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跨海大桥钢结构养护涂装体系设计及应用,行业资讯在线
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跨海大桥钢结构养护涂装体系设计及应用
2022年07月15日    阅读量:6411    新闻来源:行业资讯在线  |  投稿

张晓锋 麻旭 荣徐明 吴中鑫 丰雷
浙江交工高等级公路养护有限公司 浙江交通资源投资有限公司


摘 要:以舟山跨海大桥钢结构防腐为依托,在分析腐蚀环境因素和养护现状后,从延长涂装的保护年限以及LCC(生命周期成本)的最小化出发,对钢箱梁、钢制螺栓、钢丝绳吊索、潮汐区钢结构及密闭或半密闭空间钢结构的养护涂装体系方案设计、施工技术进行研究,提出钢箱梁内外表面养护涂装体系、钢制螺栓胶封复合涂层、钢丝绳吊索三胶两布、潮汐区钢结构湿固化涂层,通过试验段试验和现场试验,在舟山跨海大桥中得到成功应用,提高了跨海大桥钢结构的耐久性和耐候性。

关键词:跨海大桥;钢制螺栓;钢丝绳吊索;潮汐区钢结构;养护涂装体系;

1 概述

随着我国经济实力与工程技术水平的大幅度提升,跨海大桥的建设取得了突飞猛进的发展,钢制构件为跨海大桥的主要构件。在海洋大气环境下,腐蚀环境较为苛刻,经过一定时期的大气腐蚀、阳光暴晒、风雨侵蚀、湿热影响后,原桥钢结构防腐涂层存在不同程度的损伤,需要对钢结构涂层进行运营期的养护涂料在线coatingol.com。但是公路桥梁现行规范中并未明确规定先涂装后修复技术的涂装体系,主要是针对钢桥新建涂装体系进行了系统性规定[1]。

本文针对海洋环境下桥梁钢结构涂装失效、结构腐蚀等问题,从延长涂装的保护年限以及LCC(生命周期成本)的最小化出发,对依托工程的钢结构涂层损伤的现状、病害发生规律及特征进行总结和归纳,结合前期定期检测结果进行针对性补充检测,参考日本明石海峡大桥相关的防腐成功经验,研究涂装再修复技术,确保大桥运营安全[2]。

2 舟山跨海大桥腐蚀及养护现状

2.1舟山跨海大桥工程概况

舟山跨海大桥是连接舟山与宁波的重要跨海工程,起自舟山本岛的329国道鸭蛋山的环岛公路,终至宁波镇海区,共有岑港大桥、响礁门大桥、桃夭门大桥、西堠门大桥和金塘大桥共5座特大桥,全长48 km, 于2009年通车。部分大桥现状见图1。

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图1 大桥现状

2.2腐蚀环境因素

舟山跨海大桥地处海洋环境,属北亚热带季风气候区,根据《色漆和清漆 钢结构防腐涂层保护体系》(ISO 12944)对腐蚀环境的分类[3],舟山跨海大桥属于严重的海洋腐蚀环境(C5-M)。因为该海域经常受到台风影响,气候条件复杂多变,雨水也多为硫酸型酸雨。随着近年来盐化工业的逐渐发展,大气中含有的氯离子对钢材亦有严重的腐蚀性。综合考虑舟山跨海大桥腐蚀主要因素为海洋大气环境下的大气腐蚀、阳光暴晒、风雨侵蚀、湿热影响等。

2.3钢箱梁原涂装体系

结合大桥所处的海洋腐蚀环境,在建设期采用了“电弧喷铝+封闭漆+中间漆+面漆”的长效型涂装体系(使用年限15~25年)。

2.4防腐涂层失效情况

由于舟山跨海大桥处于苛刻的海洋大气腐蚀环境,其全线钢结构防护涂层在不同程度上出现了病害,大桥全线均存在螺栓锈蚀、钢箱梁霉斑及锈点、钢箱梁外表面涂层出现严重的粉化,见图2。

