1、荆岳大桥钢箱梁油漆与电弧喷铝涂装方案对比王延东 杨笑宇 等（中国矿业大学，江苏 徐州 ）摘要：本文通过对涂层的形成原理及失效方式、耐腐蚀寿命、结合力、涂装施工工艺和防腐涂层维护五个方面进行对比，分析了油漆和电弧喷铝涂装方案的特点。针对荆岳大桥所处的腐蚀环境，指出在钢箱梁防腐蚀施工中，电弧喷铝比油漆重防腐方案具有更优秀的防腐蚀效果，进而说明电弧喷铝防腐涂装能够更广泛的应用到钢结构防腐施工中。关键词：荆岳大桥 钢箱梁 油漆重防腐 电弧喷铝Comparability between Paint and Arc-sprayed Coating for Anti-corrosion Project of
2、 Jinyue-bridge Steel Trunk Girder Wang Yandong Yang Xiaoyu Hong Wei Jia Ping Chao Yu（China University of Mining & Technology，Xuzhou China）Abstract：This paper compares paint and arc-sprayed coating for anti-corrosion project in coating forming and invalidation, anticorrosion life, adhesion strength,
3、operation technics of coating and maintenance for anti-corrosion coating, analyzes characteristic of anti-corrosion project. According to the corrosion environment of Jinyue-bridge, this paper points out arc-sprayed Al coating have better anti-corrosion effect than painting on the anti-corrosion ope
4、ration of steel trunk grider, thereby indicates the arc-sprayed anticorrosion coating will be widely used in steel structure operation. Key words：Jinyue-bridge；steel trunk grider；paint anti-corrosion；arc-sprayed Al coating0 引 言湖北荆岳大桥地处湖北、湖南两省交界的长江城螺河段上，是湖北省“六纵五横一环”骨架公路网中随州至岳阳高速公路跨越长江的特大型桥梁，总长 4302.5
5、m，大桥跨南汊深泓主桥为主跨816 米混合梁斜拉桥，中跨和北边跨采用钢箱梁，桥面有效宽度 33.5 米，地处长江中游，属亚热带季风湿润气候，根据岳阳气象站资料，年平均气温 17.2，年均降水量 1331.6 毫米，相对湿度为78，热量充足，雨水集中，属于乡村大气中等腐蚀环境。近年来，为防止钢结构在使用寿命中过早腐蚀，我国桥梁的钢结构基本上都采用油漆重防腐或电弧喷涂的方案进行涂装保护。针对湖北荆岳大桥所处的腐蚀环境，钢箱梁的防腐也可以采用无机富锌涂料涂装和电弧喷铝两种涂装方案，具体设计方案如表一所示。2表一 荆岳大桥钢箱梁油漆涂装方案和电弧喷铝涂装方案Table 1 Paint and arc-
