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桥梁涂料发展特点及水性化应用探讨

作者
中国腐蚀与防护网
来源
中国腐蚀与防护网
发布时间
2018-09-12
关键词
桥梁, 桥梁涂料, 水性涂料
领域
腐蚀领域
摘要
桥梁涂料发展特点及水性化应用探讨
正文
1. 我国桥梁发展历史和现状 我国是一个文明古国，文化历史非常悠久，有文字记载的桥梁建造的历史甚至可以追溯到汉代。 我国的桥梁建设从大的方面来分，可以分为古代与现代两个时期。其中，古代桥梁基本上都是木桥、石拱桥，跨径通常为几十米。比如有着1400多年历史的赵州桥，跨径就是37米，但在当时就已经是一个了不起的奇迹。而现代桥梁大多是混凝土桥、预应力混凝土桥、钢结构桥，桥梁的长度也达到了几十公里。 我国现代桥梁建设一般可以分为三个时期：第一个时期为建国初期的前十年，即1948~1954年，那时候还不具备新桥的建造能力，主要修复和加固各类旧桥。 第二时期是到改革开放之前，即1954~1978年，建设大量的中、小跨径的钢筋混凝土桥和预应力混凝土简支梁桥、拱桥及少量的钢桁梁桥； 第三个时期是从改革开放到现在，即1978年至今，这一阶段我国大量建设大跨径钢管拱桥、斜拉桥和悬索桥，大量采用预应力混凝土连续梁和钢箱梁。 我国桥梁设计理论和规范的发展和上述的三个时期相对应，首先第一个时期为建国初期，这一时期我国桥梁设计主要参考其他国家相关标准和规范。第二时期开始，相关部门根据我国国情进行了公路桥梁规范的编制。第三个时期则是适应为了改革开放和各类基础设施建设的迅猛发展，对我国公路桥梁有关标准和规范进行了大规模修订。 不可否认的是，建国以后我国各类桥梁建造技术水平得到了突飞猛进的发展，中国桥梁数量增加得很快，每年都有大量新建桥梁投入使用，目前黄河上的大桥超过220座，长江上的大桥也达到160多座，中国公路、铁路桥梁总和已超过100万座，并继续保持着较高的速度在增加，这不得不说是世界桥梁史上的奇迹。 经过改革开放后30年的发展，我国桥梁建设在材料规范、设计理念和工业化制造方面均达到了世界桥梁行业排名的制高点。世界10大跨海大桥中，我国独占5座。 表1 世界十大跨海大桥 这里多说一句，中国桥梁建造有个特点，就是你这座桥多长，那我建的桥就一定要比你长一点。你跨径800米，那我就880米，你1018米，我就1088米，我再来个1092米，就是比你要长那么一点点。虽然这里有一个攀比的心态，但也从另一方面确实也促进了桥梁行业的发展。 其实说到桥，就不得不说即将通车的珠港澳大桥，绝对是代表了现代桥梁建设的最高水平。港珠澳是世界最长跨海大桥，可抗8级地震，16级大风，大桥总长55公里，是世界公路建筑史上长度最长，技术最复杂，施工难度最高，工程规模最庞大的桥梁。钢箱梁长度达到20多公里，用钢量约50万t，相当于10个“鸟巢”、20个“水立方”的用钢量，设计使用寿命长达120 a，可以说是一座只有中国人能造出来的超级大桥。绝对是当之无愧的超级工程之首。 2. 桥梁行业整体发展趋势 我国的道路桥梁发展逐步趋于完善，但是整体技术还是落后于发达国家。而且国内整体发展状况十分不平衡，东部沿海地区路网非常发达，而西部偏远地区的交通则是十分落后，严重阻碍着经济发展。 我国地域广阔，特殊的地形地貌将也对桥梁建造技术发展提出更高要求。再加上一个特殊的原因，很多桥梁在建造过程中当中也存在不少瑕疵，整体质量保证或多或少存在一些问题，再加上有时候过分强调工程建设的经济效益，但是缺少了对于环境保护等诸多方面的考虑，这都是我们整个行业面临的问题。