嘉陵江大桥钢结构防腐技术探讨
2017-07-17
重庆嘉陵江牛角沱大桥位于渝中区牛角沱，跨越嘉陵江，全长600.56m，其中主桥长384m（68+80+88+80+68），为上承式钢桁梁桥和简支梁桥组成，引桥长216.56m，为7孔（16.4+4×23.7+3×22.22+26.42）简支梁桥，是横跨嘉陵江联系南北交通的大型城市桥梁。大桥于1966年1月竣工。目前已经运行47年。
1. 嘉陵江牛角沱大桥所处的自然环境情况
重庆降水的PH值年平均为4.28，绝对最低值3.00，酸雨出现频率为94J%t一，几乎达到降水必酸的程度。雨中阴离子、硫酸根离子占36.3，硝酸根离子占6.6%，其他污染也很严重。重庆又是有名的“雾都”J951～1980年，年平均雾日69.3天，1953年有雾日数为148夭。据沙坪坝气象站观测统计结果，雾滴PH值在5.60以下的酸性雾出现次数占观测总次数的94%，PH值小于4.00的强性酸雾占23%。1986年10月6日，还观测到雾滴PH值为3.30。四年平均值4.54，不同季节变化不大。沙坪坝酸雾分级统计（fees～lsea） PH值 3.00～3.99 4.00～4.99 5.00～5.60 >5.60 频率（%）23 44，26 7 由于对雾滴的采样比雨水困难，影响到对雾的化学组成分析。从沙坪坝1986年12月到1988年4月对雾采样分析可知一，在雾的离子组成中，酸性物质主要有硫酸、硝酸、氟化物和氯化物等，它们在酸雾中相对贡献大小，可以用其酸根离子浓度之比来表示。SO。“与*0。一、Q——的离子浓度比为15。1：丑2*0。”与F——离子浓度比为11：1。重庆是酸雨侵蚀比较严重的地区，电视塔及建筑机械的维修、路灯及电线的更换频率比南京快1.5倍。嘉陵江牛角沱大桥主桥结构是钢桁梁，钢结构表面积5.6万平方米，大桥地处酸雨酸雾严重的主城区，结构所处环境污染严重，根据重庆钢结构表面锈蚀情况相关数据显示：嘉陵江牛角沱大桥的钢梁每年锈蚀厚度达0.16毫米，如此锈蚀速度，用不了30年就会因钢梁锈蚀而危及大桥安全。因此怎样对大桥钢梁进行维护，才能保证钢梁在运营过程中的安全，和实现达到大桥的设计寿命等的难题就摆在了我们的面前，现将我司对大桥钢梁进行维护管理的情况作逐一介绍，并对有些问题进行探讨。
2. 我们对大桥的维护情况
历年来，我们以科学发展观为统领，坚持开展大桥经常检查、定期检查、特殊检查等检查工作，根据大桥检查的技术状况，分轻重缓急，科学制定预防性养护计划，保证了在最佳时机对大桥技术状况性养护，实现了桥梁全寿命周期养护成本最小化。1966年建成通车的重庆嘉陵江大桥，是一座双悬臂带吊孔钢桁梁大桥，由于我司对该桥预防性养护措施得当，尽管已是40多年的老桥，在2004年的健康监测及安全评估中，同济大学评价该大桥主桥的剩余疲劳寿命最短为52年，充分体现了预防性养护在桥梁养护管理中的重要性。
2.1领导充分认识预防性养护的重要性
