嘉陵江大橋鋼結構防腐技術探討
2017-07-17
重慶嘉陵江牛角沱大橋位于渝中區(qū)牛角沱，跨越嘉陵江，全長600.56m，其中主橋長384m（68+80+88+80+68），為上承式鋼桁梁橋和簡支梁橋組成，引橋長216.56m，為7孔（16.4+4×23.7+3×22.22+26.42）簡支梁橋，是橫跨嘉陵江聯(lián)系南北交通的大型城市橋梁。大橋于1966年1月竣工。目前已經(jīng)運行47年。
1. 嘉陵江牛角沱大橋所處的自然環(huán)境情況
重慶降水的PH值年平均為4.28，絕對最低值3.00，酸雨出現(xiàn)頻率為94J%t一，幾乎達到降水必酸的程度。雨中陰離子、硫酸根離子占36.3，硝酸根離子占6.6%，其他污染也很嚴重。重慶又是有名的“霧都”J951～1980年，年平均霧日69.3天，1953年有霧日數(shù)為148夭。據(jù)沙坪壩氣象站觀測統(tǒng)計結果，霧滴PH值在5.60以下的酸性霧出現(xiàn)次數(shù)占觀測總次數(shù)的94%，PH值小于4.00的強性酸霧占23%。1986年10月6日，還觀測到霧滴PH值為3.30。四年平均值4.54，不同季節(jié)變化不大。沙坪壩酸霧分級統(tǒng)計（fees～lsea） PH值 3.00～3.99 4.00～4.99 5.00～5.60 >5.60 頻率（%）23 44，26 7 由于對霧滴的采樣比雨水困難，影響到對霧的化學組成分析。從沙坪壩1986年12月到1988年4月對霧采樣分析可知一，在霧的離子組成中，酸性物質主要有硫酸、硝酸、氟化物和氯化物等，它們在酸霧中相對貢獻大小，可以用其酸根離子濃度之比來表示。SO。“與*0。一、Q——的離子濃度比為15。1：丑2*0。”與F——離子濃度比為11：1。重慶是酸雨侵蝕比較嚴重的地區(qū)，電視塔及建筑機械的維修、路燈及電線的更換頻率比南京快1.5倍。嘉陵江牛角沱大橋主橋結構是鋼桁梁，鋼結構表面積5.6萬平方米，大橋地處酸雨酸霧嚴重的主城區(qū)，結構所處環(huán)境污染嚴重，根據(jù)重慶鋼結構表面銹蝕情況相關數(shù)據(jù)顯示：嘉陵江牛角沱大橋的鋼梁每年銹蝕厚度達0.16毫米，如此銹蝕速度，用不了30年就會因鋼梁銹蝕而危及大橋安全。因此怎樣對大橋鋼梁進行維護，才能保證鋼梁在運營過程中的安全，和實現(xiàn)達到大橋的設計壽命等的難題就擺在了我們的面前，現(xiàn)將我司對大橋鋼梁進行維護管理的情況作逐一介紹，并對有些問題進行探討。
2. 我們對大橋的維護情況
歷年來，我們以科學發(fā)展觀為統(tǒng)領，堅持開展大橋經(jīng)常檢查、定期檢查、特殊檢查等檢查工作，根據(jù)大橋檢查的技術狀況，分輕重緩急，科學制定預防性養(yǎng)護計劃，保證了在最佳時機對大橋技術狀況性養(yǎng)護，實現(xiàn)了橋梁全壽命周期養(yǎng)護成本最小化。1966年建成通車的重慶嘉陵江大橋，是一座雙懸臂帶吊孔鋼桁梁大橋，由于我司對該橋預防性養(yǎng)護措施得當，盡管已是40多年的老橋，在2004年的健康監(jiān)測及安全評估中，同濟大學評價該大橋主橋的剩余疲勞壽命最短為52年，充分體現(xiàn)了預防性養(yǎng)護在橋梁養(yǎng)護管理中的重要性。
2.1領導充分認識預防性養(yǎng)護的重要性