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图2 舟山跨海大桥防腐涂层失效情况


舟山跨海大桥已进入养护期,防腐涂层存在失效情况,但交通运输行业标准《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》(JT/T 722-2008)并未对跨海大桥钢结构的维修涂装做出明确规定,维修涂装体系的设计更多依靠工程技术人员的经验来进行。

3 钢结构养护涂装体系设计

3.1钢结构养护涂装体系设计原则

(1)考虑到钢结构涂装维修的条件限制,在选择涂料品种时,应考虑新旧涂料的匹配性。

(2)基于维修涂装中易受到现场客观环境和条件限制,钢结构表面难以使用新建时的喷砂或抛丸处理设备,需采用动力工具打磨清理锈蚀和原有涂层,部分缝隙及阴角面区域施工时难以达到规定要求的PSt3级,因此底漆应选择对表面处理要求低、附着力良好的低表面处理环氧涂料[4]。

(3)尽量缩短施工工期,应选择施工成膜较厚、干燥时间较短的涂料,如高固体分涂料和无溶剂涂料[5]。

(4)确保涂料具有良好的耐候性,氟碳面漆在保色性、耐候性等方面比常规的丙烯酸聚氨酯面漆效果更好,因此钢结构维修涂装面漆建议使用氟碳面漆[6]。

3.2钢结构涂装养护配套方案

在充分研究了舟山跨海大桥的腐蚀环境,依据境内外有关标准规范,参考境内外类似桥梁的防腐蚀涂装体系实际应用情况[7,8,9,10,11,12];提出舟山跨海大桥钢结构涂装养护配套体系。

3.2.1钢箱梁养护涂装体系方案

在参考行业标准《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》(JT/T 722-2008)对大桥钢结构涂层配套的设计要求和《钢结构涂装维修要领》(日本阪神高速)的方案,结合舟山跨海大桥的海洋腐蚀环境条件:对中间涂层做了加强处理;并考虑到局部底漆可能漏涂,在原涂层拉毛后对整个钢箱梁外表面整涂1×100 μm的低表面处理改性环氧底漆;面涂层采用高固体高光泽度的氟碳面漆,膜厚为80 μm, 其具有20~25a的耐候性。新建时钢箱梁内部仅1道125 μm的改性环氧耐磨漆,导致U肋和底板区域锈蚀比较严重。因此养护涂装体系设计时对底漆做了加强处理,采用2×120 μm低表面处理改性环氧底漆,且对锈蚀严重的合龙缝区域进行预涂装,从而延缓钢结构腐蚀。具体设计方案见表1。

表1 钢箱梁养护涂装体系设计方案

部位

结构层

涂料名称

干膜厚度μm干膜厚度μm

总厚度μm总厚度μm

外表面

底漆

环氧富锌漆(局部涂装)

1×35

315


中间漆

低表面处理改性环氧
底漆(局部涂装)

1×100


中间漆

低表面处理改性环氧
底漆(整体涂装)

1×100


面漆

高固体氟碳面漆
(整体涂装)

2×40

内表面

低表面处理改性环氧底漆

2×120

240

3.2.2钢制螺栓养护涂装体系方案

虽然国内有一些与防腐相关的技术规范和标准,但针对钢制螺栓防腐涂装维修缺少规范化和标准化的施工技术指南。2015年通过引入日本的防腐涂装技术,虽然钢结构整体状况良好,但是部分螺栓螺纹孔隙处仍有锈点发生,因此通过现场反复模拟试验、现场验证,提出钢制螺栓胶封复合涂层的钢制螺栓养护涂装体系。

