无机硅酸锌和无机富锌(「享」浅析钢结构的防腐问题)

Posted 2023-05-28

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无机硅酸锌和无机富锌(「享」浅析钢结构的防腐问题)

来源：桥何名欤

桥梁设计讲究“安全、经济、适用、耐久、美观”五大基本设计原则，耐久也是一个基本原则之一。

区别于混凝土桥梁，钢结构桥梁的耐久性有钢材的防腐、铺装与疲劳等，铺装是直接提供车轮接触面耐久性的问题，疲劳耐久性是受力与构造同时考虑的方面；防腐与受力无关，有钢材部位就需要设计相应防腐体系。

钢材防腐体系有一次防护、二次防护。

一次防护：主要为不锈钢、耐候钢

二次防护：

①被覆盖法：包括涂料涂装、防锈油涂装、热浸锌、热喷涂、冷喷涂等；

②化学处理：利用化学或者电化学处理使金属表面形成一层稳定化合物，如磷酸盐处理、铬酸盐处理、阳极氧化等；

③阴极保护：利用电化学腐蚀原理，利用外加电流或者金属，达到保护钢结构。

钢箱梁防腐涂装

钢结构防腐费用

以一座6x40m钢混组合梁为例说明防腐费用。

孔跨布置：6x40m，桥宽：9m。

桥面面积：2160m2，用钢量：168kg/m2,全桥用钢362.9t。

全桥钢材价格基数为a，初始涂装费用：0.41a。

工厂费用：制作费0.47a，劳务费0.18a，工厂管理费0.31a，一般管理费0.32a，抗震支座费用0.83a，工厂费用合计：3.52a。

工地费用：运输费0.04a，架桥费0.49a，pc桥面板2.28a，护栏0.16a，铺装0.13a，伸缩费0.05a，排水0.02a，措施费0.33a，工地管理费0.64a，一般管理费0.4a，工地费用合计：4.54a。

全桥合计费用（工厂+工地）：14282元/㎡

初始涂装防腐费用：726元/㎡，不包括后期维修涂装及重新涂装费用。

钢板组合梁桥

一次防护

1）不锈钢

加入铬、镍等特定元素而表现出良好耐腐蚀性的合金钢。金属元素铬(Cr) 使钢材表面形成一层不易溶解的氧化薄膜，而与外界隔离，能够长久保持金属光泽。一般铬含量越高，钢的抗腐蚀性越好。

不锈钢结构：不锈钢成本约为普通钢材的４倍，但考虑材料成本、维护费用、防锈处理和防火处理的全寿命周期成本，不锈钢结构具有较大的优势。

最常用的牌号是304，为了达到耐腐蚀性要求，304不锈钢必须含有18%以上的铬,8%以上的镍含量。304不锈钢不耐氯化物腐蚀，在含大量盐分的海雾中很快会锈蚀。因此，在侵蚀性严重的工业或海洋大气中，应采用耐腐蚀性更好的316。而双相型不锈钢2205，把良好的耐大气腐蚀性能和高抗拉强度及弹性强度融为一体，其强度甚至略高于高强钢Q420。不锈钢的线膨胀系数是普通钢材的1.5倍，热传导率约为普通钢材的1/3，所以焊接变形控制比较困难，特别是奥氏体型不锈钢，应尽量减少焊缝的溶敷金属量、低热量输入，严格精细的焊接工艺和顺序。

奥氏体型和双相型不锈钢指标对比表

2）耐候钢

耐大气腐蚀钢，在钢材中加入一定数量的合金元素（Cu、P、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、V、Ti、Re等），使其在金属表面形成保护锈层，以提高耐大气腐蚀性能的钢，阻止了大气中氧和水向钢铁基体渗入，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，从而提高耐大气腐蚀能力，耐大气腐蚀性能为普通碳素钢的2～5倍；

耐候钢桥

部分铁路钢结构桥梁钢桥面采用不锈钢复合钢板，基板采用16mmQ370qD,复板材质为022Cr17Ni12Mo2（316L），3mm不锈钢板；

耐候钢桥

它的特别之处在于，暴露在自然环境中，随着时间的推移，表面形成抗腐蚀的保护层，无需涂漆保护，材料寿命在80年以上；如果不处理，锈化反应就会持续下去，最终钢板就会被烂穿，所以必须让他停留在某个特殊阶段；耐候钢板表面有一层锈红色保护膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度，保护膜是如何形成？比较常用的就是—安定化处理工艺。

