跨海大桥的钢箱梁防腐与养护

跨海大桥的钢箱梁防腐与养护

任颖铭

港珠奥大桥管理局 广东珠海 519000

摘要：钢结构具有强度高、受荷能力强、自重轻、占空间体积小、构件制造与安装方便、等优点，为建设大桥所应用，特别是在大型结构中，为了适应大跨度的需要，均做成了钢箱梁结构形式，但钢箱梁结构易形成箱内高温，在广东沿海性气候影响下形成含盐水汽高温环境，加速了钢材的腐蚀和锈蚀，防腐成为钢箱梁养护的重点。 据发达国家的不完全统计，每年由于腐蚀造成的经济损失约占国民经济总产值的４％，钢箱梁结构的腐蚀不仅造成经济损失， 也给结构的安全带来隐患， 由于钢箱梁锈蚀而导致使用寿命缩短，因此钢箱梁结构的防腐养护具有重要的经济和社会意义。

关键词：钢箱梁、高盐水汽、高温、防腐养护

钢结构由于具有强度高、自重轻、施工速度快等优点，一直是深受人们喜爱的一种建筑结构型式，但由于钢材本身存在着耐腐蚀性差，特别是我国广东沿海为亚热带季风气候，属于高盐水汽、高气温的环境，在工程应用过程中除注意结构的设计外，还要提高设备及钢材的防腐性能、检测和维护等级，增加专用防护设施、金属涂层、非金属涂层，以达到钢箱梁的安全性和耐久性。本文介绍了钢箱梁在高温、高盐水汽的特点、现状，以及钢箱梁结构的维护保养。

一、跨海大桥钢箱梁材料特点

1采用耐腐蚀的高强度结构钢，在金属组织中增加铜、铬、镍等金属元素提高钢材的抗腐蚀能力，并具有良好的耐高温、高含盐水汽等特性的高综合机械性能的特殊钢材。

2钢箱梁结构要求具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、疲劳等特性外，不还力求在冷加工中对钢材腐蚀性的影响小，不影响整体抗拉强度和疲劳强度的同时提高抗腐蚀性能。

3由于跨海大桥钢箱梁环境所致，涂装性应为普碳钢的1.5~10倍，能有较强的附着性，且便于涂装和维护。

4 钢箱梁结构通风效果好、易于干燥、不会存水、巡检容易、维护处理方便。

二、跨海大桥钢箱梁结构腐蚀现状

广东沿海环境具有非常严酷的腐蚀环境，广东沿海工程设施几乎所有部位都需要进行腐蚀防护，因此广东沿海防腐蚀涂料所包括的范围非常广泛，且都属于重防腐涂料的范畴。

1跨海大桥钢箱梁结构所处基本环境

海水的平均盐度为3.5%，加上其它一些杂质和Na₊、Mg₂₊、Ca₂₊等金属离子与Cl-S_2-等非金属离子的存在，海水本身就是一种较强的电解质，只要有适当的电极存在，就会形成化学电池，使钢铁受到电化学作用而腐蚀。广东沿海腐蚀环境一般分为海洋大气区，飞溅区、潮差区、海水全浸区和海底泥土区5个腐蚀区带，在大湾区的海水同样存在以上问题。如图1所示

图1 海洋5个带区对钢结构的腐蚀分析曲线图

从图1的腐蚀曲线看，最大的峰值是在平均高潮线以上的飞溅区，是钢结构腐蚀最严重的区域，也是最严峻的广东沿海腐蚀环境，原因是由于该区域成水汽表面，表面供氧充足，无海生物污损，长时间润湿表面与短时间干燥表面的交替作用和浪花的冲刷，造成以物理与电化学为主的腐蚀破坏，这正是跨海大桥钢箱梁所处区段。

2高温盐水汽对跨海大桥钢箱梁的电化腐蚀

海水的导电性很强，含有丰富的氯化物和硫酸盐类电解质，是一种腐蚀性比较强的天然腐蚀剂。在海面风浪的机械搅拌和强烈的自然对流作用下海水是被氧所饱和的，所以普通的钢铁材料在海洋环境下会被严重腐蚀。含高温盐水汽水蒸汽在钢箱梁中形成高湿温附着在结构表面，是溶有大量以氯化钠为主的盐类电解质，成为天然腐蚀介质对金属结构造成很大的破坏。

广东沿海高盐水汽对跨海大桥钢箱梁的腐蚀主要是含有大量氯离子，它对金属的腐蚀是以电化学方式进行，其机理是基于原电池腐蚀，盐水汽的电化学腐蚀过程大致如下：

阳极上，金属由于负电性强（标准电极电位低）容易失去电子而变为金属阳离子，并以水化离子的形式进入溶液，同时把相当的电子留在金属（Me）中。

Me+nH₂O→Me⁺²+nH₂O+2e

阴极上，留在阴极金属中的剩余电子，被氧去极化，还原并吸收电子，成氢氧根离子。

O₂+2H₂O+4e→4OH^-

在电解液中，氯化钠离解而生成钠离子（Na⁺）和氯离子(Cl^-)，部分氯离子、金属离子和氢氧根离子反应生成金属腐蚀物。

2Me⁺²+2Cl^-+2OH^-→MeCl₂.Me(OH)₂

盐水气对金属的腐蚀作用，除了盐水气作为一种电解质加速微电池腐蚀过程外，还因为盐水气溶液中主要腐蚀介质为氯离子，氯离子具有很小的水合能，容易被吸附在金属表面，同时氯离子的离子半径很小（只有1.81╳10^-10m），因此具有很强的穿透金属表面氧化层，进入金属内部，导致这些区域上的保护膜出现小孔，破坏了金属的钝化，加速了金属腐蚀。