为了科学规范地搞好桥设施预防性养护工作，我司领导组织工程技术人员和养护人员认真学习《公路养护技术规范》、《公路桥涵养护规范》、《公路桥梁养护管理工作制度》、《城市桥梁养护技术规范》、 建设部118号令《城市桥梁检测和养护管理办法》和我司的质量管理体系文件《质量手册》、《质量程序文件》、《质量作业文件》等规范标准文件，通过学习规范标准文件结合三桥的实际情况，使工程技术人员和养护人员进一步掌握在桥梁养护管理中，需要检查什么？怎么检查和记载？养护什么？怎么养护？哪些病害需要及时整修？如何整修？什么时间进行预防性养护效果最佳等有关养护管理常识。我司还不定期的召开桥梁养护和安全施工规范现场观摩会，通过对日常维修和预防性养护工作程序的观摩、现场交流，互相取长补短，进一步提高全公司的养护作业现场管理水平和养护作业规范化管理水平，培养了一支既有一定理论知识又有一定养护经验的桥梁养管员工队伍。
2.2实行养护管理分级负责制。
规范化的养护管理模式是保障大桥预防性养护管理工作健康持续发展的基础。我司对大桥养护管理实行分级负责制。一级是由公司分管领导和总工程师负责；二级是设施管理部负责，由部门经理、主任工程师和综合养护班组成；三级是大桥管理所负责，各所由所长、工程技术人员和养护工人组成。组成三级机构在大桥设施的管理、检查、小修、大修、技术鉴定等方面各负其责，加强各级的监管作用，保证了及时发现问题，及时解决问题，把病害遏制在萌芽期阶段，使预防性养护工作得以有效开展。
2.3引入竞争机制，实行桥梁养护市场化。
我们根据有关规范标准将大桥设施维修划分为小修养护、中修养护、大修养护和加固、改扩建工程工程四类。小修养护由我司的养护班维修实施；中修养护、大修养护和加固、改扩建工程都是采用招标方式，选择有资质的专业队伍维修，充分利用社会资源，形成竞争机制、约束机制，保证了大中修、加固、改扩建工程和预防性养护工程的维修质量，节省了养护经费。
2.4以科技创新推动预防性养护工作。
科学养护就是以科技为先导，以市场化养护为准则，以预防性养护为核心，以机械化养护为手段，探索钢结构长效防腐技术。
重庆嘉陵江大桥于1966年建成通车，是一座钢桁梁大桥，主要承重构件都是由钢材组成，为了保持钢构件使用功能经常处于良好状态，为了防止酸雨等有害气体的腐蚀，我们采用涂刷油漆的方法对钢梁进行预防性养护。六、七十年代由于维修技术落后，钢梁油漆采用的工艺是手工除锈油漆，采用的主材是醇酸磁漆，钢梁油漆工程从北向南全部涂刷完毕大约要5年的时间，由两个油漆班，一个吊装班，每年反复涂刷。由于酸雨影响，室外油漆每两年须维修一次，钢梁油漆工程5年的周期误必会造成部份钢梁油漆不能及时维修，既费人工，又不保证质量。八十年代，工程技术人员通过对大桥的日常巡查、经常检查、定期检查，及时掌握了钢梁的技术状况，通过对钢梁油漆衰减规律的分柝，逐步探索钢结构长效防腐技术，科学的制定了钢梁油漆预防性养护计划，并在最佳时期实施了维修。1999年9月，我司投资近400万元，完成嘉陵江大桥钢梁涂装工程，维修采用的工艺是喷砂除锈油漆（机械化施工），采用的主材是环氧富锌漆，钢梁油漆的质量保证期为8年。后者的工艺、材料、机械化程度都先进于前者，质量得到了保障，满足了钢梁油漆质量的要求。由于钢梁预防性养护措施到位，该桥虽经历了40多年的酷暑严冬、暴雨烈日、超载提速等考验，至今仍保持着安全运营状态，承担着日益繁重的运输任务，创造了极大的经济效益和社会效益。八十年代末，日本专家到钢梁上考查，惊叹大桥保养得如此完好，非常少见，并说他们国家六十年代修建的类似桥梁已有部份是危桥了。2004年，同济大学对大桥进行了健康检查，通过荷载试验和精密仪器检测，评价大桥总的使用寿命能够达到设计寿命100年。 3. 钢结构长效防腐技术的研讨体会