但是应该说，最近几座大桥，上述的问题得到了很大的改观。又说到港珠澳大桥，这座桥横跨伶仃洋，下面就是白海豚保护区，因此在建造之初就专门研究了如何不破坏白海豚保护区，这点确实是非常难能可贵的。 2.1桥梁行业的发展趋势 中国桥梁行业的发展趋势，主要两个方面：一是向着大跨径的方向发展，二是钢梁结构将成为主流。 未来十年将是我国桥梁钢梁发展的重要机遇期。大家都知道我国钢材产量是世界最高的，我国产业政策也是鼓励和推广桥梁钢梁产品的应用。再加上政府部门的引导，以及钢梁的优势得到公认和发展，这些都极大地促进了桥梁钢梁的发展。 前些年，钢箱梁结构的桥占主流，但是近些年来，桥梁建设中，钢桁梁的比例和规模越来越多。钢桁梁的优点是结构轻巧，用钢量少，在我国公路桥梁、铁路桥梁建设中得到了广泛应用，尤其是在大跨径桥梁和铁路客运专线中的应用越来越多。 2.2桥梁钢结构的主要类型 （1）桁架桥 钢桁梁桥的主梁是由位于多个平面内的钢桁架连接形成整体空间结构，来承受荷载作用的空腹式受弯结构。 图1 桁架结构 桁架是平面结构中受力最合理的形式之一。桁架桥是桥梁的一种形式。桁架桥一般多见于铁路和高速公路；分为上弦受力和下弦受力两种。 桁架结构的优势：（1）桁架的设计、制作、安装均为简便；（2）用钢量少；（3）桁架适应跨度范围很大，故其应用非常广泛。 桁架结构的缺点：（1）结构空间大，其跨中高度H较大，给建筑体型带来笨重的大山头，单层建筑尤难处理；（2）侧向刚度小，钢屋架尤甚，需要设置支撑，把各榀桁架联成整体，使之具有空间刚度，以抵抗纵向侧力。 （2）钢箱梁 钢箱梁桥是指主梁为薄壁闭合截面形式的桥梁，主梁常称为箱型截面梁或箱型梁。箱型梁不但可以作为梁式桥的主梁形式，而且是其他大跨度桥梁，如悬索桥、斜拉桥所经常采用的主梁形式。 图2 箱梁结构 箱梁结构的优势：（1）翼缘宽度大，具有很大抗弯能力、跨度大。（2）抗扭刚度大，荷载横向分配均匀，适于弯桥。横向抗弯刚度大，抵抗水平力强，可省纵联，单箱还省横联。（3）单根箱梁整体稳定性好，施工快。（4）梁高小，适用于立交和建筑高度受限的桥梁。（5）外形美观，横隔和加劲结构都在箱内。（6）箱内中空结构，便于布置附属设施、便于检修维护。 箱梁结构的缺点：（1）加工时间长（2）用钢量大。 （3）钢板梁 钢板梁桥是指由钢板焊接、栓接或铆接，形成实腹式钢梁作为主要承重结构的桥梁，截面多为工字型。 图3板梁结构 钢板梁结构的优势：（1）构造简单、制作容易，可整孔运输，安装维修养护方便。（2）跨度＜40m时，钢板梁桥比桁架桥经济。 钢板梁结构的缺点：与钢筋混凝土梁或预应力钢筋混凝土梁相比，钢板梁造价高，因此只有在工期紧张、场地受限的情况下才可以考虑采用钢板梁桥。 （4）组合梁桥 是指采用剪力连接件将钢板梁、钢箱梁、钢桁梁等钢构件和钢筋混凝土构件结合起来共同工作的一种复合式结构桥梁。 优点：（1）方便施工，钢杆件强度大、重量轻，便于架设。（2）自重小，与混凝土桥相比，自重轻，对于大跨径桥尤为重要。（3）提高使用性能，钢抗拉、混凝土抗压，充分发挥各种材料性能。（4）节省造价。 3. 桥梁涂料发展历程 在建国初期，我国的涂料产业很不发达，很多桥梁涂料大多仍采用以天然原料为主的低档涂料。比如天津的解放桥，最开始就是用的醇酸漆，后来重涂维修改的氯化橡胶漆，这类产品防锈性能差，装修性低下，造成所涂装的桥梁短期内即出现严重锈蚀。 