6、sprayed coating for anti-corrosion project of Jinyue-bridge steel structure防腐方案 油漆涂装方案 电弧喷铝涂装方案涂装要求 设计值 涂装要求 设计值二次表面喷砂处理 Sa3 级，Rz25-100m 二次表面喷砂处理 Sa3 级，Rz25-100m无机富锌底漆 1 道 75m 大功率二次雾化电弧喷 铝 180m环氧封闭漆 1 道 25m 电弧喷涂层纳米改性环 氧封闭漆 1 道 渗入铝涂层， 无厚度要求环氧云铁中间漆 1道 100m 环氧云铁中间漆 1 道 180m聚氨脂面漆 1 道 40m 丙烯酸聚氨酯面漆 1 道 14
7、0m钢箱梁外表面（除桥面） 、桥面系钢构件外表面聚氨酯面漆 1 道(现场涂装) 40m丙烯酸聚氨酯面漆 1 道(现场涂装) 140m二次表面处理 St3 级 二次表面处理 St3 级钢箱梁内表面（湿度要求小于 50%） 改性环氧耐磨漆 1道 1125m 改性环氧耐磨漆 1 道 1125m 1 油漆和电弧喷铝涂装方案对比为了解油漆和电弧喷铝涂装方案的特点，可以从涂层形成原理及失效方式、耐腐蚀寿命、涂层结合力、涂装施工工艺和防腐涂层维护五个方面进行对比。1.1 涂层形成原理及失效方式对比涂料作为防腐涂层应用具有悠久的历史，仍一直沿用至今，但它对钢铁的防护寿命有限；随着腐蚀环境的日趋恶劣，而钢结构建
8、筑物的设计使用寿命愈加长久，人们对防腐技术提出更高的要求，促使防腐技术获得极大发展。电弧喷铝长效防腐技术是半个世纪以来防腐技术发展的重要里程碑，可以提供钢结构 3050 年以上的防腐蚀保护，实现一次防腐，钢铁构件终身受益。富锌涂料涂装和电弧喷铝涂层都能对钢结构件提供有效的腐蚀防护，均属牺牲阳极的阴极保护涂层，但其在诸多方面存在很大差异。1.1.1 无机富锌涂料富锌涂料主要有无机富锌和有机富锌（环氧）两大类组成，富锌涂料防腐涂层就是以富锌底外加中间漆和面漆组成的重防腐涂装体系（也称重防腐特涂） 。无机富锌底漆可再分为溶剂基无机富锌底漆与水基无机富锌底漆，溶剂型无机富锌涂料以正硅酸酯为基料，水性无
9、机富锌涂料主要以硅酸钾、硅酸钠、硅酸锂等硅酸盐为基料，以水为溶剂。无机富锌漆靠涂料中弥散的无数锌粉粒子来对钢铁提供阴极保护，锌粉粒子靠无机树脂粘结得以形成漆膜，对钢铁基体提供有限的阴极保护作用和机械隔离作用。无机富锌涂料涂层腐蚀失效机理：涂料中锌粉被自腐蚀和电化学腐蚀，腐蚀结果是锌粉被氧化成氧化锌（白锈）而从涂层中析出，可溶性的氧化锌一旦脱离涂层，导致涂层出现无数微孔，使涂层的腐蚀速率加快，直至涂层被消耗完，防腐作用消失。1.1.2 电弧喷铝涂层电弧喷铝涂层为纯金属铝丝在专用设备的电弧下熔融、雾化，喷涂在工件上形成铝涂层，外加有封闭的长效复合防腐涂层。它对钢铁提供机械隔离和电化学双重防腐保护。
10、有机封闭涂层的存在推迟电弧喷铝涂层腐蚀发生时间，即只有封闭涂层失效后，铝涂层才直接暴露在腐蚀环境中被腐蚀消耗；渗入电弧喷铝涂层孔隙内的涂料，还使电弧喷铝涂层更加密实，阻抗增大，降低电弧喷铝涂层的腐蚀速率，这二种效果共同作用（即最佳协同效应） ，从而使电弧喷铝复合涂层耐腐蚀寿命大大提高。电弧喷涂金属涂层对钢铁长久提供电化学阴极保护，即以比较低的速率牺牲铝涂层而保护钢铁，封闭涂层起隔离和封闭孔隙作用，并减缓或阻止上述电化学反应的发生从而延长钢铁防腐涂层的使用寿命，电弧喷涂复合涂层的有机封闭层即使像油漆涂层那样老化、粉化失效，喷涂金属涂层仍以恒定的低腐蚀速率慢慢消耗，一定厚度的涂层能提供较久的腐蚀保
