淺析各種涂層在橋梁纜索上的應(yīng)用.doc

淺析各種涂層在橋梁纜索上的應(yīng)用李權(quán)，金萬平，楊少軍(重慶萬橋交通科技發(fā)展有限公司，重慶 400047)摘 要：目前，國內(nèi)外橋梁纜索用鋼絲、鋼絞線以及錨具等的各種防腐涂層應(yīng)用側(cè)重方向不同，采取的方法主要是跟蹤研究、跟蹤應(yīng)用?，F(xiàn)對(duì)近年橋梁纜索中所應(yīng)用各種涂層的基本概念、工藝特點(diǎn)和應(yīng)用情況進(jìn)行淺析，供橋梁工程技術(shù)人員參考。關(guān)鍵詞：各種涂層；橋梁纜索；應(yīng)用文章編號(hào)：1009-6477（2010）2-0000-00 中圖分類號(hào)：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：BAnalysis of a Variety of Coating Applications on Bridge CableLI Quan JIN Wanping YANG ShaojunAbstract: At present, steel wire ropes, steel strand and the anchor use the various anti-corrosion coating in the bridge both at home and abroad, It is taken by follow-up study to track the application. We list the application of various coating on bridge cable in recent years, such as the basic concepts, characteristics and application of technology, bridge engineers can reference and understand it by analyzing.Key words: all kinds of coating; bridge cable; application.在21世紀(jì)，隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，對(duì)橋用拉索也提出了更高要求，斜拉索的未來發(fā)展方向是輕質(zhì)、高強(qiáng)、密封防腐性能好及操作簡便。目前我國斜拉橋應(yīng)用較多的是平行鋼絲斜拉索，平行鋼絲斜拉索的制造和應(yīng)用在國內(nèi)約有20多年的歷史,設(shè)計(jì)拉索的使用壽命最初要求能夠保證30年，但一些斜拉橋因斜拉索防腐問題，運(yùn)行僅15年左右就出現(xiàn)斜拉索失效或存在隱患，不得不實(shí)施換索。斜拉索是斜拉橋的基本命脈構(gòu)件，由于大跨度斜拉橋增多，長、大規(guī)格斜拉索大量使用，而其換索難，經(jīng)濟(jì)成本較高，因此對(duì)拉索的防腐蝕性能就提出了更高要求。索體鋼絲、鋼絞線和錨具是制造斜拉索的最基本原材料，鋼絲、鋼絞線和錨具總是在有腐蝕介質(zhì)的條件下服役，隔離（或減緩）鋼基的介質(zhì)腐蝕是斜拉索防腐的關(guān)鍵。因此，一些鋼絲生產(chǎn)廠家、斜拉索生產(chǎn)企業(yè)和科研院所不僅加強(qiáng)拉索外部防護(hù)（HDPE等防護(hù)），同時(shí)也積極進(jìn)行橋梁纜索中各種涂層的研究創(chuàng)新和生產(chǎn)應(yīng)用。1 橋梁纜索用表面涂層簡述收稿日期：2009-07-15作者簡介：李權(quán)（1984-），男，江西省豐城市人，碩士。1.1 金屬涂層 金屬涂層是金屬產(chǎn)品的主要防腐涂層，在橋梁纜索上的應(yīng)用非常廣泛，并有多項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)，包括GB/T171012008橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 186842002鋅鉻涂層技術(shù)條件。