為了科學規(guī)范地搞好橋設施預防性養(yǎng)護工作，我司領導組織工程技術人員和養(yǎng)護人員認真學習《公路養(yǎng)護技術規(guī)范》、《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》、《公路橋梁養(yǎng)護管理工作制度》、《城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》、 建設部118號令《城市橋梁檢測和養(yǎng)護管理辦法》和我司的質量管理體系文件《質量手冊》、《質量程序文件》、《質量作業(yè)文件》等規(guī)范標準文件，通過學習規(guī)范標準文件結合三橋的實際情況，使工程技術人員和養(yǎng)護人員進一步掌握在橋梁養(yǎng)護管理中，需要檢查什么？怎么檢查和記載？養(yǎng)護什么？怎么養(yǎng)護？哪些病害需要及時整修？如何整修？什么時間進行預防性養(yǎng)護效果最佳等有關養(yǎng)護管理常識。我司還不定期的召開橋梁養(yǎng)護和安全施工規(guī)范現(xiàn)場觀摩會，通過對日常維修和預防性養(yǎng)護工作程序的觀摩、現(xiàn)場交流，互相取長補短，進一步提高全公司的養(yǎng)護作業(yè)現(xiàn)場管理水平和養(yǎng)護作業(yè)規(guī)范化管理水平，培養(yǎng)了一支既有一定理論知識又有一定養(yǎng)護經(jīng)驗的橋梁養(yǎng)管員工隊伍。
2.2實行養(yǎng)護管理分級負責制。
規(guī)范化的養(yǎng)護管理模式是保障大橋預防性養(yǎng)護管理工作健康持續(xù)發(fā)展的基礎。我司對大橋養(yǎng)護管理實行分級負責制。一級是由公司分管領導和總工程師負責；二級是設施管理部負責，由部門經(jīng)理、主任工程師和綜合養(yǎng)護班組成；三級是大橋管理所負責，各所由所長、工程技術人員和養(yǎng)護工人組成。組成三級機構在大橋設施的管理、檢查、小修、大修、技術鑒定等方面各負其責，加強各級的監(jiān)管作用，保證了及時發(fā)現(xiàn)問題，及時解決問題，把病害遏制在萌芽期階段，使預防性養(yǎng)護工作得以有效開展。
2.3引入競爭機制，實行橋梁養(yǎng)護市場化。
我們根據(jù)有關規(guī)范標準將大橋設施維修劃分為小修養(yǎng)護、中修養(yǎng)護、大修養(yǎng)護和加固、改擴建工程工程四類。小修養(yǎng)護由我司的養(yǎng)護班維修實施；中修養(yǎng)護、大修養(yǎng)護和加固、改擴建工程都是采用招標方式，選擇有資質的專業(yè)隊伍維修，充分利用社會資源，形成競爭機制、約束機制，保證了大中修、加固、改擴建工程和預防性養(yǎng)護工程的維修質量，節(jié)省了養(yǎng)護經(jīng)費。
2.4以科技創(chuàng)新推動預防性養(yǎng)護工作。
科學養(yǎng)護就是以科技為先導，以市場化養(yǎng)護為準則，以預防性養(yǎng)護為核心，以機械化養(yǎng)護為手段，探索鋼結構長效防腐技術。
重慶嘉陵江大橋于1966年建成通車，是一座鋼桁梁大橋，主要承重構件都是由鋼材組成，為了保持鋼構件使用功能經(jīng)常處于良好狀態(tài)，為了防止酸雨等有害氣體的腐蝕，我們采用涂刷油漆的方法對鋼梁進行預防性養(yǎng)護。六、七十年代由于維修技術落后，鋼梁油漆采用的工藝是手工除銹油漆，采用的主材是醇酸磁漆，鋼梁油漆工程從北向南全部涂刷完畢大約要5年的時間，由兩個油漆班，一個吊裝班，每年反復涂刷。由于酸雨影響，室外油漆每兩年須維修一次，鋼梁油漆工程5年的周期誤必會造成部份鋼梁油漆不能及時維修，既費人工，又不保證質量。八十年代，工程技術人員通過對大橋的日常巡查、經(jīng)常檢查、定期檢查，及時掌握了鋼梁的技術狀況，通過對鋼梁油漆衰減規(guī)律的分柝，逐步探索鋼結構長效防腐技術，科學的制定了鋼梁油漆預防性養(yǎng)護計劃，并在最佳時期實施了維修。1999年9月，我司投資近400萬元，完成嘉陵江大橋鋼梁涂裝工程，維修采用的工藝是噴砂除銹油漆（機械化施工），采用的主材是環(huán)氧富鋅漆，鋼梁油漆的質量保證期為8年。后者的工藝、材料、機械化程度都先進于前者，質量得到了保障，滿足了鋼梁油漆質量的要求。由于鋼梁預防性養(yǎng)護措施到位，該橋雖經(jīng)歷了40多年的酷暑嚴冬、暴雨烈日、超載提速等考驗，至今仍保持著安全運營狀態(tài)，承擔著日益繁重的運輸任務，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟效益和社會效益。八十年代末，日本專家到鋼梁上考查，驚嘆大橋保養(yǎng)得如此完好，非常少見，并說他們國家六十年代修建的類似橋梁已有部份是危橋了。2004年，同濟大學對大橋進行了健康檢查，通過荷載試驗和精密儀器檢測，評價大橋總的使用壽命能夠達到設計壽命100年。 3. 鋼結構長效防腐技術的研討體會