11、护。喷涂金属涂层防腐效果显著，保护和腐蚀现象容易观察。1.2 涂层耐腐蚀寿命对比1.2.1 采用无机富锌底漆的重防腐涂层体系，钢结构件每隔 15 年左右必须重新刷油漆维修。1.2.1.1 为钢铁提供阴极保护的无机富锌涂料涂层的耐腐蚀性与涂层厚度紧密相关，只有一定厚度涂层方可以提供钢铁较长久的耐腐蚀性。水性无机富锌漆的干膜厚度一般不超过 80m，涂层厚度过厚时漆膜干燥时收缩应力过大易产生龟裂纹。无机富锌漆的阳极与阴极面积比远小于 1，阴极保护效果差。1.2.1.2 无机富锌底漆涂层是靠无机树脂粘结剂附着在金属上，漆膜与钢铁膨胀系数不一样，使漆膜产生内应力，引起油漆涂层附着力下降；油漆涂层在太阳光
12、、大气和雨水作用下要老化，水份通过漆膜自身针孔到达漆膜-钢铁交界面，引起金属腐蚀并体积膨胀（电弧喷铝涂层无此现象） ，导致漆膜鼓泡开裂或局部整体脱壳，涂层防腐失效。无机富锌底漆 + 中间漆 + 面漆的重防腐蚀涂层体系的耐腐蚀寿命一般为 810 年，通过合理的体系配置，可以达到 15 年的防腐蚀寿命，在使用期内每 35 年需维修一次面漆，每隔 15 年需喷砂去除全部涂层再重新刷涂。重防腐油漆涂层是钢构件防腐的唯一屏障，10 年左右涂层一旦失效脱落，钢构件直接暴露在大气环境下遭受腐蚀，日积月累将给钢结构的使用带来严重隐患和危害。1.2.2 采用电弧喷涂防腐，钢桥在 20a 内无需维护1.2.2.1
13、 电弧喷铝涂层与钢铁结合为机械热相嵌和微冶金结合，涂层结合力高，涂层厚度可以从几十微米到几毫米的大范围内变化，涂层质量优良。电弧喷涂层的阳极与阴极面积比远大于 1，阴极保护效果充分。铝涂层在大气环境下的腐蚀速率仅为 2.36.5m /a，涂层耐腐蚀寿命可以由涂层厚度任意选取，如 180300m 厚度的铝涂层，可以提供钢铁 2864a 的腐蚀保护。41.2.2.2 电弧喷涂层的油漆封闭层是涂刷在喷铝涂层上，是钢结构抗腐蚀的第一道防线，即使封闭漆膜粉化、龟裂和剥落，填充在喷涂层孔隙内的封闭涂料继续有效，并与喷涂金属涂层一起组成钢构件抗腐蚀最坚固的第二道防线，电弧喷涂铝涂层对钢铁提供牺牲自己保护钢桥
14、作用。电弧喷涂层与油漆封闭层间存在最佳协同效应，封闭后的喷铝涂层耐蚀寿命不是电弧喷涂寿命与封闭涂层寿命简单相加，而是二者之和的 1.52.3 倍，这是世界公认的最佳协同效应。即使 10年时间油漆层第一道防腐屏障失效，填充电弧喷涂孔隙内的涂料与电弧喷涂铝层作为钢桥防腐第二道屏障，继续对钢桥进行防腐保护，且比第一道屏障具有更长久的耐腐蚀性，万无一失确保钢构件长效防腐寿命达 40a 以上。因此电弧喷铝涂层的耐蚀寿命远远大于无机富锌涂料的耐蚀寿命。1.3 涂层结合力的对比无机富锌涂料与钢铁的结合力是靠无机盐及其树脂来固化，与钢铁形成机械结合，涂层结合力仅为 13MPa，若涂层较厚其结合力进一步下降。电