耐候钢：安定化处理工艺

第一阶段：正品耐候钢开始长出小锈点，普通钢板的锈点比较疏松，部分发锈处理差的甚至出现掉锈皮。

长锈第二阶段：正品耐候钢锈水较少，锈点较小厚密；普通钢板的锈水比较多，锈点较大薄疏；普通钢板的锈柱，泪痕比较严重，工件底部有发黑痕迹。

长锈第三阶段：正品耐候钢有清晰的致密的锈核层，锈点之间紧密粘连成保护层，用手擦几乎不掉锈；普通钢板掉锈量较多，甚至整块锈皮剥落，锈穿。

正品耐候钢是偏向红褐色，普通钢板是偏向暗黑色。

耐候钢：注意事项

①焊接点的腐蚀：焊接点的氧化速率必须和其它用料相同，这需要特殊的焊接材料和技术。

②积水腐蚀：耐候钢并非不锈钢，如果耐候钢的凹位中有积水，该处的腐蚀速率将变快，因此必须做好排水。

③富盐空气环境：耐候钢对富盐空气环境较敏感。在这样的环境中，表层保护膜可能阻止不了内部的进一步氧化。

④掉色：耐候钢表面的锈层可使它附近的物体表面变得锈迹斑斑。

耐候钢桥

耐候钢桥梁设计注意事项

①耐候钢的适用环境：要求空气中氯离子浓度不超过0.05mdd（ mdd：NaCl 换算的盐分量mg/dm2/day）;到水面的距离不能过近，周围地形地貌亦有关系；

②耐候钢设计细节设计不易积尘的结构；设计水分（包括含较多湿气的空气）不易滞留的结构；设计不易受雨水等水分的滴落反弹影响的结构；特别注意桥梁端部、箱梁内部、结合梁的上翼缘、支座等局部不良部位的细节设计。

③耐候钢的实际情况调查：日光照射也影响耐候钢保护层的形成，向阳面更容易形成保护层，向阴面由于水分蒸发较慢不利于形成保护层。箱梁外侧因为有日光照射和雨水冲洗，容易形成均匀的保护层，但箱梁内部由于湿气较重，不容易形成保护层。箱梁翼缘的底部容易结露而形成瘤状锈蚀，这种锈蚀是不容易完全打磨掉的，打磨不掉的残锈则变成了行的锈蚀核心。

使用耐候钢如果对局部不容易形成保护层的地方进行涂装的话，那么容易产生新的问题就是在涂装部分的边缘部位的耐候钢锈层会侵入涂层下面，造成急剧腐蚀而剥离，因此如果局部涂装对耐候钢是不合适的。耐候钢要求远离海洋环境，氯离子的存在影响保护层的形成。对于寒冷地区，冬季如果使用除冰剂等也是不适合使用耐候钢的。

耐候钢要求排水处理非常细致，有积水的地方就不容易形成保护层，水汽重的地方也不容易形成保护层。耐候钢设计要注意细节，对于如果桥址处如果有鸟类等要注意意外的因素影响，耐候钢保护层的形成。耐候钢一旦形成不了保护层，后期处理起来也比较麻烦，因此选择耐候钢要对桥址环境、细节设计非常到位。