钢制螺栓的胶封复合涂层养护涂装体系采用三重防护理念:第一重防护,通过低表面处理改性环氧底漆对钢制螺栓提供腐蚀保护以机械屏蔽的隔离防护为主;第二重防护,通过聚硫密封胶本身的密封性能、黏结性能来阻止外界腐蚀介质与螺栓区域(特别是螺纹区域)与空气中水的接触,同时通过密封材料本身的耐腐蚀性能对整个螺栓区域进行包裹封闭;第三重防护,通过高固体氟碳面漆的耐候性能降低涂层的老化、粉化速度,加大涂装的隔离作用。通过三重防护,延长螺栓区域的使用寿命,减少周期内的养护成本。具体方案见表2。

表2 钢制螺栓养护涂装体系设计方案

涂料种类

涂料名称

干膜厚度/μm

总厚度/μm

改性环氧底漆

低表面处理改性
环氧底漆

3×100

380


螺栓区域

聚硫密封胶

/


氟碳面漆

高固体氟碳面漆

2×40

3.2.3钢丝绳吊索养护涂装体系方案

新建时期悬索桥钢丝绳吊索采用常规涂装体系,即直接在钢丝绳吊索的镀锌钢丝束的外表面刷涂“封闭底漆+中间漆+面漆”的涂装体系。钢丝绳吊索由多股钢丝组成导致吊索索股间存在较大间隙,涂料具有一定的黏度和表面张力导致涂料只能涂敷在钢丝绳吊索外表面而无法通过缝隙渗入钢丝绳吊索内部,因此钢丝绳吊索防腐效果不理想。

基于钢结构防腐涂装、聚硫密封胶、高强玻璃纤维布加固技术和氟碳面漆特性,结合海洋环境特点,研发出钢丝绳吊索的“三胶两布”三重防护体系见图3和表3。第一重防护,在吊索底面进行底漆和环氧云铁中间漆处理,通过底涂层对桥梁钢结构提供的腐蚀保护以机械屏蔽的隔离防护为主,完全隔绝钢丝绳与外界的接触。第二重防护是在第一重防护的基础上,通过刮涂三层聚硫密封胶,并在第一层和第二层聚硫密封胶间缠绕两层高强度玻璃纤维布。通过聚硫密封胶本身的密封性能、黏结性能来阻止外界腐蚀介质与吊索钢丝绳的接触,同时通过密封材料本身的耐腐蚀性能对整个吊索钢丝绳进行包裹封闭。第三重防护是在第二层防护的基础上涂刷氟碳面漆,通过氟碳面漆的耐候性能降低涂层的老化、粉化速度,加大涂装的隔离作用。

3.2.4潮汐区钢结构养护涂装体系方案

金塘大桥防撞钢套箱新建时的防腐体系采用“金属热喷涂+常规环氧防腐涂料及锌块”等,金属热喷涂防腐即在钢结构表面热喷涂锌铝合金涂层,常规环氧树脂涂层防腐即在钢结构表面喷涂环氧树脂,锌块即采用牺牲阳性保护法。跨海大桥海洋潮汐区钢结构涂层受到长期的海浪冲刷,温度差异、海洋生物污染物等都对防腐措施产生极大影响,造成防腐效果不佳。

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图3 吊索三胶两布三重防护体系示意

表3 吊索三胶两布三重防护体系表


名称

厚度/μm


第一重防护


低表面处理底漆

2×35


环氧云铁中间漆

2×40


第二重防护
(三胶两布)


聚硫密封胶

800~1 000


高强玻璃纤维布

/


高强玻璃纤维布

/


聚硫密封胶

800~1 000


聚硫密封胶

800~1 000

第三重防护

氟碳面漆

2×35

采用普通的重防腐涂料则表面处理达不到要求且水下不能固化,涂装将失效。因此采用含有特殊无机填料与有机成膜物质的厚浆型环氧涂料的低表面处理湿面固化涂料,该涂料可在潮湿表面施工涂装。根据潮湿表面的含水量选择辊涂、刷涂等涂装方式,同时该涂料在施工涂装后短时间即可直接浸泡在水下继续固化而对涂料性能无影响,这样可避免由于潮汐区水位的波动对涂装后未完全固化的涂料性能影响。具体设计方案见表4。

