电弧喷涂长效防腐技术在桥梁工程中的应用
安云岐，晁兵，李承宇，王会阳
热 喷 涂 技 术2011年12月
摘 要：介绍了电弧喷涂长效防腐技术在国内外桥梁工程上的应用情况，对其防护材料及施工工装的最新研发成果及实践应用效果作了总结。针对新形势下我国桥梁行业的发展需求，指出了电弧喷涂长效防腐技术当前面临的关键技术问题及发展方向。
关键词：电弧喷涂；长效防腐；桥梁
1 概述
目前钢结构表面长效防腐技术主要是重防腐蚀涂料涂层技术和电弧喷涂复合涂层技术两种，均可用于设计寿命 50a 以上桥梁工程的腐蚀防护，在国内外桥梁工程上均有大量的应用实例，其中重防腐蚀涂料涂层技术首期免维护寿命一般设计为 10～15a[1]，目前已有设计 20a 的工程实例 （如香港昂船洲大桥、美国新奥克兰海湾大桥）；电弧喷涂复合涂层技术首期免维护寿命一般设计为 20a 以上[2]，如果复合涂层表面的氟碳面漆、硅氧烷面漆质量能实现厂家保证的 20a 防护寿命，根据国际公认理论测算[3]，电弧喷涂复合涂层技术首期免维护寿命将能达到 30a 以上，甚至达到 50a。
笔者于 2009 年起组织对浙沪、武汉、广东等地区的 32 座桥梁工程进行了走访，其中重防腐涂层体系首期维护寿命达到 10a 以上的 5 座 （最长13a），金属复合涂层体系的桥梁均未进行首期维护（武汉军山长江公路大桥已运行 10a）[4]。表 1 列出了国外金属复合涂层体系防护桥梁 25a 以上免维护的工程实例[5]。
首次维护寿命是从初始涂覆时刻算起，到原始涂层的保护性能下降到必须对其进行维修才能维持其对基体的保护作用的时刻为止的间隔时间。国际上公认，防护寿命要求 20a 以上时优先选择电弧喷涂长效防腐技术[2]。可靠的长效防护不仅显著减少了桥梁维修次数，保证工程安全顺畅运行，还能维护成本，减轻维修施工对环境的不良影响，在桥梁工程全寿命期内将产生十分突出的经济与社会效益。
2 电弧喷涂长效防腐技术研究进展
2.1 新材料技术
2.1.1 金属线材
目前市场上喷涂线材有丝材和芯材两类，现有电弧喷涂长效防腐技术主要以丝材为主。用于防腐的主要丝材产品有 Zn（99.99%）、Al（99.5%）、ZnAl15，目前 AlMg5、Ac 铝的使用范围和应用量也在不断扩大。为提高现有丝材及其涂层的防护能力，不少研究院所和企事业单位开展了新型丝材的研究，如稀土铝镁丝材、铝镁锌丝材，并取得了积极进展。
研究人员也对上述丝材及其双丝组合制得金属涂层的防护机理作了深入研究，并取得新成果。董立先等人对纯铝涂层、锌铝伪合金涂层的动态腐蚀试验表明[6]，在缺氧环境下 Al 能够发挥出较好的阴极保护作用，纯铝涂层耐蚀性能优于锌铝伪合金涂层；陈长江、李秉忠对锌铝伪合金涂层电化学机理研究表明[7]，抗腐蚀性能优劣顺序为纯铝层、锌铝伪合金、纯锌层；李秉忠等人 2000h 盐雾实验结果表明[8]，锌铝伪合金涂层的结合强度和耐蚀性能均优于 ZnAl15 合金涂层，接近纯铝涂层；萧以德等人的研究则表明[9]，ZnAl15 合金涂层的耐蚀性接近 Al 涂层而明显优于 Zn 涂层。陈国虞等人则依据日本阿克铁诺（Arc Techno）公司 Zn45%/Al55%试样的 16000h 盐雾试验结果研究说明锌铝伪合金涂层的耐蚀性能优于现有的纯铝层、锌铝合金层以及纯锌层[10]。美国焊接学会热喷涂委员会 19a 的现场挂片试验表明[11]，厚度 0.08～0.15mm 的铝涂层，不论是否封孔都能保证钢铁基体在海水、严酷的工业大气及海洋大气中 19a 不腐蚀；要保证钢铁基体在严酷的工业大气和海洋大气中 19a 不腐蚀，不经封孔处理的喷锌涂层厚度至少为 0.23mm，在海水中锌涂层厚度至少0.3mm；经过封孔处理锌涂层的厚度减至 0.08～0.15mm，也可达到上述防腐效果。
