钢结构桥梁耐久性设计：钢材防腐与铺装的关键技术与方法

桥梁设计注重“安全、经济、适用、耐久、美观”这五大基本设计原则，其中耐久是基本原则之一。

钢结构桥梁的耐久性与混凝土桥梁不同，它涉及钢材的防腐、铺装与疲劳等方面。铺装直接关乎车轮接触面的耐久性，疲劳耐久性则需要同时考虑受力与构造。防腐与受力没有关联，只要有钢材的部位，就需要设计相应的防腐体系。

钢材防腐体系有一次防护、二次防护。

一次防护：主要为不锈钢、耐候钢

二次防护：

被覆盖法包含涂料涂装这种方式；被覆盖法包含防锈油涂装这种方式；被覆盖法包含热浸锌这种方式；被覆盖法包含热喷涂这种方式；被覆盖法包含冷喷涂这种方式。

化学处理方面：通过化学或者电化学处理的方式，让金属表面形成一层稳定的化合物，其中包括磷酸盐处理、铬酸盐处理、阳极氧化等。

阴极保护是利用电化学腐蚀原理，通过外加电流或者金属来达到保护钢结构的目的。

钢箱梁防腐涂装

钢结构防腐费用

以一座6x40m钢混组合梁为例说明防腐费用。

孔跨布置：6x40m，桥宽：9m。

桥面的面积是 2160 平方米，每平方米用钢 168 千克，全桥用钢的总量是 362.9 吨。

全桥钢材价格基数为a，初始涂装费用：0.41a。

工厂费用包含制作费 0.47a、劳务费 0.18a、工厂管理费 0.31a、一般管理费 0.32a 以及抗震支座费用 0.83a，这些费用合计为 3.52a。

工地费用合计为 4.54a。

全桥合计费用（工厂+工地）：14282元/㎡

初始涂装的防腐费用为每平方米 726 元，后期的维修涂装以及重新涂装费用不包含在内。

钢板组合梁桥

一次防护

1）不锈钢

合金钢加入铬、镍等特定元素后会表现出良好的耐腐蚀性。金属元素铬（Cr）能让钢材表面形成一层不易溶解的氧化薄膜，从而与外界隔离开来，这样就能长久地保持金属光泽。通常情况下，铬的含量越高，钢的抗腐蚀性就越好。

不锈钢结构

不锈钢成本大概是普通钢材的 4 倍。然而，从全寿命周期成本来看，包括材料成本、维护费用、防锈处理以及防火处理等方面，不锈钢结构具有较大的优势。

304 是最常用的牌号。要达到耐腐蚀性要求，304 不锈钢必须含有 18%以上的铬，并且含有 8%以上的镍含量。

304 不锈钢对于氯化物腐蚀的耐受性不佳。在含有大量盐分的海雾环境里，它会很快开始锈蚀。

在侵蚀性严重的工业大气中，应采用 316。因为 316 的耐腐蚀性更好。在侵蚀性严重的海洋大气中，也应采用 316。同样是因为 316 的耐腐蚀性更好。

双相型不锈钢 2205 具有良好的耐大气腐蚀性能，同时还将高抗拉强度及弹性强度融合在一起，它的强度比高强钢 Q420 还要略高一些。

不锈钢的线膨胀系数比普通钢材大 1.5 倍，热传导率约是普通钢材的 1/3。正因如此，焊接变形控制较为困难。尤其对于奥氏体型不锈钢，应尽量降低焊缝的溶敷金属量，采用低热量输入，并严格遵循精细的焊接工艺和顺序。

奥氏体型和双相型不锈钢指标对比表

2）耐候钢

耐大气腐蚀钢是在钢材中加入一定数量的诸如 Cu、P、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、V、Ti、Re 等合金元素。这些合金元素能在金属表面形成保护锈层，从而提高耐大气腐蚀性能。它能够阻止大气中的氧和水向钢铁基体渗入，也能减缓锈蚀向钢铁材料纵深发展，进而提高耐大气腐蚀能力，其耐大气腐蚀性能是普通碳素钢的 2 至 5 倍。

耐候钢桥

部分铁路钢结构桥梁的钢桥面会使用不锈钢复合钢板。其中，基板选用的是 16mm 的 Q370qD，复板的材质为 022Cr17Ni12Mo2（316L），还有 3mm 厚的不锈钢板。

耐候钢桥

它的特别之处在于，处于自然环境中。随着时间不断推移，其表面会形成抗腐蚀的保护层。并且无需进行涂漆保护，材料的寿命能在 80 年以上。

如果不进行处理，锈化反应会一直持续。最终，钢板会被腐蚀穿透。因此，必须让它停留在某个特定的阶段。

耐候钢板的表面有一层锈红色的保护膜，这层保护膜能够阻碍锈蚀向里面扩散和发展，从而对锈层下面的基体起到保护作用，以此来减缓其腐蚀的速度。那么，这层保护膜是如何形成的呢？比较常用的方法就是安定化处理工艺。