橋梁纜索上的金屬涂層主要指熱鍍鋅涂層、鋅鉻涂層、Zn-Al-Re涂層。其中熱鍍鋅涂層應(yīng)用時(shí)間較長，技術(shù)也較成熟，其余2種涂層是最近興起的有望代替熱鍍鋅涂層的具有更好防腐性能的涂層，具有極大的應(yīng)用前景。1.1.1 熱鍍鋅涂層熱鍍鋅是由較古老的熱鍍方法發(fā)展而來，自1836年法國把熱鍍鋅應(yīng)用于工業(yè)以來，已經(jīng)有140年的歷史。然而，熱鍍鋅工業(yè)是近30年來伴隨冷軋帶鋼的飛速發(fā)展而得到了大規(guī)模發(fā)展。橋梁纜索用高強(qiáng)度熱鍍鋅鋼絲的生產(chǎn)工藝流程為盤條復(fù)驗(yàn)表面預(yù)處理拉絲熱鍍鋅穩(wěn)定化檢驗(yàn)入庫。橋梁纜索用鋼絲盤條經(jīng)幾道冷拉后，晶格發(fā)生變形，然后進(jìn)行熱鍍鋅，熱鍍鋅溫度在450460之間，并由自動(dòng)溫控裝置顯示鋅的溫度。隨后穩(wěn)定化處理在傳感器控制的橫張力F下通過短時(shí)間的低溫退火，溫度由中頻感應(yīng)加熱并控制在350450之間，以消除拉拔產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和達(dá)到低松弛的目的。熱鍍鋅具有生產(chǎn)成本低、工藝簡單、鍍層牢固、外觀漂亮、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，是一種歷史最為悠久的鍍層防腐方法。我國于2008年頒布了最新的GBT 171012008橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲標(biāo)準(zhǔn)1。1.1.2 鋅鉻涂層鋅鉻涂層技術(shù)起源于美國。1963 年，美國大洋公司為了解決冬季汽車行駛時(shí)，汽車底盤零件遇到含鹽分的雨雪發(fā)生銹蝕，威脅車輛運(yùn)行安全而發(fā)明了這種金屬表面防護(hù)技術(shù)。1972年，美國人申請(qǐng)了第1個(gè)鋅鉻涂層技術(shù)專利，從此,鋅鉻涂層技術(shù)作為一種金屬表面防腐處理方法開始得到應(yīng)用。該技術(shù)已先后在美國、歐洲、日本及我國獲得專利權(quán)。鋅鉻涂層是將水基鋅鉻涂料浸涂、刷涂或噴涂于鋼絲或錨具表面，在300左右的溫度下烘烤，經(jīng)烘烤形成以磷片狀鋅和鋅的鉻酸鹽為主要成分的無機(jī)防腐蝕涂層。鋅鉻涂層的基本色調(diào)呈銀灰色，經(jīng)改性也可以獲得其他顏色，如黑色等。鋅鉻涂層是一種高耐蝕涂層，生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境基本無污染，我國于2002年頒布了GB/T 186842002鋅鉻涂層技術(shù)條件2。1.1.3 Zn-5%Al-RE合金鍍層（Galfan）鋅-鋁合金,是國際上推廣的高耐蝕金屬鍍層，美國伯利恒鋼公司于1972年開發(fā)了含鋁55的金屬鍍層（稱為Gelvalume或Zincalume），由于其熔點(diǎn)高、工藝裝備較復(fù)雜，起初主要用于鋼板，在鋼絲和鋼絲繩的應(yīng)用不多。直到1982年，國際鉛鋅組織(ILZRO)限供含鋁5的合金鍍層（Galfan）生產(chǎn)許可證，在1984年迅速發(fā)展。研究表明，Galfan是Zn-Al的共晶合金，能在熱鍍鋅作業(yè)線上稍加改造便可投入生產(chǎn)，具有良好的耐蝕性、明顯的鍍層粘附性、極佳的可塑性和可拉拔性能,由此在橋梁纜索用鋼絲上得到了迅速的推廣應(yīng)用。鋅鋁合金鍍層在國際上具有成熟和穩(wěn)定的工裝技術(shù)，國內(nèi)在預(yù)應(yīng)力構(gòu)件及橋梁纜索上的應(yīng)用開發(fā)還處于起步階段3-4。