钢材锈蚀是一种自然现象，如果不对其进行防腐维护，钢结构锈蚀到一定程度会危及大桥结构的安全使用，钢结构长效防腐技术是人类在不断地探索钢结构防腐的最佳措施。
纵观国内外钢结构防腐技术的发展，大抵可划分为两种基本途径。其一是涂料防腐，其二是金属防腐，各国现状莫不如此。
3.1涂料防腐阶段；及至目前，由于技术、经济、材料来源、操作习惯等原因，这两种防腐措施各国在并用着。欧美在20世纪40年代后普遍采用红丹或磷化底漆+云铁醇酸面漆对钢结构进行防腐处理，日本早期也是采用红丹底漆和长油度醇酸面漆来防腐。发达国家投入研究方面的费用较大，新产品层出不穷。从环境方面考虑，国外目前较多采用水性涂料，以尽量减少涂料中VOC（挥发性有机化合物）的含量。我国也是从红丹漆和醇酸磁漆开始，在实践中不断学习探讨，逐步发展到使用环氧富锌漆和氯化胶桥梁漆，直至目前较多采用的无机富锌、不饱和聚酯漆及氟碳漆，以期达到延长钢结构寿命的目的。但不幸的是这一阶段问世的数百种涂料，其防腐效果都不令人满意，原因是涂料寿命短，反复涂装增加了人的工作量，尤其是在那些难以到达的地方。虽然伴随着技术进步而面世的Fz-1鳞片型无机富锌漆、氟碳漆等较之以前的涂料大大延长了防护寿命，但毕竟 难以满足人类的需求，也正是这种不满足感推动着人类的技术进步。
3.2金属防腐阶段，欧美在20世纪40年代已开始应用该项技术，从火焰喷涂到电弧喷涂，从喷锌发展到喷铝及锌铝合金、伪合金等；20世纪60年代中期日本也开始采用了该项技术；我国工程技术人员在1952年就将该项技术应用于安徽淮南电厂～蚌埠45公里范围内的264座高压输电铁塔上，采用火焰喷涂金属锌，未作表面封闭处理，26年后检查时涂层状态良好。在这方面，欧美经验更为丰富，据记载，英国于1947年在南威尔士的一个酸洗车间内的吊车钢梁上只喷涂了100μm厚的铝涂层，28年后检查时涂层与钢铁基体仍保持良好状态；美国于1936年在密苏里州堪萨斯城的KawRiver钢桥上，用火焰喷涂了250～300μm厚的锌涂层，1975年检查结果表明钢铁基体状况良好，得到了很好的保护；美国费城中的Ridge Avenue铁路桥，处于蒸汽机车、内燃机车、公路汽车尾气的污染环境中，该桥于1937年防腐施工时采用了250μm厚的纯锌涂层，1995年检查时锌涂层仍然很好的保护着钢铁基体。国外早期有记载的最大涂层厚为370μm，时隔50多年检查时防腐效果良好；最小涂层厚75μm左右，10多年后仍具有良好的防腐效果。我国曾有人做过试验，小于100μm的锌涂层防腐效果很差，这一差别可能与所在环境及其涂层施工控制有很大关系，从节约考虑，有待进一步研究。 我国虽在1952年就在钢结构上采用了金属长效防腐技术，也收到了较好的效果，但未予以推广，直到1995年，国内多所高校才展开金属长效防腐研究。伴随着国民经济的快速增长，以及我国年产3.5亿吨左右的钢产量，钢结构在全国得到普遍使用，多种长效防腐技术在工程实践中的使用也与日俱增。
