浅析各种涂层在桥梁缆索上的应用

浅析各种涂层在桥梁缆索上的应用李权，金万平，杨少军(重庆万桥交通科技发展有限公司，重庆400047)摘要：目前，国内外桥梁缆索用钢丝、钢绞线以及锚具等的各种防腐涂层应用侧重方向不同，采取的方法主要是跟踪研究、跟踪应用。现对近年桥梁缆索中所应用各种涂层的基本概念、工艺特点和应用情况进行浅析，供桥梁工程技术人员参考。关键词：各种涂层；桥梁缆索；应用文章编号：1009-6477（2010）·2-0000-00中图分类号：U448.27文献标识码：BAnalysisofaVarietyofCoatingApplicationsonBridgeCableLIQuanJINWanpingYANGShaojunAbstract:Atpresent,steelwireropes,steelstrandandtheanchorusethevariousanti-corrosioncoatinginthebridgebothathomeandabroad,Itistakenbyfollow-upstudytotracktheapplication.Welisttheapplicationofvariouscoatingonbridgecableinrecentyears,suchasthebasicconcepts,characteristicsandapplicationoftechnology,bridgeengineerscanreferenceandunderstanditbyanalyzing.Keywords:allkindsofcoating;bridgecable;application.在21世纪，随着桥梁技术的发展，对桥用拉索也提出了更高要求，斜拉索的未来发展方向是轻质、高强、密封防腐性能好及操作简便。目前我国斜拉桥应用较多的是平行钢丝斜拉索，平行钢丝斜拉索的制造和应用在国内约有20多年的历史,设计拉索的使用寿命最初要求能够保证30年，但一些斜拉桥因斜拉索防腐问题，运行仅15年左右就出现斜拉索失效或存在隐患，不得不实施换索。斜拉索是斜拉桥的基本命脉构件，由于大跨度斜拉桥增多，长、大规格斜拉索大量使用，而其换索难，经济成本较高，因此对拉索的防腐蚀性能就提出了更高要求。索体钢丝、钢绞线和锚具是制造斜拉索的最基本原材料，钢丝、钢绞线和锚具总是在有腐蚀介质的条件下服役，隔离（或减缓）钢基的介质腐蚀是斜拉索防腐的关键。因此，一些钢丝生产厂家、斜拉索生产企业和科研院所不仅加强拉索外部防护（HDPE等防护），同时也积极进行桥梁缆索中各种涂层的研究创新和生产应用。1桥梁缆索用表面涂层简述1.1金属涂层收稿日期：2009-07-15作者简介：李权（1984-），男，江西省丰城市人，硕士。金属涂层是金属产品的主要防腐涂层，在桥梁缆索上的应用非常广泛，并有多项国家标准，包括GB/T17101—2008《桥梁缆索用热镀锌钢丝标准》和GB/T18684—2002《锌铬涂层技术条件》。桥梁缆索上的金属涂层主要指热镀锌涂层、锌铬涂层、Zn-Al-Re涂层。其中热镀锌涂层应用时间较长，技术也较成熟，其余2种涂层是最近兴起的有望代替热镀锌涂层的具有更好防腐性能的涂层，具有极大的应用前景。1.1.1热镀锌涂层热镀锌是由较古老的热镀方法发展而来，自1836年法国把热镀锌应用于工业以来，已经有140年的历史。然而，热镀锌工业是近30年来伴随冷轧带钢的飞速发展而得到了大规模发展。桥梁缆索用高强度热镀锌钢丝的生产工艺流程为盘条复验→表面预处理→拉丝→热镀锌→稳定化→检验入库。桥梁缆索用钢丝盘条经几道冷拉后，晶格发生变形，然后进行热镀锌，热镀锌温度在450～460℃之间，并由自动温控装置显示锌的温度。随后稳定化处理在传感器控制的横张力F下通过短时间的低温退火，温度由中频感应加热并控制在350～450℃之间，以消除拉拔产生的内应力和达到低松弛的目的。