综合多方研究结果[12- 14]，在盐雾、海洋环境及酸雨下，常规 Al、Zn、ZnAl15、Al+Zn（伪合金）四种丝材的电弧喷涂涂层，虽然其耐蚀性综合评价存在一定争议，但国内外一致公认的是，电弧喷涂长效防护技术的防腐年限明显高于重防腐涂料涂层技术。
2.1.2 封闭涂料
电弧喷涂金属涂层最早采用喷刷低粘度的乙烯树脂、硝基涂料、醋酸共聚物、苯酚树脂、改性醇酸树脂、酚醛树脂、改进型环氧树脂等液体封闭剂进行封闭；技术人员在环氧底漆的基础上进行改进用作封闭涂料，效果得到了一定提高。
目前国内只有少数厂家研究开发了电弧喷涂金属涂层专用封闭涂料，中矿大正公司的纳米改性环氧封闭涂料是一种专用于热喷涂锌、铝及其合金涂层封孔的封闭产品，该技术获得了国家十一五科技支撑计划项目的支持[15]。利用纳米粒子具有的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子效应等特殊性质，对传统封闭涂料进行改性，提高了涂层封闭性能（渗透性、屏蔽性、耐蚀性），涂料中纳米相粒度小于 100nm，可以很好地渗入到金属喷涂层的孔隙中并封住孔隙，具有高渗透性、高附着力和高耐蚀性。
2.1.3 高耐候面漆
目前涂料领域研究开发重点是高性能（高耐久性、高装饰性、高防护性）和良好的施工性能（低VOC）的面漆产品，氟碳涂料、聚硅氧烷涂料都取得了良好的开发应用效果[1]。在桥梁工程领域，对于涂料的装饰、防腐蚀等各方面性能的要求越来越高，氟碳面漆以其优异的耐蚀耐候性能正不断挤占传统聚氨酯面漆市场份额，不仅迅速进占了桥梁钢筋混凝土表面防护市场，也在桥梁钢结构长效防护上占有了一席之地，其与电弧喷涂金属涂层、纳米封闭涂层等配套形成的复合涂层新体系具有明显的竞争优势。
2.2 工装技术
2.2.1 前处理工装
桥梁工程尤其是大型、特大型桥梁工程，都存在涂装面积大、工期紧、任务重、质量要求高的特点，桥面施工更有施工环境不可控、环保要求严格的因素影响。现有离心式抛砂（丸）设备难以满足钢箱梁桥面喷抛处理的施工技术要求，成套处理设备国内主要依靠进口，由于进口设备价格高也无法保证随要随到，国内有实力的大型涂装公司吸收国际上同类先进设备的设计技术，研发了具有自主知识产权的前处理工装，如行走式自动回收抛丸机、回收式无尘抛丸机[16- 17]，并在工程上获得了成功应用，如阳逻长江大桥、荆岳长江大桥、金塘大桥等。
2.2.2 大功率电弧喷枪
在我国，电弧喷涂技术起步较晚，但发展很快，已研制出高速和超音速电弧喷涂设备以及丝材、芯材共喷复合涂层设备，推动了我国电弧喷涂技术的进步。中矿大正公司利用空气动力学和流体力学的有机结合，设计了二进二出的二次雾化气流，对熔化的金属熔滴进行雾化，利用扁平形喷嘴设计，将喷涂束流由放射圆锥束变为放射扇形椭圆束，有效拉宽喷涂宽度，热喷涂单次喷涂幅宽达到 140mm，工效提高 3 倍，满足了桥梁工程高质量、短工期的工程施工要求[18]。
2.2.3 自动化喷涂工装