表4 潮汐区钢结构养护涂装体系设计方案

结构层

涂料名称

干膜厚度/μm

总厚度/μm

第1层

无溶剂湿面防腐涂料

1×150

300


第2层

无溶剂湿面防腐涂料

1×150

3.2.5密闭或半密闭空间钢结构养护涂装体系方案

舟山跨海大桥新建时密闭或半密闭空间涂料较多的使用聚氨酯、环氧类,其耐腐蚀、耐湿、耐化学性、柔韧性、重防腐蚀性能已经得到业内肯定,但因其使用了易燃有毒的芳烃类、酮类等有机溶剂,在施工及施工后的养护阶段均会挥发产生大量有机溶剂,一般VOC含量在340~450 g/L。因锚碇及索塔内部空间非常有限,而涂装作业又是在通风不良的密闭状态下进行,同时施工过程中有可能遇到电气线路及设备点火花或明火,使用传统涂料燃爆危险性大,对人员中毒的威胁也很大。

因此,为安全考虑,在舟山跨海大桥的密闭或半密闭空间的钢结构养护涂装体系选择水性重防腐体系,环保、安全性能高,降低了溶剂中的VOC对人体、环境的污染,同时安全风险大幅度降低。具体设计方案见表5。

表5 密闭或半密闭空间钢结构养护涂装体系方案

结构层

涂料名称

干膜厚度/μm

总厚度/μm

底漆

水性改性环氧底漆

1×100

380


中间漆

水性改性环氧底漆

2×100


面漆

水性聚氨酯面漆

2×40

4 跨海大桥预养护涂装施工技术

4.1跨海大桥养护涂装工具改良

将现有的单面砂盘改进成先进的双面砂盘,对除锈磨头通过增加钢丝刷进行外形改良,除锈等级可达到规定的PSt3级,除锈效果明显,工程质量效益显著。改良前后对比见图4和图5。

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图4 钢磨头外形改良

4.2跨海大桥养护涂装施工工艺技术

4.2.1钢制小构件涂装预养护施工技术

使用大型角磨机对基体表面进行一次除锈后,使用小型打磨机械对阴角面及打磨工具难以进入的部位进行二次除锈,金属基材显露出金属光泽,且不损伤原有钢结构;并对油污进行处理。

