橋梁防腐徐浦大橋鋼箱梁涂層翻新工藝
2010-12-20
介紹了徐浦大橋原涂層配套及維修前銹蝕等級、使用壽命在30年以上的新涂裝配套方案設計、翻新工程的工藝參數(shù)和技術標準。
1、工程概況
徐浦大橋是黃浦江上的第3座大橋，其中鋼箱梁約1.1萬t，總面積約68000m2，1997年1月涂裝施工結(jié)束。按業(yè)主和設計單位的指定。
根據(jù)國際標準ISO12944-2中大氣腐蝕環(huán)境分類的定義，徐浦大橋鋼箱梁處于c3（中等）的腐蝕環(huán)境。其中，暴露1a后，單位面積上低碳鋼及鋅層質(zhì)量的損失量（或厚度損失量）是涂裝設計的依據(jù)。ISO12944-5對腐蝕環(huán)境、使用壽命和漆膜厚度作了系統(tǒng)規(guī)定。
標準中提出涂裝配套系統(tǒng)的高耐久性的使用壽命為大于15a。在ISO12944標準中特別強調(diào)了預期的耐久性與涂裝設計使用壽命是同一概念。耐久性不是商業(yè)上的擔保時間，而是指配套涂層達到第一次大修前的時間，此時涂層狀態(tài)應達到IS04628-3的Ri級，銹蝕面積為1%。
根據(jù)標準，徐浦大橋的涂層應具有大于15a的使用壽命。但在2004年，我公司有關人員在例行檢查中發(fā)現(xiàn)涂層銹蝕等級已達到IS04628-3的Ri3級，銹蝕面積已達到了1%。根據(jù)國內(nèi)外先進經(jīng)驗，此時維修是最經(jīng)濟有效的階段。2004年3月，上海浦江橋隧運營管理有限公司決定對徐浦大橋鋼箱梁中的2萬m2進行大修。
涂層配套方案及規(guī)定膜厚的設計大橋涂層在使用期間內(nèi)若頻繁地進行維修保養(yǎng)，不僅會花費巨額維護費用，更重要的是涂層維修施工中噴砂、打磨等作業(yè)會嚴重影響正常的交通安全，且對環(huán)境保護不利。因此有效保護大橋鋼構件，延長涂層使用壽命是涂裝設計的主要內(nèi)容。
鋅層含量以97%計算，100μm鋅層防護年限為：
2、防腐方法
對這種多孔金屬噴涂層，在噴涂以后，選用合適的封閉涂料進行封閉處理，或者在封閉后再進行涂裝，形成復合防護體系，可大大提高防腐性能，達到長久防護的目的。荷蘭熱鍍研究所通過20余年的研究指出，噴涂Al、Zn以后，進行封閉處理，其耐蝕性可比單一噴金屬涂層和單一封閉涂層的壽命的總和高出50%～120%，此謂之協(xié)同效。
如100μm鋅層的防腐年限為18a，110μm重防腐涂料的防腐年限至少2a，按協(xié)同效應，總的防護壽命至少為：
?。?8+2）X150%=30a
對照方案可達到30a的使用壽命。30a后涂層的銹蝕等級為ISO4628-3的Ri3級，銹蝕面積為1%。
3、涂裝工藝及相應的技術參數(shù)
高質(zhì)量的涂層配套需用先進的涂裝工藝技術來實施，因此設計了涂裝工藝流程和相應的技術參數(shù)。
帶舊漆膜鋼箱梁→去除松動漆皮、局部污垢、焊縫打磨除銹→噴砂處理→用有機溶劑擦拭局部油斑→干燥壓縮空氣吹盡灰塵及砂粒等→電弧噴鋅或鋅鋁層→噴涂封閉漆→噴涂二道面漆→檢查質(zhì)量→修補→交驗。
3.1噴砂
在鋼箱梁翻新工藝中，噴砂處理是其中重要的一環(huán)，經(jīng)過噴砂處理使鋼箱梁表面具有一定的清潔度和粗糙度，提高了鋼材表面的活化度和表面積，也就增強了金屬涂層與鋼材的結(jié)合力，改善了鋅及鋅鋁涂層內(nèi)的應力分布狀態(tài)。
3.1.1噴砂設備