鋼材銹蝕是一種自然現(xiàn)象，如果不對其進行防腐維護，鋼結構銹蝕到一定程度會危及大橋結構的安全使用，鋼結構長效防腐技術是人類在不斷地探索鋼結構防腐的最佳措施。
縱觀國內外鋼結構防腐技術的發(fā)展，大抵可劃分為兩種基本途徑。其一是涂料防腐，其二是金屬防腐，各國現(xiàn)狀莫不如此。
3.1涂料防腐階段；及至目前，由于技術、經(jīng)濟、材料來源、操作習慣等原因，這兩種防腐措施各國在并用著。歐美在20世紀40年代后普遍采用紅丹或磷化底漆+云鐵醇酸面漆對鋼結構進行防腐處理，日本早期也是采用紅丹底漆和長油度醇酸面漆來防腐。發(fā)達國家投入研究方面的費用較大，新產(chǎn)品層出不窮。從環(huán)境方面考慮，國外目前較多采用水性涂料，以盡量減少涂料中VOC（揮發(fā)性有機化合物）的含量。我國也是從紅丹漆和醇酸磁漆開始，在實踐中不斷學習探討，逐步發(fā)展到使用環(huán)氧富鋅漆和氯化膠橋梁漆，直至目前較多采用的無機富鋅、不飽和聚酯漆及氟碳漆，以期達到延長鋼結構壽命的目的。但不幸的是這一階段問世的數(shù)百種涂料，其防腐效果都不令人滿意，原因是涂料壽命短，反復涂裝增加了人的工作量，尤其是在那些難以到達的地方。雖然伴隨著技術進步而面世的Fz-1鱗片型無機富鋅漆、氟碳漆等較之以前的涂料大大延長了防護壽命，但畢竟 難以滿足人類的需求，也正是這種不滿足感推動著人類的技術進步。
3.2金屬防腐階段，歐美在20世紀40年代已開始應用該項技術，從火焰噴涂到電弧噴涂，從噴鋅發(fā)展到噴鋁及鋅鋁合金、偽合金等；20世紀60年代中期日本也開始采用了該項技術；我國工程技術人員在1952年就將該項技術應用于安徽淮南電廠～蚌埠45公里范圍內的264座高壓輸電鐵塔上，采用火焰噴涂金屬鋅，未作表面封閉處理，26年后檢查時涂層狀態(tài)良好。在這方面，歐美經(jīng)驗更為豐富，據(jù)記載，英國于1947年在南威爾士的一個酸洗車間內的吊車鋼梁上只噴涂了100μm厚的鋁涂層，28年后檢查時涂層與鋼鐵基體仍保持良好狀態(tài)；美國于1936年在密蘇里州堪薩斯城的KawRiver鋼橋上，用火焰噴涂了250～300μm厚的鋅涂層，1975年檢查結果表明鋼鐵基體狀況良好，得到了很好的保護；美國費城中的Ridge Avenue鐵路橋，處于蒸汽機車、內燃機車、公路汽車尾氣的污染環(huán)境中，該橋于1937年防腐施工時采用了250μm厚的純鋅涂層，1995年檢查時鋅涂層仍然很好的保護著鋼鐵基體。國外早期有記載的最大涂層厚為370μm，時隔50多年檢查時防腐效果良好；最小涂層厚75μm左右，10多年后仍具有良好的防腐效果。我國曾有人做過試驗，小于100μm的鋅涂層防腐效果很差，這一差別可能與所在環(huán)境及其涂層施工控制有很大關系，從節(jié)約考慮，有待進一步研究。 我國雖在1952年就在鋼結構上采用了金屬長效防腐技術，也收到了較好的效果，但未予以推廣，直到1995年，國內多所高校才展開金屬長效防腐研究。伴隨著國民經(jīng)濟的快速增長，以及我國年產(chǎn)3.5億噸左右的鋼產(chǎn)量，鋼結構在全國得到普遍使用，多種長效防腐技術在工程實踐中的使用也與日俱增。