Zn-5%Al-RE合金鍍層既有鋁元素把鋼基與環(huán)境分隔的屏障保護(hù)作用，又有鋅元素優(yōu)異的電化學(xué)防護(hù)性能，在大氣中的抗蝕能力是同厚度熱鍍鋅層的23倍，其加工成型性、涂掛性優(yōu)于熱鍍鋅層。這種合金的熔點(diǎn)只有382,比鋅的熔點(diǎn)低37.5，熱鍍鋅溫度在420450之間，較鋼絲的熱鍍鋅能耗低,且可保持有鍍鋅鋼絲同樣的力學(xué)性能，因此是取代鍍鋅鋼絲及其制品的理想產(chǎn)品，我國于2000年頒布了YB/T 1802000鋼芯鋁絞線用鋅-5%鋁-稀土合金鍍層鋼絲，等效于美國ASTM A 855 M制訂的鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)YB/T 1792000鋅-5%鋁-稀土合金鍍層鋼絞線，為鋅-5%鋁-稀土合金鍍層鋼絞線在橋梁纜索上的應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)，并為產(chǎn)品質(zhì)量提供了技術(shù)保障。1.2 有機(jī)混合物（涂料）涂層有機(jī)混合物俗稱涂料，一般由成膜物質(zhì)、顏料、溶劑和助劑等組成，用來保護(hù)、裝飾物料表面。如涂料選擇合適，還可使金屬件表面得到優(yōu)良的機(jī)械性能，如防銹抗蝕、堅(jiān)硬耐磨等優(yōu)點(diǎn)，目前已較多用于橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線。1.2.1 涂料種類涂料有油脂涂料、天然樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等10多種，纜索中用環(huán)氧樹脂的較多。1.2.2 涂料噴涂工藝方法涂料的品種、性能和固化條件不同，噴涂的工藝、方法也不同，可按實(shí)際情況進(jìn)行選擇。噴涂的方法有手動(dòng)、自動(dòng)、靜電、電泳等多種方法。通常為使涂層性能優(yōu)良、堅(jiān)硬、耐磨，必須待其充分干燥后使用。涂層干燥按涂料本身性質(zhì)分物理干燥和化學(xué)干燥。物理干燥指溶劑揮發(fā)和熔融固化干燥，化學(xué)干干指氧化、熱聚合、催化聚合、輻射聚合干燥。為快速干燥，常選用溶劑揮發(fā)型涂料或熱固化涂料，通過自然干燥或簡單烘干工藝就能達(dá)到理想效果。1.3 鍍鈦銀涂層我國是鋅資源的匱乏國，價(jià)格受國際市場(chǎng)左右。近年來由于鋅價(jià)不斷暴漲，為了降低成本和提高鍍層質(zhì)量，國內(nèi)研制出了一種新涂層鍍鈦銀涂層。鍍鈦銀涂層是以高分子材料為主體，以有機(jī)溶劑聚合物和有機(jī)顏料、無機(jī)顏料及各種助劑和溶劑配合，其具有良好的防腐性能，制造穩(wěn)定。2 橋梁纜索用表面涂層分析國內(nèi)外橋梁纜索(鋼絲、鋼絞線、錨具等)表面涂層以熱鍍鋅保護(hù)為主流，隨著一些新材料、新工藝的不斷發(fā)展，相繼出現(xiàn)了鋅鋁合金、鍍鈦銀等好的防護(hù)技術(shù)，同時(shí)環(huán)氧鋼絲、環(huán)氧鋼絞線也步入工程試用階段。各種涂層的應(yīng)用實(shí)例如表1所示。表1 各種涂層的應(yīng)用鍍層名稱應(yīng)用熱鍍鋅涂層絕大多數(shù)平行鋼絲斜拉索用鋼絲鋅鉻涂層河北遷安黃臺(tái)湖橋、沈陽三好橋鋼絞線夾片Zn-Al-RE合金鍍層河海大橋預(yù)應(yīng)力鋼絲有機(jī)混合物涂層安徽肥西青龍橋、盱眙穆高立交橋鋼絞線鍍鈦銀涂層重慶江津觀音巖大橋、重慶武陵山大橋減振器護(hù)套金屬涂層因其歷史悠久、工藝成熟和基本設(shè)備的延續(xù)而在工程上占有很大優(yōu)勢(shì)5，但隨著新技術(shù)的出現(xiàn)這種優(yōu)勢(shì)格局是否會(huì)被完全打破，由于其它橋梁纜索表面涂層還處在研究階段，目前結(jié)果還不明確，以下分別介紹各種涂層及其特點(diǎn)。