本工程中采用北京某涂裝機械制造廠生產(chǎn)的型號為JLR-1D型自動循環(huán)回收式噴砂機。該機屬環(huán)保型產(chǎn)品，噴砂后的粉塵由該機自動吸除，碎磨料及粉塵等不會外溢或落人黃浦江中。同時，在施工現(xiàn)場還采用了三防布圍遮，以形成相對封閉的空間，不影響周邊環(huán)境。
3.1.2磨料
針對循環(huán)式噴吸砂機的工作特性，廠商指定必須采用棱角鋼砂或棕剛玉砂。
經(jīng)過上述技術、經(jīng)濟指標的分析，采用棱角鋼砂作為磨料，磨料的特性分析見表3。由于粗糙度的大小主要決定于磨料的顆粒直徑；徐浦大橋涂層總厚度為200μm左右；為了保證涂層的附著力，噴砂后鋼材表面粗糙度Rz為70μm左右；因此合適的棱角鋼砂粒度應為G14～G18，顆粒直徑1.0～1.7cm。磨料必須無油、無塵、無返潮結(jié)塊現(xiàn)象。
3.1.3噴砂工藝
要保證壓縮空氣的質(zhì)量，特別在供氣管線上要安裝有效的油水分離器，使壓縮空氣清潔干燥、無油、無其他污物。在相對濕度（RH）小于85%的條件下，噴砂后的鋼材表面在4h內(nèi)需噴涂鋅或鋅鋁合金。
3.2電弧噴鋅
近幾年來，金屬噴涂層廣泛用于鋼結(jié)構橋梁的新建、重建或表面維修。金屬熱噴涂主要有噴鋅、噴鋁和噴鋅鋁合金等。在對鋼鐵的保護方面，鋅層的陰極保護作用突出；鋁層的耐蝕性能好；鋅鋁合金層有更強的保護作用，它的電位接近鋅，而耐蝕速度接近鋁，綜合性能優(yōu)于鋅、鋁層。這就是徐浦大橋選用噴鋅和噴鋅鋁合金的理由。
3.2.1鋅鋁絲
絲材質(zhì)量直接決定鍍層質(zhì)量。特別是絲材不純會直接導致金屬涂層腐蝕速率增大。耐蝕性能下降。
停止使用時，鋅鋁絲需覆蓋、包扎，以保證清潔。稍有沾污，應用清潔抹布擦凈。
3.2.2熱噴涂設備
工程中采用了日本產(chǎn)AS-400大功率電弧噴涂機，德國制造的SRC-15空壓機和SSD10AA空氣冷干機組成的整體熱噴涂系統(tǒng)。其中，日本產(chǎn)的DA1HENAS-400電弧噴涂機具有下列特點。
噴涂電源。采用了先進的雙向電源控制回路設備，高效耐用，而且使電流穩(wěn)定。
送絲裝置。研制的新型同步雙推和四輪驅(qū)動送絲裝置，能準確供給鋅鋁等軟質(zhì)細絲，且電弧穩(wěn)定。同時，該機有先進的遙控接受、電纜端口接送系統(tǒng)，取代常規(guī)的溶絲圈交換技術，使噴搶裝置能保證絲材相交點始終位于霧化氣流中心，電弧燃燒穩(wěn)定。
噴槍的輕量化。槍體質(zhì)量僅為1.5kg，噴槍與電纜質(zhì)量小，減輕了操作工人的勞動強度。
高防塵性能。電源及送絲裝置均使用了防塵保護系統(tǒng)。
3.2.3技術條件
電弧噴涂熱源。電弧噴涂時的功率是由電弧電壓和電弧電流決定的，因此也就決定了熱源參數(shù)。在適當?shù)碾娀‰妷悍秶鷥?nèi)，噴涂過程穩(wěn)定，粒子射流集中，尺寸均勻細??；過低則熔化熱量不足，短路現(xiàn)象頻繁，電弧不穩(wěn)定；過高則射流角度增大，霧化效果差。雖然AS400噴涂機輸出電壓范圍可控制在14～36V范圍，但在徐浦大橋電弧噴涂工藝中，一般控制在20～24V，效果最好。
噴涂工作電流決定著噴涂生產(chǎn)效率，加大工作電流可提高生產(chǎn)效率，并可減少鍍層的氣孔率與氧化物，在實際工程中，采用的電流為200A，對保證涂層質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率十分有利。
霧化技術參數(shù)的控制。在工程中，采用了壓縮空氣作為氣源，壓縮空氣的壓力和流量對顆粒的細化、加速以及鍍層的質(zhì)量有明顯的影響。實踐證明，噴涂中，工作氣壓控制在0.69MPa、流量為1.3m3/min最為適宜。