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图5 砂盘改进对比

对平面部位采用辊筒涂装,对阴角部位及涂装工具难以施工的部位使用弯柄刷涂装,以便达到有效全覆盖。

4.2.2钢箱梁养护涂装施工技术

(1)钢箱梁(内表面)养护涂装施工技术。

使用改良后的双面砂盘进行除锈。除锈完成后使用排刷对作业区域进行第一次清洁;对阴角面及难以清洁的部位,使用洗尘器进行第二次清洁。

涂装过程中先难后易,对焊缝、自由边、角落等阴角面不易成膜区域先进行涂装,防止出现膜厚过薄甚至漏涂的情况。

(2)钢箱梁(外表面)养护涂装施工技术。

对基体表面进行盐分检测,对超标(50 mg/m2)部位使用淡水反复擦洗,合格后方可施工。

4.2.3钢制螺栓胶封复合涂层养护涂装施工技术

螺栓区域、阴角面使用小型打磨机进行处理。

刮涂聚硫密封胶采用勾兑10%洗洁精的水涂抹密封胶外表面,保证密封胶包裹均匀、密实,完全覆盖整个螺栓区域。

4.2.4钢丝绳吊索三胶两布养护涂装施工技术

对基体表面进行盐分检测,对超标(50 mg/m2)区域使用淡水反复擦洗,合格后方可施工。

“三胶两布”施工过程中以填满索体缝隙为标准,并对索体表面封胶整形;高强度玻璃布缠绕包裹(搭接1/2),对整个索体进行均匀包裹。

4.2.5潮汐区钢结构湿固化养护涂装施工技术

基面使用高压淡水冲洗后,盐分技术指标小于50 mg/m2后,方可进行下道工序。

涂装过程中先难后易,对焊缝、自由边、角落等阴角面不易成膜区域先进行涂装,防止出现膜厚过薄甚至漏涂的情况。

4.2.6密封或半密封空间钢结构养护涂装施工技术

使用大型角磨机对基体表面进行一次除锈,使用小型打磨机械对阴角面及打磨工具难以进入的部位进行二次除锈。

涂装过程中先难后易,对焊缝、自由边、角落等阴角面不易成膜区域先进行涂装,防止出现膜厚过薄甚至漏涂的情况。

5 跨海大桥养护涂装体系应用及评价

采用上述跨海大桥钢结构养护涂装体系在舟山跨海大桥不同部位进行养护应用,经过几年的跟踪监测评估,发现其在防腐性及面漆耐候性等方面均有优异的性能。

5.1钢箱梁(内部和外部)养护涂装体系

5.1.1试验段对比结果

新建时钢箱梁内表面防腐体系为1×125 μm环氧云铁中间漆,运营4年后出现锈蚀,缺陷修复仍使用原体系,2年后出现点蚀,养护时期采用改性环氧底漆2×120 μm防腐体系,4年后无病害,见图6。

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图6 钢箱梁内表面防腐体系效果

钢箱梁外表面试验段采用原涂装体系(环氧富锌底漆35 μm+改性环氧底漆2×100 μm+氟碳中间漆2×40 μm)和养护新体系(环氧富锌底漆35 μm+改性环氧1×100 μm+100 μm整涂改性环氧+氟碳面漆2×40 μm),3年后对比效果见图7。从大桥全寿命周期角度考虑,钢箱梁外表面养护新体系,涂装能有效覆盖,施工质量更佳。

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图7 钢箱梁外表面防护体系效果对比

5.1.2现场验证结果

2016年采用养护新涂层体系对金塘大桥箱梁外表面和桃夭门大桥箱梁内表面进行防腐施工。2018年4月检查钢箱梁内外表面整体状况良好,均未发生锈蚀、粉化等现象,见图8。

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图8 钢箱梁内(外)表面养护涂层施工前、后对比

5.2螺栓胶封复合涂层养护涂装体系

5.2.1试验段对比结果

2018年通过对常规涂装体系、更换不锈钢螺栓体系、胶封复合涂层体系等进行试验段对比,硅酮密封胶、聚氨酯密封胶和新体系的效果对比见图9,常规涂装、更换不锈钢螺栓和胶封复合涂层2年后效果见图10。本试验段与常规涂装体系及更换螺栓的工艺相比,选用常规涂装体系施工2年后螺栓部位陆续出现锈点及局部锈蚀现象。使用不锈钢螺栓部分发生锈蚀,胶封复合体系效果良好。

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图9 钢制螺栓养护涂装体系效果对比

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图10 钢制螺栓涂装完工2年后效果

5.2.2现场验证结果

常规防腐涂装技术,虽然钢制螺栓整体状况良好,但是经过几年的运营后,部分螺栓螺纹孔隙处有锈点发生。于2018年选择胶封复合养护涂装体系对舟山跨海大桥全部钢制螺栓进行养护涂装施工,目前效果均良好,见图11。且该养护涂装体系相较于其他更换螺栓材质等防腐方案成本更低,契合了科技创新和降本增效的理念。

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图11 螺栓养护涂层配套方案施工后效果

5.3钢丝绳吊索养护涂装体系

5.3.1试验段对比结果

通过采用原涂装体系和三胶两布养护涂装体系的试验段,2年后的效果见图12。采用三胶两布养护涂装体系能有效减少因吊索震动对涂层的损坏,减少了涂层涂装维修的次数,进而提升了经济效益。