到了80年代以后，随着大跨境桥梁的建设以及富锌类涂料的运用，开始越来越多的采用环氧富锌底漆、环氧云铁中间漆以及氯化橡胶面漆作为防腐蚀涂装方案，涂料防护寿命可到到15a以上。 而到了90年代以后，聚氨酯面漆应用的越来越多，配套主要是富锌底漆，配合环氧云铁中间漆、聚氨酯面漆的复合涂层体系。这类重防腐涂装方案有着良好的重涂性且耐候性优异，涂层的整体防腐蚀寿命能够达到20a以上。 到了21世纪后，我国桥梁涂料及涂装技术日臻完善，很多新技术，比如热喷锌铝、比如自清洁技术开始逐渐应用。就像舟山群岛上的多座大型桥梁就采用了与金属喷涂与氟碳面漆的复合配套涂层体系，这也将涂层的整体防腐蚀及耐候寿命提高到25a以上。 总结起来，我国的桥梁涂料发展经历了三个阶段： 第一，起步阶段（1953~1979年） 当时，铁道科学院联合国内天津灯塔油漆厂等涂料厂开发研制桥梁涂料，涂料类型为红丹防锈底漆、醇酸面漆，在武汉长江大桥、南京长江大桥等多座大型桥梁上得以运用。70年代末期，上述产品被性能更为优异的云母氧化铁类产品所替代。 表2 武汉长江大桥涂装配套 第二，发展阶段（1981~1999年） 上海开林造漆厂等开发研制出以环氧富锌底漆、环氧云铁中层漆和氯化橡胶面漆为主的桥梁配套涂料，用在上海南浦、杨浦、徐浦大桥上，为我国桥梁重防腐涂料的发展作出了良好的开端。 表3 南浦大桥涂装配套 第三，迅速发展阶段（2000年~至今） 20世纪末，关西、海虹、国际等跨国涂料公司以独资或合资方式纷纷在中国建厂，将先进的桥梁涂料及涂装技术带入中国。一些先进的涂料产品，如氟碳面漆、聚硅氧烷面漆等成功运用于多座重大桥梁。这些新产品、新技术的应用，都极大的促进了我国桥梁涂料的飞速发展。 比如说厦漳桥和明州桥，就应用了热喷锌铝。像辽河特大桥和中朝新鸭绿江大桥，就应用了自清洁氟碳面漆。而重庆朝天门大桥和菜园坝大桥，则是用了聚硅氧烷面漆。 表4 不同桥梁涂装配套 4. 桥梁涂料发展特点 近年来，涂料行业的发展已日益朝着高固体份，低VOC、无毒化、水性化的环境友好型方向发展。在我国桥梁涂料发展的过程中，将节能减排作为主攻方向，着重做了以下各项工作： 4.1桥梁涂料环保化 普通溶剂型产品中所使用的颜填料易含有重金属离子等有害物质（铅、汞、铬、镉、多溴联苯和多溴二苯醚等六项物质），重金属的有害性是接触性的，在涂料成膜后不会产生任何挥发、迁移和扩散。重金属离子对于人与生物的危害主要出现在生产、施工、清理等过程中。如果涂料产品中含有重金属离子，则在施工时不可避免的会造成周边环境造成污染。环保型涂料产品应符合欧盟《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》（Restriction of HazardousSubstances）中RoHS 2011/65/EU规定。 除重金属离子外，面漆产品中的游离TDI单体也会对人体造成严重危害。TDI是一种有毒化学品，较容易挥发，化学性质非常活泼。异氰酸酯树脂中挥发出的TDI单体被称为游离TDI，主要的毒性作用是致敏和刺激作用。国际上对涂料中游离TDI的含量有严格标准，国际化学品安全规划署（IPCS）规定其先进水平是必须小于0.5%以保证涂料使用者的安全。而我国目前GB 18581-2009《室内装饰装修材料溶剂型木器涂料中有害物质限量》标准中对双组份聚氨脂面漆中游离TDI含量的规定做出了明确规定：游离二异氰酸酯（TDI、HDI）含量总和须在0.4%以下。 