热镀锌具有生产成本低、工艺简单、镀层牢固、外观漂亮、使用寿命长等优点，是一种历史最为悠久的镀层防腐方法。我国于2008年颁布了最新的GB／T17101—2008《桥梁缆索用热镀锌钢丝标准》[1]。1.1.2锌铬涂层锌铬涂层技术起源于美国。1963年，美国大洋公司为了解决冬季汽车行驶时，汽车底盘零件遇到含盐分的雨雪发生锈蚀，威胁车辆运行安全而发明了这种金属表面防护技术。1972年，美国人申请了第1个锌铬涂层技术专利，从此,锌铬涂层技术作为一种金属表面防腐处理方法开始得到应用。该技术已先后在美国、欧洲、日本及我国获得专利权。锌铬涂层是将水基锌铬涂料浸涂、刷涂或喷涂于钢丝或锚具表面，在300℃左右的温度下烘烤，经烘烤形成以磷片状锌和锌的铬酸盐为主要成分的无机防腐蚀涂层。锌铬涂层的基本色调呈银灰色，经改性也可以获得其他颜色，如黑色等。锌铬涂层是一种高耐蚀涂层，生产过程对环境基本无污染，我国于2002年颁布了GB/T18684—2002《锌铬涂层技术条件》[2]。1.1.3Zn-5%Al-RE合金镀层（Galfan）锌-铝合金,是国际上推广的高耐蚀金属镀层，美国伯利恒钢公司于1972年开发了含铝55％的金属镀层（称为Gelvalume或Zincalume），由于其熔点高、工艺装备较复杂，起初主要用于钢板，在钢丝和钢丝绳的应用不多。直到1982年，国际铅锌组织(ILZRO)限供含铝5％的合金镀层（Galfan）生产许可证，在1984年迅速发展。研究表明，Galfan是Zn-Al的共晶合金，能在热镀锌作业线上稍加改造便可投入生产，具有良好的耐蚀性、明显的镀层粘附性、极佳的可塑性和可拉拔性能,由此在桥梁缆索用钢丝上得到了迅速的推广应用。锌铝合金镀层在国际上具有成熟和稳定的工装技术，国内在预应力构件及桥梁缆索上的应用开发还处于起步阶段[3-4]。Zn-5%Al-RE合金镀层既有铝元素把钢基与环境分隔的屏障保护作用，又有锌元素优异的电化学防护性能，在大气中的抗蚀能力是同厚度热镀锌层的2～3倍，其加工成型性、涂挂性优于热镀锌层。这种合金的熔点只有382℃,比锌的熔点低37.5℃，热镀锌温度在420～450℃之间，较钢丝的热镀锌能耗低,且可保持有镀锌钢丝同样的力学性能，因此是取代镀锌钢丝及其制品的理想产品，我国于2000年颁布了YB/T180—2000《钢芯铝绞线用锌-5%铝-稀土合金镀层钢丝》，等效于美国ASTMA855M制订的钢绞线标准YB/T179—2000《锌-5%铝-稀土合金镀层钢绞线》，为锌-5%铝-稀土合金镀层钢绞线在桥梁缆索上的应用提供了技术依据，并为产品质量提供了技术保障。1.2有机混合物（涂料）涂层有机混合物俗称涂料，一般由成膜物质、颜料、溶剂和助剂等组成，用来保护、装饰物料表面。如涂料选择合适，还可使金属件表面得到优良的机械性能，如防锈抗蚀、坚硬耐磨等优点，目前已较多用于桥梁预应力钢丝和钢绞线。1.2.1涂料种类涂料有油脂涂料、天然树脂、环氧树脂、酚醛树脂等10多种，缆索中用环氧树脂的较多。1.2.2涂料喷涂工艺方法涂料的品种、性能和固化条件不同，喷涂的工艺、方法也不同，可按实际情况进行选择。喷涂的方法有手动、自动、静电、电泳等多种方法。通常为使涂层性能优良、坚硬、耐磨，必须待其充分干燥后使用。涂层干燥按涂料本身性质分物理干燥和化学干燥。物理干燥指溶剂挥发和熔融固化干燥，化学干干指氧化、热聚合、催化聚合、辐射聚合干燥。为快速干燥，常选用溶剂挥发型涂料或热固化涂料，通过自然干燥或简单烘干工艺就能达到理想效果。1.3镀钛银涂层我国是锌资源的匮乏国，价格受国际市场左右。近年来由于锌价不断暴涨，为了降低成本和提高镀层质量，国内研制出了一种新涂层——镀钛银涂层。镀钛银涂层是以高分子材料为主体，以有机溶剂聚合物和有机颜料、无机颜料及各种助剂和溶剂配合，其具有良好的防腐性能，制造稳定。2桥梁缆索用表面涂层分析国内外桥梁缆索(钢丝、钢绞线、锚具等)表面涂层以热镀锌保护为主流，随着一些新材料、新工艺的不断发展，相继出现了锌铝合金、镀钛银等好的防护技术，同时环氧钢丝、环氧钢绞线也步入工程试用阶段。