3跨海大桥钢箱梁的腐蚀形式

跨海大桥钢箱梁在飞溅区的腐蚀情况从现实来看，由于高温盐水汽的环境中，同时在结构变形的影响下，主要是以不同大小的斑块呈现，具体为一些涂料起皮和剥落，但大多数为点锈。这样在高温盐水汽的情况下，加快了电化腐蚀，导致防腐技术难度加大。

整体钢箱梁局部结构

巡检工程师正在检查钢箱梁的防护腐蚀情况

三、跨海大桥钢箱梁防腐涂装工艺

钢箱梁外壁主要指底板、上下斜腹板的外表面，它们直接暴露在大气中，是钢箱梁最容易腐蚀的部位，建桥时也主要针对这些部位设置检修小车， 进行定期检修和维护。

钢材表面涂非金属保护层目前采用较普遍的还是刷防锈油漆，油漆又分底漆、中间漆和面漆。随着世界范围内的工业环保要求越来越高，加上纳米技术在国际化工领域引发的材料革命，对钢结构的防护油漆提出了更高要求，针对现场必须具有高性能、环保、低涂装成本、施工便利的涂料。钢箱梁刷防锈油漆防护可从三个层面进行

底层：对外壁即底板、斜腹板、上腹板外露在大气中，可以进行重涂， 一般采用多油淋膜防护。防腐蚀涂装底层与钢铁直接接触，对钢铁表面具有钝化缓蚀作用、阴极保护作用，即含有防腐蚀底层的钢铁表面直接暴露在腐蚀介质中时，它应对钢板具有防腐蚀保护。

内层：封闭涂层和中间涂层封闭涂层对热喷涂层的孔隙进行封闭，对环氧富锌涂层、无机富锌涂层和热浸镀锌层等外露锌颗料进行遮盖，大大降低了底层钢板的电化学腐蚀速率，其次是起隔离作用，防止腐蚀介质进入底层钢板的内部，加强面漆附着力，延缓其电化学腐蚀发生的时间，使用层的耐腐蚀寿命获得提高。一般情况下封闭涂料是由中间涂料加入30%～50%相应稀释剂。

顶层：对行车道部分沥青混凝土防水层下的钢桥面只涂长效漆底，面漆对涂装底层和中间涂层具有保护作用，延缓底层腐蚀发生的时间。面漆涂层应具有优级良的耐候性、抗老化性、保光保色性、耐盐雾性、耐水汽性能，漆膜坚硬光滑。现在普遍使用的面漆有氯化橡胶和聚氨酯两大类，聚氨酯又以丙烯酸聚氨酯和脂肪族聚氨酯应用效果较好。

四、跨海大桥钢箱梁养护方法

在后期的维护与保养过程中，非金属的涂层保护法尤为常用。在构件表面采用涂料、塑料保护起来，不使其和周围的腐蚀介质相接触，以此来达到防腐的目的。具体有如下几点：

1）、发现涂层表面失去光泽时，应及时进行打磨再涂涂料的防护处理方式；

2）、涂层表面粗糙、风化、干裂的面积，应及时填补防护涂料；

3）、涂层发生漆膜凸起且构件有轻微锈蚀面积达到40%，应对钢箱梁进行全面保养；

4）、受高温和高温影响的钢结构部位应加设防护板，起到保护涂层免受高温破坏。

5）、尽量避免构件与有侵蚀作用的物质接触，已接触的应及时清理。

6）、使用除湿机对箱体进行有效的除湿，保证钢箱梁内部干燥。

五、建议：

跨海大桥采用钢箱梁结构建桥是目前行之有效的最佳方法，但在高温、高盐水汽的情况下，采用非金属涂料防锈虽然是最常用的方法，但由于非金属涂料的耐久性差，经过一定时期需进行维修，这是非金属涂料的最大缺点。而且在刷涂前需对钢材表面彻底清理，去除铁锈、轧屑等，要花费一定的人力、物力，钢箱梁涂装尽量采用热喷涂效果更佳。

其次，钢结构的防腐蚀除了采用上述方法外，钢材也要提高抗高温、盐水汽的能力，先天性提高钢材表面的保护层，其次是注意构件尺度安排合理的焊接贴合面，提高防腐蚀工艺的实施效果。

参考文献：

工业建筑防腐蚀设计规范.GB500046

钢结构管道涂装技术规程.YB/T9256

涂装前钢材表面锈蚀等级和涂装等级.GB8923

钢结构工程施工质量验收规范.GB50205