耐候钢：安定化处理工艺

第一阶段：正品耐候钢开始长出小锈点。普通钢板的锈点较为疏松。部分发锈处理差的普通钢板甚至出现掉锈皮的情况。

长锈第二阶段：正品耐候钢的锈水相对较少，锈点较为小且厚密；普通钢板的锈水则比较多，锈点较大且薄疏；普通钢板的锈柱，泪痕情况较为严重，工件底部存在发黑的痕迹。

正品耐候钢处于长锈第三阶段时，其具有清晰且致密的锈核层，锈点之间紧密粘连，从而形成保护层，用手擦拭几乎不会使锈掉落；而普通钢板在长锈第三阶段时，掉锈的量比较多，甚至会出现整块锈皮剥落以及锈穿的情况。

正品耐候钢是偏向红褐色，普通钢板是偏向暗黑色。

耐候钢：注意事项

焊接点会发生腐蚀。焊接点的氧化速率需与其他用料保持一致，这就要求采用特殊的焊接材料以及具备特殊的焊接技术。

耐候钢不是不锈钢。若耐候钢的凹位存在积水，那么该积水处的腐蚀速率会加快。所以，必须做好排水工作。

耐候钢对富盐空气环境较为敏感。在富盐空气环境里，表层的保护膜或许无法阻止内部进一步发生氧化。

④掉色：耐候钢表面的锈层可使它附近的物体表面变得锈迹斑斑。

耐候钢桥

耐候钢桥梁设计注意事项

①耐候钢的适用环境

要求空气中氯离子的浓度需满足不超过 0.05mdd，这里的 mdd 指的是用 NaCl 换算的盐分含量，即 mg/dm2/day；同时，到水面的距离不能过近，并且周围的地形地貌也与之有关系。

②耐候钢设计细节

设计不易积尘的结构；

设计水分（包括含较多湿气的空气）不易滞留的结构；

设计不易受雨水等水分的滴落反弹影响的结构；

特别留意桥梁端部的细节设计，也要留意箱梁内部的细节设计，同时留意结合梁的上翼缘的细节设计，还要留意支座等局部不良部位的细节设计。

③耐候钢的实际情况调查

日光的照射会对耐候钢保护层的形成产生影响。其中，向阳面更容易形成保护层，而向阴面由于水分蒸发较慢，所以不利于形成保护层。

箱梁外侧会有日光照射以及雨水冲洗，所以容易形成均匀的保护层。而箱梁内部湿气较重，因此不容易形成保护层。

箱梁翼缘的底部容易结露，从而形成瘤状锈蚀。这种锈蚀不容易被完全打磨掉。打磨不掉的残锈变成了新的锈蚀核心。

使用耐候钢时，如果对局部不易形成保护层的地方进行涂装，就容易产生新问题，即涂装部分边缘部位的耐候钢锈层会侵入涂层下方，导致急剧腐蚀并剥离。所以，局部涂装对耐候钢是不合适的。

耐候钢需要远离海洋环境，因为氯离子会影响保护层的形成。在寒冷地区，冬季若使用除冰剂等，也不适合使用耐候钢。

耐候钢对排水处理的要求极为细致。在有积水的地方，难以形成保护层；而在水汽重的地方，同样也不容易形成保护层。

耐候钢设计需注意细节。在桥址处若有鸟类等情况时，要注意避免意外因素的影响，同时也要注意耐候钢保护层的形成。

耐候钢如果形成不了保护层，那么后期处理就会比较麻烦。所以，在选择耐候钢时，需要对桥址环境和细节设计都做到非常到位。

美国 Pennybacker Bridge

二次防护

被覆盖法包含涂料涂装这种方式，也包含防锈油涂装这种方式，还包含热浸锌这种方式，同时包含热喷涂这种方式以及冷喷涂这种方式。

涂料涂装，占钢结构桥梁防腐60%。

钢结构按照腐蚀环境、工况条件、防腐年限进行相应防腐设计；

a、腐蚀环境大气区、浸水区、埋地区；

b、依据涂装部位，包括外表面、内表面、钢桥面、干湿交替区、摩擦面以及附属部分；

c、普通型及长效型保护年限。

钢结构桥梁主要防腐涂层体系

环氧富锌底漆，以及环氧云铁中间漆，还有丙烯酸聚氨酯面漆（包括氟碳面漆、聚硅氧烷面漆）

无机富锌底漆，环氧云铁中间漆，丙稀酸聚氨酯面漆（氟碳面漆、聚硅氧烷面漆）。

热喷锌（铝）；有环氧云铁中间漆；还有丙稀酸聚氨酯面漆（氟碳面漆、聚硅氧烷面漆）

各类富锌涂料在海洋大气中的使用寿命对比

水性无机富锌涂料中，硅酸盐作为成膜反应物会与锌发生反应，从而生成硅酸锌网状结构。基于此，它可以被称作无机硅酸锌涂料，并且属于绿色环保型涂料。

水性无机富锌涂料，硅酸盐会与锌粉反应，同时也会与钢铁反应并形成硅酸锌铁络合物。因为这样，它能对钢铁表面形成很强的化学键，所以能够抵抗水、海水、有机物、氯化物等的侵蚀。