操作工藝參數(shù)的控制。
環(huán)境及其他條件控制。環(huán)境條件中的露點和濕度也是影響鍍層質(zhì)量的主要因素，雨天、霧天應停止施工；在相對濕度大于85%、鋼板表面溫度小于露點溫度3時，應停止鋅鋁層的噴涂，同時也應保證壓縮空氣無油、無水。
3.3鋅、鋅鋁金屬涂層的封閉處理
常規(guī)電弧噴涂層的孔隙率為3%～5%；涂層為層狀堆積結(jié)構，且表面粗糙；腐蝕介質(zhì)會通過這些孔隙滲入鋼鐵基體而發(fā)生點化學反應，導致涂層失效，因此必須對鋅、鋅鋁涂層進行封閉處理。
3.3.1封閉劑的選擇
封閉劑必須具有下列性能：
?、僮銐虻臐B透性；
②與鋅或鋅鋁涂層間有較高的結(jié)合強度；
③耐化學或有機溶劑的能力強，與復涂的中層漆、面漆有優(yōu)異的配套性能；
?、苁┕ば阅芰己?。
經(jīng)過經(jīng)濟技術的分析和重點工程的施工實踐，選擇環(huán)氧云鐵中層漆作為鋅、鋅鋁涂層的封閉涂料。
3.3.2封閉涂料的施工要點
鋅及鋅鋁層噴涂后，在相對濕度小于85%的狀態(tài)下，為避免涂層表面沾污，4h內(nèi)進行封閉處理；
封閉前用干燥、清潔的壓縮空氣吹凈表面浮塵；
環(huán)氧云鐵封閉漆的甲、乙組分混合后充分攪拌，用專用稀釋劑稀釋至30%～40%后使用；
針對大橋施工的特點，采用刷涂辦法，操作認真細致，既不漏涂，又保證封閉涂料能充分滲入金屬涂層的孔隙之中。
3.3.3控制封閉漆膜厚的工藝措施
環(huán)氧云鐵封閉漆規(guī)定干膜厚為30μm。太薄了起不到滲透封閉的效果，太厚了影響涂層的附著力。在實際生產(chǎn)中，也很難用濕、干膜檢測儀檢測膜厚。通過封閉涂料的理論涂布量及損耗系數(shù)的計算，以等量面積涂布等量的封閉漆的辦法來控制膜厚，這個工藝措施收到了較好的效果。
3.4面漆的涂裝
3.4.1面漆類型的選擇
為提高涂層的防腐能力，同時又能滿足徐浦大橋鋼箱梁在色澤上的要求，必須噴涂面漆。選擇了與原丙烯酸聚氨酯面漆顏色相同的氯化橡膠面漆，理由是：
?、俾然鹉z面漆系單組分的厚膜型涂料，無熟化期、混合使用期和貯存期的限制；
②氯化橡膠面漆常溫固化，施工方便，可刷、輥涂，有氣噴涂、無氣噴涂；
?、叟c環(huán)氧云鐵封閉漆配套性能良好；
?、苈然鹉z面漆防腐蝕性能優(yōu)異，經(jīng)濟實惠，性價比高。
3.4.2施工要點
結(jié)合實際，采用輥涂辦法，2道達到D.F.T.80μm，在電焊縫和邊角等輥不到的地方，需用刷涂補充；
一定要在環(huán)氧云鐵封閉漆完全固化后才能復涂氯化橡膠面漆；
為保證膜厚，氯化橡膠面漆經(jīng)充分攪拌后，采用專用稀釋劑，稀釋率小于5%。
3.4.3環(huán)境條件控制
在相對濕度（RH）大于85%條件下的雨天、霧天等，應停止施工；
認真進行露點管理，在鋼板表面溫度大于露點溫度3℃時，才能涂裝施工；
在氣溫高于30℃時，為保證氯化橡膠面漆的流平性，亦應停止涂刷。
4、涂裝質(zhì)量的控制與檢驗
質(zhì)量是工程的生命線，因此對徐浦大橋工程中涂裝質(zhì)量控制貫穿在每一個工藝環(huán)節(jié)中。主要掌握的檢驗標準和質(zhì)量管理的辦法有以下幾方面。
4.1噴涂前鋼材表面處理的相關標準
4.1.1清潔度
在GB11373-1989“熱涂金屬件表面預處理通則和GB/t9797-1997”金屬和其他無機覆蓋層、熱噴涂鋅、鋁及其合金“國家標準中規(guī)定，鋼材表面預處理清潔度達到GB8923-88的Sa3級，它的文字定義為：Sa3是指鋼材表面最潔凈的噴射清理級。在不放大的情況下進行觀察時，表面應無可見的污垢，并且無氧化皮、鐵銹、涂料涂層和異物。該表面應具有均勻的金屬色澤。