3.3长效防腐技术理论应用现状 金属防腐主要用于要求保护20年以上寿命的钢结构。就目前经验来讲，达到20年以上防护寿命，喷纯锌时需涂层厚达150μm左右，喷纯铝时需120μm左右，增减应依据钢结构所在环境的有害物质含量而定。国外的实践证明，锌铝合金（Zn-Al15）可明显延长防护期，150μm厚可达35年以上防护寿命。近年来开发的部分新型涂料，在满足一定厚度及某些特定环境下也可达到20年以上的防护效果。典型的涂料长效防腐方案有下列几种： 方案一 底 漆： 环氧/无机富锌底漆75μm中间漆： 环氧云铁中间漆125μm面 漆： 丙烯酸聚氨酯面漆80μm方案二 底 漆： 环氧/无机富锌底漆75μm面 漆： 炳烯酸聚硅氧烷漆125μm方案三 底 漆： 无机富锌底漆75μm中间漆： 环氧中间漆100μm面 漆： 氟树酯面漆40μm方案四 底 漆： Fz-1鳞片型水性无机富锌漆60μm中间漆： 881-Z01环氧云铁中间漆80μm面 漆： 881-Y12氟碳面漆80μm以上四种方案是近几年来国内外大型桥梁钢结构外部涂装较常用的，涂层的厚度在不同环境中有所变化。
3.4就钢结构内部而言，防腐也是相当重要的。近几年钢箱梁内部防腐有的采用T-541Q无溶剂环氧厚浆涂料，其优点是无溶剂挥发后留下的微孔，涂膜光滑致密，附着力强（大于30MPa），寿命长（20年以上）。对钢结构内部有较大缝隙处则采用HM106密封剂，其优良的耐水、油、大气老化及其极高的粘结稳定性能，可使其寿命长至20～30年。也有采用“锈敌”及XBC06系列的，这种涂料的最大优点是免除锈，箱梁内部因为焊接工序及构造原因，总存在相当多的部位除锈工作非常难，采用免除锈类防腐涂料省时、省力，且该类涂料为水性溶剂，有害挥发物含量很低。箱梁内防腐也有采用环氧富锌涂料或其他涂料涂装的，其防腐效果也满足要求，但除锈工作难，尤其是对内部结构复杂的钢结构，施工质量往往难以控制，很难达到预期的防腐寿命。 各国防腐专家在不断寻求延长钢结构防腐年限的措施，其目标是期望与钢结构同寿命。从目前研究成果看，长效防腐的关键是一方面要阻隔有害介质尽量少到达钢铁表面；另方面是通过钢铁表面外设置的多层保护物先牺牲，起到保护作用。试验已证明高含铝量的锌铝合金或锌铝伪合金涂层优于长效涂料类、镀锌、喷纯锌、铝涂层。研究认为锌铝合金中铝重量比例到30%时可取得较好的防腐效果，但由于技术的原因，目前还没有这一比值的锌铝合金问世。英美公司目前生产有Zn-Al15合金丝，铝含量已达到15%；北京有色金属研究院将锌铝以粉末状装入管状电极内，使其在电流产生的高温下溶化后喷涂至钢铁表面，以达防腐目的。其中铝含量已达20%；上海润馨化工技术发展公司将锌铝分别制成同径金属丝，利用单枪双丝等速溶化的技术将金属喷至钢铁表面作为防腐涂层。含铝量已高达27.4%。英美公司材料形成的涂层为锌铝合金，中国公司材料形成的涂层只有少量锌铝合金，绝大多数则以伪合金形式存在涂层中。但加速腐蚀试验证明伪合金同样具有优良的防腐效果。其原理是铝微粒在混合体涂层间构成网状骨架，阻止了先于铝腐蚀的锌的腐蚀生成物（ZnCl2、ZnO）的聚积和流失，反过来锌的腐蚀生成物把铝的网状构架中的小孔堵塞，且铝的氧化物（Al2O3）比较致密，这两种因素使将进入涂层更深层次的介质大大减少，腐蚀钢铁的速度自然就小多了。 3.5通过总结试验和实践方面的资料，可得出与桥梁同寿命的长效防腐方案： 第一层设置锌铝伪合金或锌铝合金涂层厚250μm以上，其作用是涂层作为牺牲金属提供电子，以保护钢铁不被腐蚀。第二层是封孔和防化学腐蚀的中间层。金属涂层也是多孔体，封堵孔隙是为了阻隔有害介质进入与钢铁接触，避免电化学腐蚀的发生。第三层设置外封层。其目的是保护封孔层，延长其衰老退化的时间，当然该层材质具有一定抵抗紫外线、恶劣环境能力时更好。第三层的另一作用还在于装饰作用，可让结构物在所处环境中展现设计者所希望的风采。 这种防腐措施已在多项工程实践中使用，人们希望看到100年以上的防腐寿命。