4.2低VOC化 VOC在室外太阳光和热的作用下能参与氧化氮反应并形成臭氧，臭氧导致空气质量变差并且是夏季烟雾主要组分。VOC在室内对人体的影响可分为三种类型：一是气味和感官，包括感官刺激，感觉干燥；二是粘膜刺激和其它系统毒性导致的病态，刺激眼粘膜、鼻粘膜、呼吸道和皮肤等，VOC很容易通过血液-大脑的障碍，从而导致中枢神经系统受到抑制，使人产生头痛、乏力、昏昏欲睡和不舒服的感觉；三是基因毒性和致癌性。目前桥梁涂料仍以溶剂型涂料为主，因此，减少溶剂型涂料VOC含量，提高涂料固体分等是桥梁涂料环保工作的重点。 为减少涂料产品中挥发性溶剂对于大气的污染，发达国家均在多年前即制定了限制工业涂料中VOC含量的法令。 表5 美国与欧盟对于工业涂料VOC含量要求 我国在环保方面的重视程度与国外发达国家相比，之前有一定的差距，但是近年来，对于环保的重视程度开始有了明显地加强。美国与欧盟有明确法规限定了工业涂料的VOC含量，而我国则是在2015年2月1号开始征收溶剂型涂料的消费税，规定了VOC含量＜420g/L的产品可以免征消费税。 为了规避涂料消费税，同时也是为符合“节能减排、循环经济和环保要求”的要求，我国的涂料企业也在不断的对原有产品加以改进和完善，逐渐推出了具有低VOC含量的系列工业涂料产品。比如近期即将通车的港珠澳大桥，就在其涂装方案中首次提出了VOC已经有害物质限量的要求，当时的产品环保性主要是参考了香港路政署规定的环保型涂料产品。 近年来，各省份也纷纷出来了对涂料使用企业的排放要求，其中部分省份的要求极为严苛，甚至于用高固体的油性涂料都无法满足要求，这也倒逼涂料企业不得不将大部分精力往水性化投入。 4.3开发水性桥梁涂料 传统溶剂型涂料易燃，涂料中的溶剂挥发易与空气形成爆炸性混合气体，当其浓度达到爆炸极限范围内时，遇火星就会引发爆炸事故。在类似于桥梁钢箱梁等密闭环境中施工时，因为通风条件的限制，发生爆炸的危险性极大，施工过程中存在较大的安全隐患。 水性涂料VOC含量的姑且不论，其最为主要的优点是不燃，可以避免起火和爆炸事故的发生，这是水性防腐涂料有别于溶剂型涂料的最大的安全性能优势。 水性漆主要以水作为溶剂，虽然含有一些助溶剂，但是有机挥发物含量相当低，几乎没有闪点或者闪点相当高，在涂装过程中没有安全隐患，对施工人员的健康也没有什么危害。当然，大家都了解的，水性漆对于水源的污染还有争议，这里就不多说了。 但水性涂料产品也存在着一定缺点，比如水性漆对于施工环境比较敏感。而且水性漆的特点所致，难以做到单道厚膜，膜厚做不上去的话，对于整体防腐性也很难有保证。 另外，水性涂料价格较高，这也制约了水性涂料发展。 5. 桥梁涂装配套体系 国际上桥梁涂装方面最重要的标准是ISO 12944《色漆和清漆—防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护》（Paints and Varnishes—CorrosionProtection of Steel Structures by Protective Paint Systems）。该标准共分为八个部分，第二部分（ISO 12944-2:1998）对大气环境的腐蚀级别做出了详细规定，第五部分（ISO 12944-5:2007）给出了不同腐蚀级别下的配套涂层品种及厚度的指导性数据，对于桥梁的涂装配套体系的制定具有重要的指导意义。ISO12944标准经过多年的实践，证明是有效实用的，受到世界各地的业主、涂料商和防腐蚀设计人员等的良好赞誉，广泛被各个国家采用。 再来说说我们的近邻日本。