4.1.2粗糙度
在粗糙度的概念中，采用了IS08503和GB1031-1083標準中的噴砂粗糙度值Rz。它是指波峰到波谷的平均值，上下各取5個點。
施工中，可用IS08503-2的標準樣板進行比較，得出Rz噴砂粗糙度值。也可用E123A型的粗糙度儀，但測點要多，且分布合理。
4.2鋅及鋅鋁合金涂層的質(zhì)量控制
4.2.1涂層的外觀質(zhì)量
鋅及鋅鋁合金的涂層外觀色澤均勻一致；根據(jù)GB9796-9應無漏噴現(xiàn)象；無鼓泡、裂紋、翹皮、粗大熔融粒等宏觀缺陷存在。
4.2.2鋅鋁涂層的厚度檢測
電弧噴涂涂層為非磁性，鋼材基體為磁性，用磁性測厚儀在磁性基體上測量非磁性涂層厚度，測量的方法應按GB/t9793-1997進行，即在10cm×10cm基準面積內(nèi)測量10個點，取其算術平均值作為一次測量厚度值。
在判定膜厚質(zhì)量指標時，可按IS012944標準，即平均膜厚大于規(guī)定膜厚，同時，85%測點的膜厚能達到規(guī)定膜厚的要求；不到規(guī)定膜厚的測點值應能達到規(guī)定膜厚的85%。
4.2.3鋅、鋁涂層與鋼材基體的結(jié)合力
拉開法
在工程開始前，就采用樣板法，進行結(jié)合力的測試。樣板的預處理等級、鋅及鋅鋁合金涂層厚度等工藝條件均需與工程相同。
根據(jù)GB9794-88和GB9796-88標準規(guī)定，對5塊樣板做拉開法試驗。5個試樣的平均結(jié)合強度值不可低于9.8MPa；且任何一個試樣的結(jié)合強度不可低于5.89MPa。
測試結(jié)果符合GB/t8642-88國家標準規(guī)定的結(jié)合強度，達到11.4MPa。
在工地現(xiàn)場，較多的采用劃格法。根據(jù)GB9796-88標準規(guī)定，采用專用劃格刀、粘膠紙。由于鋅、鋅鋁合金涂層膜厚低于200μm，切格區(qū)面積約為15mm×15mm，格距3mm。粘貼紙拉開后，涂層的任何部位都未與鋼鐵剝離，才算合格。
4.2.4耐腐蝕性
150mmx75mm×3mm的試片，在0.5mol/L的鈉溶液中浸泡72h后，涂層無鼓泡、紅銹和剝落現(xiàn)象，符合GB/t9795-88“熱噴涂鋁及鋁合金涂層”標準的要求。
4.2.5孔隙率的檢查
孔隙率要控制在2%左右，簡便的現(xiàn)場檢查方法是：清除噴涂層表面的油污、灰塵，并進行干燥，然后用10g/L鐵氰化鉀或20g/L氯化鈉溶液的試紙覆蓋在噴鍍層上約10min，試紙上出現(xiàn)的藍色斑點不應多于3點/cm2。
4.3封閉漆及面漆漆膜的質(zhì)量檢查
由于環(huán)氧云鐵封閉漆及氯化橡膠面漆同屬鋅鋁涂層的面涂，根據(jù)施工經(jīng)驗，只能是在面漆涂裝后進行。
4.3.1漆膜外觀
漆膜表面平整光滑，無漏噴，無氣孔、針孔、桔皮、流掛等漆膜弊病出現(xiàn)；面漆顏色及光澤度能符合設計要求。
4.3.2涂層結(jié)合力
根據(jù)GB9286-88標準，用劃格法進行附著力測試，用專用刀具和粘膠紙，切割面積6mm×6mm，格距1mm。粘貼后，切割邊緣，完全平滑，無一格脫落即結(jié)合力為0級。
4.3.3涂層厚度的檢測
在工程實踐中，檢測出來涂層的總厚度，減去鋅、鋁涂層的厚度即為重防腐涂料的涂層厚度。仍按IS012944國際標準的有關規(guī)定，即平均膜厚大于規(guī)定膜厚，同時以2個85%來判斷。