3.3長效防腐技術理論應用現(xiàn)狀 金屬防腐主要用于要求保護20年以上壽命的鋼結構。就目前經(jīng)驗來講，達到20年以上防護壽命，噴純鋅時需涂層厚達150μm左右，噴純鋁時需120μm左右，增減應依據(jù)鋼結構所在環(huán)境的有害物質含量而定。國外的實踐證明，鋅鋁合金（Zn-Al15）可明顯延長防護期，150μm厚可達35年以上防護壽命。近年來開發(fā)的部分新型涂料，在滿足一定厚度及某些特定環(huán)境下也可達到20年以上的防護效果。典型的涂料長效防腐方案有下列幾種： 方案一 底 漆： 環(huán)氧/無機富鋅底漆75μm中間漆： 環(huán)氧云鐵中間漆125μm面 漆： 丙烯酸聚氨酯面漆80μm方案二 底 漆： 環(huán)氧/無機富鋅底漆75μm面 漆： 炳烯酸聚硅氧烷漆125μm方案三 底 漆： 無機富鋅底漆75μm中間漆： 環(huán)氧中間漆100μm面 漆： 氟樹酯面漆40μm方案四 底 漆： Fz-1鱗片型水性無機富鋅漆60μm中間漆： 881-Z01環(huán)氧云鐵中間漆80μm面 漆： 881-Y12氟碳面漆80μm以上四種方案是近幾年來國內外大型橋梁鋼結構外部涂裝較常用的，涂層的厚度在不同環(huán)境中有所變化。
3.4就鋼結構內部而言，防腐也是相當重要的。近幾年鋼箱梁內部防腐有的采用T-541Q無溶劑環(huán)氧厚漿涂料，其優(yōu)點是無溶劑揮發(fā)后留下的微孔，涂膜光滑致密，附著力強（大于30MPa），壽命長（20年以上）。對鋼結構內部有較大縫隙處則采用HM106密封劑，其優(yōu)良的耐水、油、大氣老化及其極高的粘結穩(wěn)定性能，可使其壽命長至20～30年。也有采用“銹敵”及XBC06系列的，這種涂料的最大優(yōu)點是免除銹，箱梁內部因為焊接工序及構造原因，總存在相當多的部位除銹工作非常難，采用免除銹類防腐涂料省時、省力，且該類涂料為水性溶劑，有害揮發(fā)物含量很低。箱梁內防腐也有采用環(huán)氧富鋅涂料或其他涂料涂裝的，其防腐效果也滿足要求，但除銹工作難，尤其是對內部結構復雜的鋼結構，施工質量往往難以控制，很難達到預期的防腐壽命。 各國防腐專家在不斷尋求延長鋼結構防腐年限的措施，其目標是期望與鋼結構同壽命。從目前研究成果看，長效防腐的關鍵是一方面要阻隔有害介質盡量少到達鋼鐵表面；另方面是通過鋼鐵表面外設置的多層保護物先犧牲，起到保護作用。試驗已證明高含鋁量的鋅鋁合金或鋅鋁偽合金涂層優(yōu)于長效涂料類、鍍鋅、噴純鋅、鋁涂層。研究認為鋅鋁合金中鋁重量比例到30%時可取得較好的防腐效果，但由于技術的原因，目前還沒有這一比值的鋅鋁合金問世。英美公司目前生產(chǎn)有Zn-Al15合金絲，鋁含量已達到15%；北京有色金屬研究院將鋅鋁以粉末狀裝入管狀電極內，使其在電流產(chǎn)生的高溫下溶化后噴涂至鋼鐵表面，以達防腐目的。其中鋁含量已達20%；上海潤馨化工技術發(fā)展公司將鋅鋁分別制成同徑金屬絲，利用單槍雙絲等速溶化的技術將金屬噴至鋼鐵表面作為防腐涂層。含鋁量已高達27.4%。英美公司材料形成的涂層為鋅鋁合金，中國公司材料形成的涂層只有少量鋅鋁合金，絕大多數(shù)則以偽合金形式存在涂層中。但加速腐蝕試驗證明偽合金同樣具有優(yōu)良的防腐效果。其原理是鋁微粒在混合體涂層間構成網(wǎng)狀骨架，阻止了先于鋁腐蝕的鋅的腐蝕生成物（ZnCl2、ZnO）的聚積和流失，反過來鋅的腐蝕生成物把鋁的網(wǎng)狀構架中的小孔堵塞，且鋁的氧化物（Al2O3）比較致密，這兩種因素使將進入涂層更深層次的介質大大減少，腐蝕鋼鐵的速度自然就小多了。 3.5通過總結試驗和實踐方面的資料，可得出與橋梁同壽命的長效防腐方案： 第一層設置鋅鋁偽合金或鋅鋁合金涂層厚250μm以上，其作用是涂層作為犧牲金屬提供電子，以保護鋼鐵不被腐蝕。第二層是封孔和防化學腐蝕的中間層。金屬涂層也是多孔體，封堵孔隙是為了阻隔有害介質進入與鋼鐵接觸，避免電化學腐蝕的發(fā)生。第三層設置外封層。其目的是保護封孔層，延長其衰老退化的時間，當然該層材質具有一定抵抗紫外線、惡劣環(huán)境能力時更好。第三層的另一作用還在于裝飾作用，可讓結構物在所處環(huán)境中展現(xiàn)設計者所希望的風采。 這種防腐措施已在多項工程實踐中使用，人們希望看到100年以上的防腐壽命。