美国 Pennybacker Bridge

二次防护

1）被覆盖法：包括涂料涂装、防锈油涂装、热浸锌、热喷涂、冷喷涂等。涂料涂装，占钢结构桥梁防腐60%。钢结构按照腐蚀环境、工况条件、防腐年限进行相应防腐设计；

a、腐蚀环境大气区、浸水区、埋地区；

b、根据涂装部位外表面、内表面、钢桥面、干湿交替区、摩擦面及附属；

c、普通型及长效型保护年限。

钢结构桥梁主要防腐涂层体系：

①环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+丙稀酸聚氨酯面漆（氟碳面漆、聚硅氧烷面漆）

②无机富锌底漆+环氧云铁中间漆+丙稀酸聚氨酯面漆（氟碳面漆、聚硅氧烷面漆）

③热喷锌（铝）+环氧云铁中间漆+丙稀酸聚氨酯面漆（氟碳面漆、聚硅氧烷面漆）

各类富锌涂料在海洋大气中的使用寿命对比

水性无机富锌涂料以硅酸盐为成膜反应物与锌反应生成硅酸锌网状结构，因此可称为无机硅酸锌涂料，属绿色环保型涂料。

水性无机富锌涂料由于硅酸盐与锌粉反应的同时还与钢铁反应形成硅酸锌铁络合物，因而对钢铁表面形成很强的化学键，从而可抵抗水、海水、有机物、氯化物等的侵蚀。

环氧富锌涂料是以环氧树脂为成膜物并以有机溶剂为稀释剂的涂料，属有机类涂料。

环氧富锌涂料的附着力靠树脂对钢铁表面的粘结力，属物理吸附，初始附着力较好，但有机物的耐候性差，在恶劣环境下更易老化，从而附着力慢慢降低。

一般来说，环氧富锌涂料较易与各类面漆配套，水性无机富锌涂料除油性漆和醇酸漆不能配套外，可与目前普遍使用的环氧、丙烯酸、聚氨酯、乙烯类漆配套，如涂环氧过渡层漆则可与更多的面漆配套，且效果更佳。

虽然一般来说水性无机富锌底漆的配套性能不如环氧富锌底漆，但目前可配套的面漆品种仍很多，完全能满足防腐工程的需求。

Ⅰ 基材表面处理：水性无机富锌漆在成膜过程中与钢铁表面形成化学键，因此对基材表面的处理要求严格，必须达到 Sa 2.5 级，并使表面有一定的粗糙度，增加表面积，确保锌粉能同钢铁紧密接触。

环氧富锌涂料附着力主要由有机树脂对基材的物理吸附贡献，因此对基材表面处理程度可相应降至 Sa 2.0 级，但实际施工中也要求达到 Sa 2.5 级。

值得指出的是，在重防腐领域， Sa 2.5 级是普遍采用的级别，目前喷砂（喷丸）技术完全可以达到。

Ⅱ 施工环境问题：水性无机富锌涂料以水为稀释剂，只有通过水分的挥发才能使湿膜形成硅酸锌致密网状结构的漆膜，因此这类涂料对施工环境，如气温、湿度、风力等比较敏感，相比之下，环氧富锌涂料由于以有机溶剂为稀释剂，较少受环境的影响。

WZ-116 系列水性无机富锌涂料已能满足不同环境条件下的施工要求。另外，对自动涂装流水线作业而言，因基本呈封闭型，大大削减了外部气候环境的影响，对水性无机富锌涂料的施工十分有利。

热喷涂与冷喷涂

热喷铝工艺已应用较长时间：

①对表面处理要求高，喷砂必须达到最高级别 GB8923 规定的 Sa 3 级，否则有脱落可能；同时，喷涂施工时，对环境条件的要求也高，相对湿度 RH＜85％；钢材表面温度必须高于露点温度 3℃；

②热喷铝层有 5～15％的孔隙率，不能单独成膜，必须用涂料层封闭，才能发挥它的防腐效果，空穴处易形成早期点蚀；

③锌铝镀层的破损处及焊缝处修补困难；

④不环保，污染较大；喷砂除锈时形成的尘粉及喷镀时形成的氧化锌粒子，对人体伤害严重，存在劳保及职业病问题；

冷喷锌材料近年来发展很快：

①对表面处理要求低，喷砂达到 GB8923Sa2.5 级，去除氧化皮后，允许钢材表面有 5%以下的锈斑。可以在相对湿度大于 85%条件下施工，施工的允许温度范围宽。