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图12 钢丝绳吊索涂装完工两年效果对比

5.3.2现场验证结果

为阻止水分、氧气、氯离子等渗透入吊索,继续腐蚀钢丝绳,进而影响吊索的耐久性、安全性及使用性,于2016年4月30日~7月30日和2016年9月1日~11月30日采用三胶两布养护涂装体系分别对西堠门大桥宁波侧和舟山侧的钢丝绳吊索进行防腐涂装,施工总体质量好、防护体系效果佳,见图13。

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图13 钢丝绳吊索现场效果

5.4潮汐区钢结构养护涂装体系

5.4.1试验段对比结果

对潮汐区钢结构采用原涂装体系和养护涂装体系进行试验段施工,结果见图14。原涂装体系在海水中浸渍后,附着力采用划格化检测,发现剥落面积在35%~65%之间,依据质量控制标准《色漆和清漆划格试验》(ISO 2409)判定,附着力等级为4级,说明该常规涂料在海水下不能继续固化;养护涂装体系为低表面处理湿固化涂料,在海水中浸渍后,附着力采用划格化检测,发现基本无剥落,依据质量控制标准《色漆和清漆划格试验》(ISO 2409)判定,附着力等级为0级,附着力优良,说明该养护涂装体系能在潮湿表面下使用,同时水下能继续固化。

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图14 潮汐区钢套箱涂装试验效果

5.4.2现场验证结果

2019年采用水下湿固化涂装体系对金塘大桥—东通航孔桥和金塘大桥—西通航孔桥的潮汐区钢结构进行防腐涂装,效果见图15。采用养护涂装体系进行施工,大大提升了施工进度,施工质量也得到了保证,防护体系效果好,总体经济效益明显。

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图15 潮汐区钢套箱涂装效果

5.5密闭或半密闭空间钢结构养护涂装体系

于2020年4月1日~4月20日和2020年4月25日~5月15日采用养护涂装体系分别对西堠门大桥—锚碇和桃夭门索塔内表面钢结构进行防腐涂装,结果见图16。采用养护涂装体系在施工过程产生VOC大幅降低,有效改善工作环境,提高了安全操作性,确保工人身体健康以及环境保护,更好地促进和提升绿色环保概念。

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图16 密闭或半密闭空间钢结构养护涂装效果

6 结语

通过对跨海大桥钢箱梁、钢制螺栓、钢丝绳吊索、潮汐区钢结构及密闭或半密闭空间钢结构的养护涂装体系的研究,得出以下结论。

(1)对钢箱梁内外表面提出的养护涂装体系:钢箱梁外1×35 μm环氧富锌底漆(局部涂装)+1×100 μm低表面处理改性环氧中间漆(局部涂装)+1×100 μm低表面处理改性环氧中间漆(整体涂装)+2×40 μm高固体氟碳面漆(整体涂装),钢梁内2×120 μm低表面处理改性环氧底漆并对锈蚀严重的合龙缝区域进行预涂装,从而延缓钢结构腐蚀。

(2)对钢制螺栓提出低表面处理改性环氧底漆+聚硫密封胶+高固体氟碳面漆的胶封复合涂层养护涂装体系,延长螺栓区域的使用寿命,减少周期内的养护成本。

(3)针对悬索桥钢丝绳吊索特点,提出底漆和环氧云铁中间漆+三层聚硫密封胶(第一层和第二层间缠绕两层高强度玻璃纤维布)+氟碳面漆的三胶两布养护涂装体系,延长钢丝绳吊索的使用寿命,减少周期内的养护成本。

(4)针对潮汐区钢结构特点,提出一种低表面处理湿面固化涂料的养护涂装体系,可实现潮湿表面施工涂装,同时该涂料在施工涂装后短时间即可直接浸泡在水下继续固化而对涂料性能无影响。

(5)针对密闭或半密闭空间钢结构特点,提出水性重防腐体系,降低了溶剂中的VOC对人体、环境的污染,同时安全风险大幅度降低。

上述系列跨海大桥钢结构养护涂装体系成功应用于舟山跨海大桥钢结构的养护涂装施工中,取得较好的经济效益和社会效益,可为类似工程提供参考。


参考文献

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