随着电弧喷涂设备及工艺的不断发展完善，我国的电弧喷涂自动化技术也有较大突破，中矿大正公司于 2001 年在国内率先设计了采用机械化自动喷涂系统[19]，可实现沿长、宽两方向自动进行喷涂施工，喷涂效果不受桥面局部坡度影响，该设备最先在武汉军山大桥钢箱梁外表面防腐施工中获得应用，随后在武汉军山长江大桥、武汉阳逻长江大桥、舟山连岛工程等钢桥面的喷涂施工中，设备运行可靠，涂层质量稳定，全桥桥面防腐蚀涂装工期大大缩短。目前该系统经过十年的改进完善，已具备批量生产的能力。
3 国内桥梁工程上的应用
3.1 喷锌类工程实例（见表 2）
3.2 喷铝类工程实例（见表 3）
到目前为止，国内采用电弧喷涂长效防腐技术防护的大型桥梁工程已接近百座，实际调研表明钢箱梁表面复合涂层防护效果良好[4]。4 电弧喷涂长效防护技术存在的问题
4.1 可靠性问题
虽然国际上已有众多桥梁工程实例证明了电弧喷涂长效防腐技术首期维护寿命超过了 25a，个别甚至达到了 40a，但国内暂时还未有如此长使用时间的桥梁工程实例，由于面漆的防护寿命一般设计为 10～15a，虽然目前一些厂家对产品（如氟碳面漆、聚硅氧烷面漆）做出了质量 20a 甚至 25a 的质量担保，但业内专家仍对此表示质疑，认为涂料涂层会很快出现失光、粉化、起泡、开裂等问题，难以实现 20a 以上的首期防护寿命。
根据 ISO12944 表述，首期维护寿命是指涂层95%以上区域的锈蚀等级不大于 ISO 4628 规定的Ri2 级且无气泡、剥落和开裂现象的使用年限，实验室研究结果以及国际上工程实例证明，与电弧喷涂金属涂层相结合的涂料涂层，即使是暴露在阳光照射下，其耐蚀性都有显著提高，短期内（≤20a）电弧喷涂金属复合涂层表面根本不会出现 Ri2 锈蚀等级。虽然如此，随着设计寿命 120a 甚至 150a 特大型桥梁工程的不断出现，如何进一步提高电弧喷涂复合涂层长效防腐技术的可靠性、安全性，仍需要我们进行持续深入的研究。
4.2 维护技术
实现桥梁工程设计寿命 50a、100a 甚至 120a、150a 的目标，仅仅依靠初期涂装技术是显然不够的。现有国内外相关技术标准已对桥梁工程的涂装维修做出了详细、全面的规定，但现场维护还存在诸多技术问题迫切需要解决，如日常检查手段、养护前处理工艺技术、大修涂装技术和成套设备、养护质量控制技术等，尤其是电弧喷涂长效防腐技术，其检查、维养技术与常规的涂料重防腐技术有本质不同，这些问题都需要技术人员结合现场进行长期的探索求解。
4.3 环保问题
电弧喷涂长效防腐技术不仅带有重防腐涂层技术的环境污染问题，自身还有一定的粉尘、噪声等污染问题，虽然场内施工可以很好地控制，达到环保规定要求，但在桥址现场尤其是桥梁运营后养护、大修施工的开放环境下，很难控制。目前全世界都极其重视环境保护，倡导低碳环保理念，而许多大型桥梁工程横跨海洋、山川或城市干道，对环保要求更加严格，桥梁工程防腐施工急需研发更多环保型的防腐新材料、技术工艺和施工工装，需要我们为我国的桥梁事业做出更大的贡献。
5 展望
改革开放以来，我国的交通行业尤其是桥梁工程建造业取得了突飞猛进的发展，取得了令世界瞩目的成就。我国桥梁工程建造水平、桥梁防腐及施工技术已达到国际先进水平，在不少方面（包括电弧喷涂技术研究及应用） 甚至已达到世界领先水平，我国的涂装施工企业在国际桥梁防腐市场上已逐渐占有一席之地。因此深入研究和推广应用电弧喷涂长效防腐技术必将为我国的交通发展、桥梁安全经济运营做出新的贡献，也能为世界桥梁事业的发展尽到应有的责任。
参考文献略
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