3.6長效防腐技術工程操作的重要性 無論涂料涂裝或金屬涂裝，除銹、涂裝的時機和質量非常重要。涂層性能的質量不僅取決于涂層產(chǎn)品的質量，更大程度上取決于涂裝施工的工藝方法、作業(yè)環(huán)境、施工設備、工作人員的操作水平和責任心等。 涂料施工要求滿足溫度區(qū)間在4～40℃、相對濕度85%以內、構件表面無灰塵及污染物以及除銹滿足一定標準等條件；金屬熱噴涂施工要滿足除銹達標、環(huán)境氣溫5℃以上、金屬基體溫度高于大氣露點3℃以上、除銹與噴涂間的時間間隔限制（晴天不超12h，潮濕或含濃霧環(huán)境不超2h）等條件。
3.7一般情況下，施工后要求檢查涂層外觀、涂層厚、粘結強度、耐腐蝕性及密度等指標，限于我國工程技術人員的知識水平、業(yè)務操作能力以及檢測設備的限制，涂裝質量常常處于失控狀態(tài)。 我國工程建設市場目前情況下，原有的國有企業(yè)的管理模式不復存在，企業(yè)在利潤的追逐和市場的無序競爭條件下，多數(shù)企業(yè)大量使用廉價的農(nóng)民工，且不進行技術培訓或只進行一些簡單的操作培訓后就把一些重、臟、累并對人體有害的艱苦工作和一些需一定技術水平的工作安排他們去干，建設資金不到位和工資拖欠，工程質量監(jiān)管力度不夠，工作責任心不強等，無法保證質量達到期望標準，監(jiān)理的質量檢驗工作多數(shù)也是流于形式。尤其是多年來的政績工程、獻禮工程、限時竣工工程以及分包工程監(jiān)管缺失（重分包報價，不重質量）等因素的影響，質量問題比比皆是。歐美熱噴涂防腐，隔50余年后檢查狀況良好，我們用同樣的防腐措施，竟有不到兩年就出現(xiàn)銹跡斑斑的結構。涂料防腐也存在同樣問題，近年來施工的防腐工程總比此前施工的及國外的工程效果要差得多。施工單位的自檢記錄和監(jiān)理的檢查記錄也許清楚地記載著合格或優(yōu)良的結論，但早早出現(xiàn)的銹蝕痕跡卻無情地反映了工程建設過程中的眾多失誤。
3.8問題出在哪兒呢？目前的建設市場管理某些方面的失缺恐怕是一個重要因素。 在國家大政方針指導下，工程建設實行招投標制度，建設方重視投標者的資質。資質高者綜合實力強是不容置疑的，但令人始料不及的是高資質大企業(yè)因中標率多而導致人力資源缺乏，常將獲得的項目安排經(jīng)驗不足的管理人員管理，加上施工隊伍技術水平低、工程經(jīng)驗少、大量使用臨時農(nóng)民工、低于成本價中標、不合理工期、資金不到位等因素，尤其部分市政工程，干擾因素多，前期準備工作不足，倉促上馬，實際施工時間常低于不合理的承包時間，分包工程給某些低技能的隊伍，此種條件下完成的工程，質量自然難以滿足要求。這種情況下，建設方可能會礙于面子，政績考核、干部升遷等原因，驗收先給予合格的結論，指出一些需要返修或修補的工作讓施工方繼續(xù)完成。由于驗收工作是在工程運營一年后進行的，施工方會因許多方面的不便會有多數(shù)該修補的工作無法完成，加上監(jiān)管不力，部分修補工作就會不了了之。
總之，導致防腐工程質量低劣的因素很多，但只要實行領導負責制、落實各負其責；克服政績工程、限時工程；樹立質量第一的思想。按照《城市橋梁養(yǎng)護技術規(guī)范》等嚴把工程質量關。才能創(chuàng)造出與橋梁同壽命的長效防腐工程，延長其衰老退化的時間；在創(chuàng)建環(huán)保資源節(jié)約型社會的方針指引下，使投資額巨大的防腐工程滿足規(guī)定的質量要求，創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟效益和社會效益。