各种涂层的应用实例如表1所示。表1各种涂层的应用镀层名称应用热镀锌涂层绝大多数平行钢丝斜拉索用钢丝锌铬涂层河北迁安黄台湖桥、沈阳三好桥钢绞线夹片Zn-Al-RE合金镀层河海大桥预应力钢丝有机混合物涂层安徽肥西青龙桥、盱眙穆高立交桥钢绞线镀钛银涂层重庆江津观音岩大桥、重庆武陵山大桥减振器护套金属涂层因其历史悠久、工艺成熟和基本设备的延续而在工程上占有很大优势[5]，但随着新技术的出现这种优势格局是否会被完全打破，由于其它桥梁缆索表面涂层还处在研究阶段，目前结果还不明确，以下分别介绍各种涂层及其特点。2.1热镀锌涂层热镀锌实际上是一种牺牲阳极的阴极保护法，在腐蚀介质中，锌原子失去电子变为阳离子而发生腐蚀，从而使作为阴极的钢丝受到保护。热镀锌一般采用热浸镀锌工艺，在热浸镀锌工艺过程中，熔融的锌充分浸入经酸洗或喷砂处理的钢丝表面，并与基体形成锌铁合金层覆盖于整个钢丝表面，镀层自内向外分别由锌铁合金层、过渡层和纯锌镀层组成[6-7]。这种方法的特点是：1）历史悠久、结构设备简单、工艺成熟、造价较低，成品内力调整简便。2）镀层有一定韧性、附着力强，镀层厚度较均匀。3）需在较高温度条件下才能使锌与钢绞线或钢丝表面熔为一体，致使钢绞线或钢丝材料强度降低。4）是牺牲阳极保护法，可能产生氢脆而加速破裂，尤其在不含氧的非氧化性酸环境中容易发生。5）防锈、防腐蚀能力不强，特别是耐酸蚀能力极弱，一旦发生锈蚀就不能补锌，重新涂漆附着力很差。6）颜色单一，不能充分满足用户颜色多样化要求，而且此工艺对环境会造成极大污染。2.2锌铬涂层达克罗（DACROMETR）又称锌铬膜、达克锈、达克曼等，在已发布的我国有关达克罗的标准中称为“锌铬涂层”(Zinc/ChromateCoatings)。达克罗技术是一种类似电镀锌的金属涂层处理技术，与电镀层相比具有以下特点[2]：1）外观为均匀的银灰色,涂层中含有80%的薄锌片和铝片,其余为铬酸盐，具有极强的抗腐蚀性，比电镀锌提高7～10倍。2）材料表面处理后无氢脆，特别适用于高强度受力件。3）具有高耐热性、高附着性、高耐气候性、高耐化学品稳定性等优点。4）采用了闭路循环的工作方式，与电镀相比，生产过程中杜绝了废酸、废碱和含锌、铬等金属离子污水的产生。5）具有良好的工艺配套性，可在涂层表面进行粉末静电喷涂。静电喷漆和电泳涂漆等形成复合涂层，既可大大提高金属表面的抗防腐性,又可满足各种产品的表观装饰性。6）镀层厚度薄，不易控制，可能会产生一定比例的漏镀现象。此工艺在国外已经得到极为广泛的应用，涉足汽车、土木建筑、电力、化工、道路、桥梁、隧道、军工等众多领域。它不但淘汰了机械镀锌工艺，目前正竞争取代高强度物料的电镀锌工艺，而且热浸锌工艺也有被其淘汰的可能行。桥梁锚具涂层现在多采用此工艺。由于该涂层较薄，不影响锚具螺纹的配合，无氢脆现象，具有极好的渗透性以及高防腐性能，使拉索锚具的防腐寿命为普通拉索锚具的6～7倍。2.3Zn-5%Al-RE合金镀层Zn-5%Al-RE合金镀层是Zn-Al合金的共晶体，具有较低的熔点。Zn的熔点为419.5℃，而Zn-5%Al-RE合金镀层熔点为382℃。它除兼有Zn和Al的抗蚀优点外，还因其合金生成了金属化合物，且该金属化合物在显微状态下为富铝片层和富锌片层，并呈无规则排列的取向群体（与钢的共析组织珠光体相似）结构，从而形成了隔离大气的坚固屏障（物理保护）和低电极电位的电化学保护，使其具有双重保护作用。Zn-5%Al-RE合金镀层特点如下：1）没有热镀锌时很厚的锌铁合金层，具有良好的可塑性，且镀层均匀性较好。2）粘结力性能优越。3）镀层硬度高，镀层薄，有利于钢丝与锚具的锚固。4）抗腐蚀能力强，抗腐蚀能力较热镀锌钢丝提高了1～2倍。如果采用单浸镀工艺，镀层薄，实际工程使用与热镀锌层防护年限相当，优势并不明显，表面存在漏镀问题；而采用双浸镀工艺，可解决单浸镀存在的问题，但也会造成镀锅中合金成分难控、工艺流程增加、耗费