环氧富锌涂料的成膜物是环氧树脂，稀释剂是有机溶剂，它是一种涂料，属于有机类涂料。

环氧富锌涂料的附着力依靠树脂与钢铁表面的粘结力，这种粘结力属于物理吸附。它的初始附着力较为良好，然而有机物的耐候性不佳，在恶劣的环境中更容易发生老化现象，进而导致附着力逐渐降低。

一般而言，环氧富锌涂料比较容易和各类面漆进行配套。对于水性无机富锌涂料，除了油性漆和醇酸漆不能配套之外，它可以和目前普遍使用的环氧、丙烯酸、聚氨酯、乙烯类漆配套。如果涂抹环氧过渡层漆，那么就可以与更多的面漆配套，并且效果会更好。

水性无机富锌底漆的配套性能一般来说不如环氧富锌底漆。不过，目前其可配套的面漆品种依然有很多，完全能够满足防腐工程的需求。

基材表面处理方面：水性无机富锌漆在成膜时会与钢铁表面形成化学键。所以，对于基材表面的处理有着严格要求，必须达到 Sa 2.5 级，还要让表面具有一定的粗糙度，以此增加表面积，从而确保锌粉能够与钢铁紧密接触。

环氧富锌涂料的附着力主要是由有机树脂对基材进行物理吸附所贡献的。正因如此，对于基材表面的处理程度可以相应地降低到 Sa 2.0 级。然而，在实际的施工过程中，却要求达到 Sa 2.5 级。

值得指出的是，在重防腐领域，普遍采用的级别是 Sa 2.5 级。目前，喷砂（喷丸）技术是能够达到这一级别的。

施工环境问题方面：水性无机富锌涂料是以水作为稀释剂的。只有让水分挥发掉，才能够使湿膜形成硅酸锌致密网状结构的漆膜。所以这类涂料对于施工环境，像气温、湿度、风力等这些方面是比较敏感的。与之相比，环氧富锌涂料因为是以有机溶剂作为稀释剂，所以受环境的影响就比较少。

WZ - 116 系列水性无机富锌涂料可以满足不同环境条件下的施工需求。并且，对于自动涂装流水线作业来说，由于其基本呈封闭型，外部气候环境的影响大大被削减，这对水性无机富锌涂料的施工是很有利的。

热喷涂与冷喷涂

热喷铝工艺已应用较长时间：

表面处理要求高，喷砂需达到 GB8923 规定的最高级别 Sa3 级，不然有脱落的可能；并且，在进行喷涂施工时，对环境条件的要求也较高，相对湿度需小于 85％；钢材表面温度必须比露点温度高 3℃。

热喷铝层的孔隙率在 5％到 15％之间。它不能单独形成膜，需要用涂料层进行封闭，这样才能发挥其防腐效果。在空穴处容易形成早期点蚀。

③锌铝镀层的破损处及焊缝处修补困难；

不环保且污染较大；喷砂除锈时会形成尘粉，喷镀时会形成氧化锌粒子，这些物质对人体伤害严重，会存在劳保及职业病方面的问题。

冷喷锌材料近年来发展很快：

表面处理要求低，喷砂能达到 GB8923Sa2.5 级。去除氧化皮后，钢材表面允许有 5%以下的锈斑。并且可以在相对湿度大于 85%的条件下进行施工，施工的允许温度范围较宽。

锌盾镀层的孔隙率处于很低的水平。它既能够单独形成膜，这意味着封闭层不是必需的，从而节省了一道工序以及相应的费用；同时，它还可以与重防腐料进行配套使用，这样复合涂层的防腐蚀年限能够增加 2 倍以上。

锌盾的镀层间重融性能较为良好。在工厂里能够方便地进行施工，在现场也可以方便地进行施工。并且在施工过程中，能够方便地进行修补。同时，不存在修补后防腐薄弱的问题。

锌盾能够像重防腐涂料那样进行刷滚涂操作，也可以使用有气喷涂或者无气喷涂的方式。在施工效率方面，它远远高于热喷铝。

锌盾是环保型产品。它的成份内不含 Pb、C2、Hg 等重金属离子，溶剂中含有的是苯、甲苯等有毒成份，但对环境和人体安全环保性良好，符合国家发展政策。

冷喷锌

冷涂锌是单组分涂料。它主要由三部分构成，分别是高纯度的锌粉、溶剂以及特殊有机混合树脂。

涂层干膜的含锌量达到了 96％。它具备热镀锌的优点，也具备富锌涂料的优点。在常温下施工，就能够达到热浸镀锌的效果。它既能提供阴极保护，又能提供物理屏蔽的保护功能。其防腐性能非常优异，施工也很便捷。