2.1 熱鍍鋅涂層熱鍍鋅實(shí)際上是一種犧牲陽極的陰極保護(hù)法，在腐蝕介質(zhì)中，鋅原子失去電子變?yōu)殛栯x子而發(fā)生腐蝕，從而使作為陰極的鋼絲受到保護(hù)。熱鍍鋅一般采用熱浸鍍鋅工藝，在熱浸鍍鋅工藝過程中，熔融的鋅充分浸入經(jīng)酸洗或噴砂處理的鋼絲表面，并與基體形成鋅鐵合金層覆蓋于整個(gè)鋼絲表面，鍍層自內(nèi)向外分別由鋅鐵合金層、過渡層和純鋅鍍層組成6-7。這種方法的特點(diǎn)是：1）歷史悠久、結(jié)構(gòu)設(shè)備簡單、工藝成熟、造價(jià)較低，成品內(nèi)力調(diào)整簡便。2）鍍層有一定韌性、附著力強(qiáng)，鍍層厚度較均勻。3）需在較高溫度條件下才能使鋅與鋼絞線或鋼絲表面熔為一體，致使鋼絞線或鋼絲材料強(qiáng)度降低。4）是犧牲陽極保護(hù)法，可能產(chǎn)生氫脆而加速破裂，尤其在不含氧的非氧化性酸環(huán)境中容易發(fā)生。5）防銹、防腐蝕能力不強(qiáng)，特別是耐酸蝕能力極弱，一旦發(fā)生銹蝕就不能補(bǔ)鋅，重新涂漆附著力很差。6）顏色單一，不能充分滿足用戶顏色多樣化要求，而且此工藝對(duì)環(huán)境會(huì)造成極大污染。2.2 鋅鉻涂層達(dá)克羅（DACROMETR）又稱鋅鉻膜、達(dá)克銹、達(dá)克曼等，在已發(fā)布的我國有關(guān)達(dá)克羅的標(biāo)準(zhǔn)中稱為“鋅鉻涂層”(Zinc/Chromate Coatings)。達(dá)克羅技術(shù)是一種類似電鍍鋅的金屬涂層處理技術(shù)，與電鍍層相比具有以下特點(diǎn)2：1）外觀為均勻的銀灰色,涂層中含有80%的薄鋅片和鋁片,其余為鉻酸鹽，具有極強(qiáng)的抗腐蝕性，比電鍍鋅提高710 倍。2）材料表面處理后無氫脆，特別適用于高強(qiáng)度受力件。3）具有高耐熱性、高附著性、高耐氣候性、高耐化學(xué)品穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。4）采用了閉路循環(huán)的工作方式，與電鍍相比，生產(chǎn)過程中杜絕了廢酸、廢堿和含鋅、鉻等金屬離子污水的產(chǎn)生。5）具有良好的工藝配套性，可在涂層表面進(jìn)行粉末靜電噴涂。靜電噴漆和電泳涂漆等形成復(fù)合涂層，既可大大提高金屬表面的抗防腐性,又可滿足各種產(chǎn)品的表觀裝飾性。6）鍍層厚度薄，不易控制，可能會(huì)產(chǎn)生一定比例的漏鍍現(xiàn)象。此工藝在國外已經(jīng)得到極為廣泛的應(yīng)用，涉足汽車、土木建筑、電力、化工、道路、橋梁、隧道、軍工等眾多領(lǐng)域。它不但淘汰了機(jī)械鍍鋅工藝，目前正競(jìng)爭(zhēng)取代高強(qiáng)度物料的電鍍鋅工藝，而且熱浸鋅工藝也有被其淘汰的可能行。橋梁錨具涂層現(xiàn)在多采用此工藝。由于該涂層較薄，不影響錨具螺紋的配合，無氫脆現(xiàn)象，具有極好的滲透性以及高防腐性能，使拉索錨具的防腐壽命為普通拉索錨具的67倍。2.3 Zn-5%Al-RE合金鍍層Zn-5%Al-RE合金鍍層是Zn-Al合金的共晶體，具有較低的熔點(diǎn)。Zn的熔點(diǎn)為419.5，而Zn-5%Al-RE合金鍍層熔點(diǎn)為382。它除兼有Zn和Al的抗蝕優(yōu)點(diǎn)外，還因其合金生成了金屬化合物，且該金屬化合物在顯微狀態(tài)下為富鋁片層和富鋅片層，并呈無規(guī)則排列的取向群體（與鋼的共析組織珠光體相似）結(jié)構(gòu)，從而形成了隔離大氣的堅(jiān)固屏障（物理保護(hù)）和低電極電位的電化學(xué)保護(hù)，使其具有雙重保護(hù)作用。Zn-5%Al-RE合金鍍層特點(diǎn)如下：1）沒有熱鍍鋅時(shí)很厚的鋅鐵合金層，具有良好的可塑性，且鍍層均勻性較好。2）粘結(jié)力性能優(yōu)越。3）鍍層硬度高，鍍層薄，有利于鋼絲與錨具的錨固。4）抗腐蝕能力強(qiáng)，抗腐蝕能力較熱鍍鋅鋼絲提高了12倍。