3.6长效防腐技术工程操作的重要性 无论涂料涂装或金属涂装，除锈、涂装的时机和质量非常重要。涂层性能的质量不仅取决于涂层产品的质量，更大程度上取决于涂装施工的工艺方法、作业环境、施工设备、工作人员的操作水平和责任心等。 涂料施工要求满足温度区间在4～40℃、相对湿度85%以内、构件表面无灰尘及污染物以及除锈满足一定标准等条件；金属热喷涂施工要满足除锈达标、环境气温5℃以上、金属基体温度高于大气露点3℃以上、除锈与喷涂间的时间间隔限制（晴天不超12h，潮湿或含浓雾环境不超2h）等条件。
3.7一般情况下，施工后要求检查涂层外观、涂层厚、粘结强度、耐腐蚀性及密度等指标，限于我国工程技术人员的知识水平、业务操作能力以及检测设备的限制，涂装质量常常处于失控状态。 我国工程建设市场目前情况下，原有的国有企业的管理模式不复存在，企业在利润的追逐和市场的无序竞争条件下，多数企业大量使用廉价的农民工，且不进行技术培训或只进行一些简单的操作培训后就把一些重、脏、累并对人体有害的艰苦工作和一些需一定技术水平的工作安排他们去干，建设资金不到位和工资拖欠，工程质量监管力度不够，工作责任心不强等，无法保证质量达到期望标准，监理的质量检验工作多数也是流于形式。尤其是多年来的政绩工程、献礼工程、限时竣工工程以及分包工程监管缺失（重分包报价，不重质量）等因素的影响，质量问题比比皆是。欧美热喷涂防腐，隔50余年后检查状况良好，我们用同样的防腐措施，竟有不到两年就出现锈迹斑斑的结构。涂料防腐也存在同样问题，近年来施工的防腐工程总比此前施工的及国外的工程效果要差得多。施工单位的自检记录和监理的检查记录也许清楚地记载着合格或优良的结论，但早早出现的锈蚀痕迹却无情地反映了工程建设过程中的众多失误。
3.8问题出在哪儿呢？目前的建设市场管理某些方面的失缺恐怕是一个重要因素。 在国家大政方针指导下，工程建设实行招投标制度，建设方重视投标者的资质。资质高者综合实力强是不容置疑的，但令人始料不及的是高资质大企业因中标率多而导致人力资源缺乏，常将获得的项目安排经验不足的管理人员管理，加上施工队伍技术水平低、工程经验少、大量使用临时农民工、低于成本价中标、不合理工期、资金不到位等因素，尤其部分市政工程，干扰因素多，前期准备工作不足，仓促上马，实际施工时间常低于不合理的承包时间，分包工程给某些低技能的队伍，此种条件下完成的工程，质量自然难以满足要求。这种情况下，建设方可能会碍于面子，政绩考核、干部升迁等原因，验收先给予合格的结论，指出一些需要返修或修补的工作让施工方继续完成。由于验收工作是在工程运营一年后进行的，施工方会因许多方面的不便会有多数该修补的工作无法完成，加上监管不力，部分修补工作就会不了了之。
总之，导致防腐工程质量低劣的因素很多，但只要实行领导负责制、落实各负其责；克服政绩工程、限时工程；树立质量第一的思想。按照《城市桥梁养护技术规范》等严把工程质量关。才能创造出与桥梁同寿命的长效防腐工程，延长其衰老退化的时间；在创建环保资源节约型社会的方针指引下，使投资额巨大的防腐工程满足规定的质量要求，创造出最大的经济效益和社会效益。