②锌盾镀层孔隙率很低，既可单独成膜，封闭层不是必须的，节省一道工序及费用；又可与重防腐料配套，复合涂层的防腐蚀年限可增加2倍以上。

③锌盾镀层间重融性能好，在工厂及现场均可方便施工及修补，不存在修补防腐薄弱问题。

④锌盾像重防腐涂料一样，可刷滚涂，可用有气、无气喷涂，施工效率大大高于热喷铝。

⑤锌盾是环保型产品。锌盾成份内不含 Pb、C2、Hg 等重金属离子，溶剂里含苯，甲苯等有毒成份，对环境对人体安全环保性好，符合国家发展政策。

冷喷锌

冷涂锌是一种单组分涂料，主要由高纯度的锌粉、溶剂和特殊有机混合树脂三部分组成。涂层干膜中含锌量高达96％，具备热镀锌及富锌涂料的双重优点，常温施工便可达到热浸镀锌的效果，提供阴极保护及物理屏蔽双重保护功能，防腐性能优异、施工便捷；可采用单层封闭涂层及复合涂层两种形式。

冷喷锌单层封闭涂层及复合涂层

①涂层厚度特性：热喷锌、冷喷锌和富锌涂料涂层厚度均为75～80μm，热喷锌涂层厚度离散性大，表面粗糙度高，冷喷锌和富锌涂层厚度均匀；

②腐蚀电位随时间的变化：三种涂层腐蚀电位均远负于基体腐蚀电位，热喷锌涂层腐蚀电位和冷喷锌相当，富锌涂层腐蚀电位略高；

③盐雾试验：热喷锌涂层盐雾试验21d即出现红褐色锈蚀，涂层被破坏，腐蚀50d的表面存在大量孔洞和裂纹，涂层脱落，完全失去防护作用；

冷喷锌涂层与基体结合紧密，腐蚀50d也仍保持原始形貌；富锌涂层盐雾试验21d出现鼓泡，随时间延长，鼓泡数量逐渐增加，涂层表面出现大量裂纹，涂层与基体脱离。

冷喷锌存在问题

①涂料本身问题：施工性、配套性差，涂层质量和附着力不稳定以及耐热性差等方面，是由冷涂锌涂料本身特性所决定的。冷涂锌生产厂家应该加强其在重防腐涂装行业中的应用性研究，提高冷涂锌的施工性能，解决冷涂锌与中间漆、面漆的配套问题；

②施工工艺要求高：冷涂锌防腐需要选择合适的喷嘴型号、控制喷涂厚度、严格遵守工艺要求的涂装道数、间隔时间，还有采取加热保温、通风措施等手段来控制涂装质量；

③冷喷锌复合涂层防腐体系成熟体系较少：冷涂锌材料锌含量非常高，电化学防腐能力比普通富锌底漆更优异，作为单涂层防腐材料优势明显。但使用冷涂锌复合涂层的话，对其配套性、施工环境及施工要求均较高，容易出现剥落、起泡；当选择冷涂锌复合涂层的方案时，应设计合理的涂装道数和厚度，并充分考虑各种影响因素和工期进度的要求。

钢材防护纳米技术

大型钢结构是大量基础设施的重要组成部分。桥梁、电站、输油输水管道、油气储罐、大型生产装置、船舶、海工结构、塔架及许多大型建筑物均大量采用钢结构。

虽然所用的碳钢与一些低合金钢具有很好的力学性能与合理的价格，但它们存在着严重的电化学腐蚀问题。由于具有用量大、寿命要求长的特点，所以需要的防腐手段也具有特殊性。

在各种腐蚀控制方法中，主要选用不同表面处理与施加防腐涂层的方法来对大型钢结构进行防护。

到目前为止，应该说大多情况下防护效果还远不理想，主要是存在由于化学与力学失效引起的覆盖层寿命问题。因此开发高性能、长寿命、并在新形势下满足环保要求的表面改性a技术与防腐产品，是一项重要的任务。而解决这样的问题，离不开高技术与新思路和采用。

目前，纳米技术在钢结构重防腐产品中的应用还处于起步阶段。国内外均少见型产品应用的报导。但普遍认为，纳米技术的采用无疑将会给该领域带来世大的收获。

原因很简单，因为防护所涉及的表面材料与自防护腐蚀产物的性质主要由其微观结构所决定，这里涉及界面问题，电化学历程的改变，传输行为、表层材料强度与塑性的变化等。

例如，某些各类的纳米粒子引入有机涂层可以增加其抗老化性，无机涂层的塑性可由于其结构的纳米化而改善。