如果采用單浸鍍工藝，鍍層薄，實(shí)際工程使用與熱鍍鋅層防護(hù)年限相當(dāng)，優(yōu)勢(shì)并不明顯，表面存在漏鍍問題；而采用雙浸鍍工藝，可解決單浸鍍存在的問題，但也會(huì)造成鍍鍋中合金成分難控、工藝流程增加、耗費(fèi)高。金屬保護(hù)鍍層是以保護(hù)鋼基不受腐蝕為目的，因此，其抗腐性能優(yōu)劣，就成為鍍層好壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)。Zn-5%Al-RE合金鍍層替代熱鍍鋅層已成為國際上無可爭(zhēng)議的事實(shí)，據(jù)此而出現(xiàn)的許多鋼絲標(biāo)準(zhǔn)和鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)在美、英、德、法、加拿大等國家迅速推廣。2.4 環(huán)氧涂層近幾年，一些鋼絲和鋼絞線有機(jī)混合物（如環(huán)氧防腐）涂料防腐技術(shù)也迅速興起，并有一定的市場(chǎng)前景。雖然橋用有機(jī)混合物涂料用于鋼絲或鋼絞線防腐目前還沒有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)可供參考執(zhí)行，但有機(jī)混合物（如環(huán)氧防腐）涂料防腐技術(shù)的應(yīng)用在部分行業(yè)得到迅速拓展已是不爭(zhēng)的事實(shí)。環(huán)氧涂層具有以下特點(diǎn)8-9：1）采用靜電噴涂或低溫溶涂技術(shù)，對(duì)鋼絞線或鋼絲的性能沒有影響，因此環(huán)氧涂層鋼絞線或鋼絲的疲勞強(qiáng)度不低于裸鋼絞線或鋼絲。2）環(huán)氧噴涂層間具有防止陽極和陰極反應(yīng)的能力，因此這種方法比鍍鋅防腐體系的防腐蝕性強(qiáng)。3）不但可使金屬表面得到優(yōu)良的機(jī)械性能，如防銹抗蝕、堅(jiān)硬耐磨等，而且其噴涂工藝和成本遠(yuǎn)比電鍍、化學(xué)鍍簡單低廉。4）可實(shí)現(xiàn)纜索單絲防護(hù)和整體防護(hù)相結(jié)合。5）由于工藝特殊，如果基材清洗、干燥不好，易造成環(huán)氧局部與基材剝離，其附著力沒有熱浸鍍效果好。2.5 鍍鈦銀涂層鍍鈦銀所使用的原材料包括樹脂、填料、溶劑、助劑，顏料等10。金屬基材經(jīng)傳統(tǒng)的除油、除銹后，擦凈即可泳鍍1層鍍鈦銀底漆，僅需幾秒鐘就可迅速反應(yīng)成膜。這種膜與基材形成一個(gè)整體，泳鍍方式也是多樣化，可噴鍍、刷鍍、浸鍍、淋鍍，510min后即可鍍第2層，獨(dú)特的成膜機(jī)理使第2層牢牢的附著在第1層上。整個(gè)鍍層可烘干，也可自干，整個(gè)鍍層極薄，20m左右可成膜。該涂層具有以下特點(diǎn)：1）耐腐蝕性強(qiáng)，特別是耐酸蝕性超過熱鍍鋅千倍以上，耐鹽霧性超過熱鍍鋅10倍以上2）外觀呈鈦銀金屬光澤，靚麗超過熱鍍鋅，且保光性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熱鍍鋅。3）泳鍍工藝簡便，能耗低，鍍層可自干，也可低溫烘干。4）可在熱鍍鋅上泳鍍，維護(hù)保養(yǎng)工作簡單、便捷。鍍鈦銀涂層已經(jīng)在鎂合金防腐和高速公路護(hù)欄等防腐防銹產(chǎn)品上得到應(yīng)用，在橋梁纜索上的應(yīng)用還處于起步階段。鍍鈦銀涂層具有極強(qiáng)的耐酸蝕和耐鹽霧性能，特別適用于酸雨較嚴(yán)重地區(qū)的城市橋梁纜索等防護(hù)工程。3 結(jié)論目前，橋梁纜索多采用鍍鋅涂層。隨著相關(guān)橋梁纜索技術(shù)的發(fā)展，鍍鋅涂層的技術(shù)局限性也得到越來越深的認(rèn)識(shí)，鍍鋅相對(duì)有限的防腐能力，會(huì)使高強(qiáng)鋼絲的使用性能降低。因此，采用怎樣的涂層，如何提高橋梁纜索用高強(qiáng)鋼絲、鋼絞線及成品拉索的防腐性能和強(qiáng)度等，已成為今后一段時(shí)間內(nèi)橋梁界