日本是桥梁众多的国家，他们对桥梁的涂装非常重视，早在50年代，日本道路协会就制定了《钢质公路桥涂装便览》，并在1991年10月，对该标准进行了修订，根据日本钢管应用技术研究所在1974年开始在连接濑户内海的桥梁上进行的实桥涂装实验，多种涂料体系分别在1、2、3、5、7、10、15年（1989年）检查，综合评定的结果是取消了厚膜型无机富锌+酚醛云铁+氯化橡胶及镀锌的涂装体系。推荐使用重防腐涂装体系，底漆是无机富锌和超厚膜型环氧涂料，氟树脂涂料作为面漆正式列入了桥梁涂装规格书。随即，日本著名的多多罗大桥、明石海峡大桥等跨海大桥，均使用了氟碳涂料体系进行防腐蚀涂装保护，经过十几年的实际使用，涂层的景观效果和防腐效果仍十分良好。 我国目前桥梁涂料和涂装的标准，可以分为公路桥和铁路桥两大方面，公路桥方面的标准比较完善，主要有钢桥和混凝土桥两大类。 钢桥方面：主要有交通部行业标准：JT/T 722-2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》，JT/T 694-2007《悬索桥主缆防腐涂装技术条件》，JT/T 695-2007《混凝土桥梁表面涂层防腐技术条件》。 混凝土桥，主要是JT 821.1-2011 混凝土桥梁结构表面用防腐涂料第1部分：溶剂型涂料，JT 821.2-2011 混凝土桥梁结构表面用防腐涂料第2部分：湿表面涂料，JT 821.3-2011 混凝土桥梁结构表面用防腐涂料第3部分：柔性涂料，JT 821.4-2011 混凝土桥梁结构表面用防腐涂料第4部分：水性涂料。 铁路桥方面的行业标准，主要是铁道部的几个标准，最重要的就是TBT 1527-2011 铁路钢桥保护涂装及涂料供货技术条件，其他的还有：TB/T 2486-1994《铁路钢梁涂膜劣化评定》，TB/T 2772-1997《铁路钢梁防锈底漆供货技术条件》，TB/T 2773-1997《铁路钢梁面漆、中间漆供货技术条件》。 另外，还有化工行业标准：HG/T 3656-1999《钢结构桥梁漆》。 这些行业标准略有差异和区别，互为补充，其中最重要的标准是JT/T 722-2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》，该标准的主要内容借鉴了ISO 12944的内容，规定了公路桥梁钢结构防腐蚀涂装的分类、要求、试验方法、检验规则、安全、卫生和环境保护以及验收的要求，对于我国桥梁防腐蚀涂装，起到了非常重要的指导作用。 我国桥梁涂装配套的标准JT/T 722主要沿用了ISO12944的数据，而日本主要依据日本道路协会推荐的涂装配套，同类的使用环境，我国的桥梁涂装配套膜厚偏厚，下面仅以C5-M环境为例加以说明。 表6我国桥梁涂装配套标准膜厚的差异 以上数据说明我国桥梁的涂装配套膜厚是最厚的，为330微米，大于ISO12944规定的320微米，远大于日本道路协会规定的250微米；面漆的膜厚也是最厚的，为80微米，大于ISO标准和日本道路协会推荐的50微米。在日本，实际涂装的桥梁第一道面漆一般为环氧中涂，面漆膜厚仅为25微米，比我国目前常规涂装的80微米低很多。日本道路协会推荐的膜厚是有常年的暴晒数据的积累，实际证明，只要施工正常，保证涂装的质量，该配套的防腐蚀效果是有保证的。 笔者调查了采用该体系涂装的明石海峡大桥，经过了14年的使用，没有任何生锈、起泡、剥落、开裂和沾污，变色为1级，粉化为3级，失光为3~4级，防腐蚀效果和景观效果还是非常优异的。 