15、弧喷铝涂层与钢铁结合，是靠铝被熔化，热喷涂至工件表面形成机械热相嵌和微冶金结合，涂层结合力达 10Mpa 以上，远远大于无机富锌涂料与钢铁的结合力。1.4 涂装施工工艺对比1.4.1 无机富锌漆特别是水性无机富锌底漆的涂装施工对环境要求高，控制难度大。1.4.1.1 水性无机富锌漆在施工过程中，由于涂料为高固体份含量，锌粉与水性溶液难以形成完全均匀一致的液态物质，锌粉易沉淀，因此在施工过程中需要不断搅拌，以保持涂料始终处于较均匀的悬浮状态，否则喷涂的涂层中锌粉含量不均匀；1.4.1.2 水性无机富锌漆宜在相对湿度 65-85%环境下施工，因为涂料要与空气中的二氧化碳、水气反应固化成膜，湿度太低
16、涂料不易固化成膜，另一方面湿度大于 85%时，过多的水分又会使涂料流淌，影响漆膜的形成；1.4.1.3 水性涂料对施工环境的依赖性很强，如何保证在高湿、低温及封闭环境下获得性能良好的涂层是水性防腐涂料未来需着重解决的问题。水性无机富锌漆施工时，要求底材表面的最低温度5（最好在 10以上） ，最高温度40，漆膜养护温度宜在 20-35，温度过高会使漆膜干燥太快，从而出现龟裂，温度太低漆膜又不易固化。1.4.1.4 由于油漆施工靠手工涂刷或喷涂，施工中人的因素影响很大，一次漆膜厚度的均匀性和符合性很难达到较好的程度，因此当漆膜较薄时达不到要求的质量,又不能修补；漆膜较厚时，水性无机富锌漆涂层易产生
17、龟裂，涂层结合力也大大降低。1.4.1.5 在运输安装过程中涂层免不了被损伤，损伤后修补很困难，不能使用无机富锌修补，不管是不是再喷砂，只能用环氧富锌涂料修补。1.4.2 电弧喷涂施工（不受环境温度和湿度限制）可以在 340温度、相对湿度 85%以下环境下施工，涂层质量优良。可以保证最低涂层厚度要求，厚度测量不够时可以再补喷达到厚度要求，不影响结合力和涂层性能。1.5 防腐涂层维护对比为确保钢构件防腐长期有效，必须对防腐涂层进行防腐维护（修） 。1.5.1 重防腐涂层失效维修每隔 15 年一次，必须采用喷砂除去钢构件表面旧漆皮和疏松锈蚀物，然后重新涂刷多道油漆（很多结构死角无法维修，可能会成为
18、影响钢构件寿命的严重腐蚀点） ，砂子回收和环保达标困难，作业难度大，维修费用高昂。即使在油漆层完全失效前就进行每隔 23年涂刷面漆，也不可能保证钢构件防腐长久有效，因为底漆耐老化时间是有限的，最终漆膜会脆化脱落，避免不了油漆层的完全失效。1.5.2 电弧喷涂在 20 年后进行防腐维护，直接在喷铝涂层上刷面漆维护，仅需清除喷涂层上老化的面漆涂层，并用油漆稀释剂清洗即可进行涂装，维护防腐效果好，现场施工简单，费用低廉。2 结 论 通过 5 个方面的对比，可以看出， ，电弧喷涂涂装体系较重防腐油漆涂装体系具有耐腐蚀寿命长、结合力大、维护相对简单等多方面的技术优势。由于荆岳大桥钢箱梁处于乡村大气中等腐
19、蚀环境中，为确保其钢箱梁结构能够在桥梁服役期内安全使用，应该选择电弧喷铝防腐涂装方案。而且，电弧喷铝防腐设计方案可以应用到类似腐蚀环境下钢结构桥梁中，进而可以推广应用到其他适宜条件下钢结构防腐蚀施工领域。 参 考 文 献 1 张忠礼。钢结构热喷涂防腐蚀技术M。北京：化学工业出版社，2004.P18-20，P37，P100。2 庞启财。桥梁防腐蚀涂装和维护保养M。北京：化学工业出版社，2003.P28-30 ，P53-61。3 英国国家标准 BS 5493-1977， 钢结构腐蚀保护涂层S4 澳大利亚和新西兰联合标准 AS/NZS 2312-1994， 大气腐蚀环境下钢铁防护指南S5 国际标准 ISO 2063：1991， 金属和无机涂层热喷涂锌、铝及其合金S6 GB/T 9793-1997， 金属和其它无机覆盖层热喷涂锌、铝及其合金S