可采用单层封闭涂层及复合涂层两种形式。

冷喷锌单层封闭涂层及复合涂层

热喷锌、冷喷锌和富锌涂料的涂层厚度都是 75 至 80μm。热喷锌的涂层厚度离散性比较大，其表面粗糙度较高。而冷喷锌和富锌涂料的涂层厚度较为均匀。

腐蚀电位随时间而发生变化：三种涂层的腐蚀电位都比基体的腐蚀电位要负很多。热喷锌涂层的腐蚀电位与冷喷锌的腐蚀电位是相当的。富锌涂层的腐蚀电位稍微要高一些。

盐雾试验方面，热喷锌涂层进行盐雾试验 21 天就出现了红褐色锈蚀，导致涂层被破坏。在进行盐雾试验 50 天的时候，其表面存在大量的孔洞和裂纹，涂层发生脱落，完全失去了防护作用。

冷喷锌涂层和基体结合得很紧密，腐蚀 50 天依然能保持原始的形貌；富锌涂层在盐雾试验 21 天后出现鼓泡，随着时间不断延长，鼓泡的数量逐渐增多，涂层表面出现了大量的裂纹，并且涂层与基体脱离了。

冷喷锌存在问题

涂料存在施工性和配套性差的问题，其涂层质量与附着力不稳定，并且耐热性也差等方面，这些都是由冷涂锌涂料本身的特性所导致的。

冷涂锌的生产厂家应当强化其在重防腐涂装行业里的应用性研究，提升冷涂锌的施工性能，把冷涂锌与中间漆、面漆的配套问题给解决掉。

施工工艺要求较高：冷涂锌防腐时，要选择合适的喷嘴型号，对喷涂厚度进行控制，严格遵守工艺要求的涂装道数以及间隔时间，并且要采取加热保温、通风等措施，以此来控制涂装质量。

冷喷锌复合涂层的防腐体系中，成熟体系比较少。冷涂锌材料的锌含量极高，其电化学防腐能力比普通富锌底漆更为优异，将其作为单涂层防腐材料时，优势十分明显。

如果使用冷涂锌复合涂层，那么对其配套性、施工环境以及施工要求都比较高，并且容易出现剥落和起泡的情况。当选择冷涂锌复合涂层的方案时，需要设计合理的涂装道数和厚度，同时还要充分考虑各种影响因素以及工期进度的要求。

钢材防护纳米技术

大型钢结构是很多基础设施的重要构成部分。桥梁大量采用钢结构，电站也大量采用钢结构，输油输水管道大量采用钢结构，油气储罐大量采用钢结构，大型生产装置大量采用钢结构，船舶大量采用钢结构，海工结构大量采用钢结构，塔架大量采用钢结构，许多大型建筑物也大量采用钢结构。

所用的碳钢以及一些低合金钢，它们具备很好的力学性能，同时价格也较为合理。然而，它们却存在着严重的电化学腐蚀问题。

因为其用量大，并且对寿命要求长，所以所需的防腐手段具有特殊性。 用量大且寿命要求长，故而需要的防腐手段有其特殊性。 由于用量大以及寿命要求长，所以需要的防腐手段具备特殊性。

在各种腐蚀控制的方法里面，主要会选用不同的表面处理这种方法，同时也会选用施加防腐涂层的方法，以此来对大型钢结构进行防护。

到目前而言，大多时候防护效果并不理想。主要存在这样的问题，即由于化学和力学失效，导致了覆盖层的寿命出现问题。

因此，开发高性能的表面改性 a 技术是一项重要任务，开发长寿命的表面改性 a 技术是一项重要任务，在新形势下开发满足环保要求的表面改性 a 技术也是一项重要任务，开发防腐产品同样是一项重要任务。

而解决这样的问题，离不开高技术与新思路和采用。

目前，纳米技术在钢结构重防腐产品中的应用还处于起步阶段。

国内外均少见型产品应用的报导。

但普遍认为，纳米技术的采用无疑将会给该领域带来世大的收获。

原因很简单，防护所涉及的表面材料的性质以及自防护腐蚀产物的性质，主要是由其微观结构决定的。这里涉及到界面问题，还有电化学历程的改变，以及传输行为的变化、表层材料强度的变化和塑性的变化等。

某些纳米粒子的某些种类引入有机涂层能够提升其抗老化性，无机涂层的结构纳米化可以改善其塑性。