6. 水性涂料在桥梁领域的应用趋势 最后来探讨一下水性漆在桥梁领域的应用趋势。作为水性漆来讲，天生的存在一些问题，比如干燥速度、比如厚涂性的问题，这些都是水的特性所导致。这些问题也是限制水性漆在重防腐领域大量推广的主要原因。 和已经全面转水的集装箱行业不同，桥梁施工一般在大型钢结构厂，由于分段的体积巨大，肯定不具备烘烤干燥的条件。另外，桥梁的建造施工是一个非常复杂的过程，一般来讲工期都会比较紧张，而涂装通常都在最后的环节，因此往往是被压工期最为严重的一环，这也就造成桥梁涂装很难有很充裕的时间来按照规范进行施工。 那么，这是否就是说水性漆无法在桥梁这类的重防腐领域推广使用呢 我觉得并不是。在桥梁领域，以下的几方面还是可以使用的。 （1）桥面 首先是桥面临时保护。了解桥梁行业的朋友们都知道，桥面最终是要铺装防水材料和沥青路面的。但是在桥梁分段建造到全桥合拢之前这个过程，必须要对桥面进行涂装保护。 通常，桥面采用的临时保护油漆多数是环氧富锌底漆和无机富锌底漆，一般是喷涂80μm左右，这个是标准中的要求。但是呢，也有很多桥就用氯化橡胶漆，用环氧漆等等品种。到了全桥合拢以后，根据各个桥的设计工艺不同，有的桥会打掉这层临时保护油漆，直接铺装防水材料，也有的是打掉旧涂层，再喷一道环氧富锌底漆，然后再铺装防水。 因此，我觉得水性涂料，在桥面上的应用应该是不会存在任何的问题。目前，两组分的水性环氧富锌底漆，以及水性无机富锌底漆都已经非常的成熟，产品也完全能够达到临时保护的要求。 （2）内壁 其次就是内壁。刚才我们也介绍了钢箱梁内壁分为封闭环境和非封闭环境两种，在封闭环境下，又有配备除湿设备和没有除湿两种情况。 非封闭环境通常采用和外表面一样的配套。 而封闭环境通常是在钢箱梁的内部，一般有除湿的情况下，其腐蚀环境就比较轻微，我们认为可以按照C3的腐蚀环境来设计配套。也就是说，用水性环氧磷酸锌底漆就可以满足防腐要求。而没有除湿机的情况下，一般认为可以按照C4的腐蚀环境来设计配套，也可以采用水性环氧富锌底漆+水性环氧云铁中间漆的方案。 但是，水性漆在内舱的应用，需要注意两个方面，一个是内舱通风状态不佳，对于闪锈的抑制很重要。二是对于厚涂性的要求，舱内的U肋、自由边、过焊孔很多，这些部位通常油漆会喷的比较厚，水性漆的厚涂性如果控制的不好，在这些部位容易过厚产生流挂、针孔等漆病，严重的会导致层间附着出现问题。同时，单道成膜比较薄的话，也不利于上膜厚。 （3）维修 我们都知道立邦推出的旧房重涂的业务，目前市场前景非常广阔。而旧桥维修也是一样，我国在几十年里造了大量的钢桥，其中大部分都到了重涂维修的时间，这个行业在未来应该是一个非常大的行业。 那么，在旧桥重涂的过程中，不可能将桥梁运回工厂去喷砂重新涂装，而只能在桥位进行全桥维修，这里面就涉及到很多问题，其中很重要的一点就是对于当地水文环境、人文环境的污染。因此今后在旧桥重涂领域就很难采用新桥建造时候的原有的油性涂料去进行维修。如果水性漆可以做到低表面处理、带锈涂装，我觉得，水性漆在旧桥重涂方面，很有可能会打出很大一片市场。 更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org 责任编辑：殷鹏飞 《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事 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