,工人操作不当反而影响涂层的抗滑移系数及防腐性能。
(3)高强螺栓孔内壁要求补刷漆涂料,不能生锈。此位置国内外的涂装方法相同,不进行特意涂刷,如果用刷子对其进行涂刷,内壁边缘处不可避免会堆积涂料滴,安装时由于凸起的涂料滴存在,将会影响拼接板面之间的密贴。所以正确的做法是,喷涂钢板两侧摩擦面时,利用喷枪角度也会对内壁或多或少有所覆盖,偶然局部出现没有被覆盖地方,也不要用刷子补涂。如果涂装与安装时间间隔长,安装前内壁有时会有锈,但高强螺栓施拧后内部不会再有空气进入,腐蚀也就停止了。
(4)底漆局部补涂的方法只接受喷涂,不允许刷涂,怕影响外观效果。
如果厚度相差小于20 μm,底漆局部修补应采用刷涂的方式。因为有气喷涂时即使多加稀释剂的情况下,一道至少40 μm,并且扩大了涂覆范围。富锌涂层不宜太厚,尤其是锌含量大的涂料,容易开裂。对于富锌底漆来说,涂层不是越厚越好,修补时应选取适宜的施工方式。
施工管理的科学性也是关系防腐涂装质量的重要一环,这不是一套合理的防腐配套体系能够解决的,因为每种涂料都有各自的应用范围,如果超出它的应用范围,性能就会降低甚至失效。所以,施工各方应注重涂装施工中的科学管理。建议监理单位或业主单位驻现场人员应有相应涂装资质或掌握涂装相关基础知识,这样才能对现场实际问题作出正确判断,而不会错误引导,为后期质量埋下隐患。
3.4 涂料质量因素
对于涂料制造厂来说,桥梁标准中的最常用涂料是成熟产品,对其固化机理及涂料施工性能都掌握得很清楚。通常出现质量问题的涂料是技术指标未在标准中明确的新品种或新涂料的首次应用。这些涂料由于缺少足够的应用经验,施工时出现的问题无法或难以找到合适的解决办法,例如:
(1)冷喷锌涂料的配套性差。
目前,该涂料的配套性已经解决,它可以与多厂家的特定型号配套使用。
(2) 环保型聚硅氧烷面漆涂层脱落。
国内钢桥首次应用了环氧富锌+环氧云铁中间漆+聚硅氧烷面漆这一涂装体系,由于涂料供应商对新产品性能认识不足,涂装施工时无法给出正确的指导,致使在施工过程中遇到了针孔、涂层脱落等诸多问题,经过大量的实验才发现了关键控制因素:一是施工时增加漆膜厚度,聚硅氧烷是厚浆型环保涂料,但某桥的设计厚度为30 μm,喷涂太薄涂层较难成膜;二是调整合理的温度与湿度,硅氧烷面漆固化时需要较高的湿度、温度,与当时施工时较低的相对湿度和温度不匹配。在此两点关键因素得以控制后,生产的杆件没有再出现脱落现象。
(3)水性富锌底漆IC531涂层附着力差。
早在18年前本公司就使用过水性富锌底漆IC531,该涂料对施工环境、工件表面清洁度要求较高。由于对其认识不深,涂料厂技术服务人员也没有过多强调施工要点,造成施工后涂层脱落,出现大面积返工。从此本公司员工可谓是谈水性色变,监理和业主也对该水性涂料质量产生质疑,一种新型环保涂料刚刚在钢桥梁领域出现就遭到了强烈的人为抵制。
涂料生产厂家是长效防腐施工各相关单位中最专业、最了解涂料性能的一方,所以更应当承担起推广、传播涂装知识的责任。关于一种新涂料的推广,应让不同的用户(设计方、业主、监理管理方、施工单位使用方)掌握他们应该知道的相关涂料性能,而且新产品推广前应有足够的实验数据。另外,涂料厂家不仅仅是材料供应商,更应该做好现场施工的技术指导工作。
3.5 施工因素
承担大型钢桥防腐的施工单位都具有专业资质。这样企业有自己独立完善的质量保证体系。桥梁工程防腐涂装施工前有交底会,各方将有异议的地方进行沟通确定。施工时注意表面处理质量、涂装环境、涂装时间间隔等,一般就不会有质量问题。通常,施工人员临时变动、设备出现问题没有及时被发现、工期紧张就比较容易发生质量问题。
建议涂装施工做好以下几点:(1)施工工期应充分考虑涂装工期,合理安排,尽量避免抢工期;(2)注重环境条件的控制;(3)做好喷砂与喷漆以及喷涂各涂层之间的衔接;(4)人员变化时技术交底,增加检查频次,定期培训,定期检修更换设备及配件;(5)积极开发智能设备代替人工,改善劳动条件和劳动环境。
4 钢桥长效防腐涂装展望
伴随国家创新、协调、绿色、开放、共享五大发展理念的引领,钢制桥梁防腐也将会在不久的将来发生革命性的变化。
4.1 涂装施工方式展望
传统的桥梁防腐施工条件恶劣,厂房条件差,有时甚至露天施工,以人工喷涂为主,对喷涂人员职业健康危害较大,涂装质量受环境、人员等因素影响占比非常大。港珠澳大桥施工已对钢箱梁涂装施工环境提出了较高的要求,对专业化涂装厂房除尘、除湿、环境温度、物料自动循环系统等都有配套要求,对大桥的涂装质量提供了保障。在港珠澳大桥基础之上,正在建设的深中通道项目秉承“建世界一流跨海通道,创珠江口百年门户工程”的理念,对钢桥防腐涂装提出了从人工施工到机械自动化智能化施工的更高要求,“智能化涂装”将成为未来涂装施工的发展方向,桥梁钢结构机器人防腐施工将会在不久的将来得以应用。相信在钢桥梁防腐领域的涂装施工自动化、智能化将会很快普及,并且不断提升、完善,更加利于钢桥长效防腐的质量与耐久性。
4.2 水性涂料应用的展望
在绿色环保要求不断提高的发展环境之中,随着施工环境的不断改善,人工智能的应用,清洁环保的水性涂料将会迎来广阔的发展空间并得到广泛应用,相信我们也会在未来的设计体系乃至行业标准涂装体系中看到更多水性涂料的身影。
5 结 语
科技不断发展,管理日益完善。在桥梁涂装行业,随着标准的完善、设计方案的合理制定、恰当到位的管理、优质涂料的研发、智能化涂装技术的革新等涂装行业链条上各相关单位的共同努力,钢桥梁防腐将会迎来更友好、更先进、更优越的环境和条件,从而更好地为钢桥梁实现长效防腐蚀机制和效能。