浅谈钢桥防腐的研究概况

林 浩

（山西省交通科学研究院 新型道路材料国家地方联合工程实验室重交通公路养护材料协同创新平台，山西 太原 030006）

钢桥在使用中暴露在各种恶劣环境下，其结构表面与周围水分、盐分等腐蚀性介质容易发生化学及电化学腐蚀反应，这些腐蚀环境很容易造成钢桥锈蚀，最终导致桥梁失去原有的承载能力。大部分桥梁需横跨江河，常年承受高温、高湿，金属的腐蚀极易发生；南方腐蚀环境多为酸雨和湿热，北方的腐蚀环境多为寒冷和冰盐，这些都极易造成钢桥的腐蚀破坏。钢桥的腐蚀是钢桥的通病，维修难度高，尤其是跨河、跨海以及沟谷等难以接近的地带[1-3]。据统计，钢桥的防腐费用占钢桥建设总费用的10%以上，因此研究钢桥的防腐对钢桥的服役质量和服役寿命至关重要。

人们一直尝试各种金属防腐技术对钢桥加以保护，防止或减缓钢桥腐蚀的发生。其中，金属防腐最有效、最常用的方法是在金属表面涂刷金属防腐涂料，用以隔绝金属基体与腐蚀介质。防腐涂料配方组成主要包括基料、溶剂和颜填料。

金属的腐蚀可以分为干蚀和湿蚀两种方式，干蚀又称化学腐蚀，湿蚀又称电化学腐蚀，常见的金属腐蚀属于电化学腐蚀。电化学腐蚀首先是在金属表面形成原电池，然后原电池放电，产生电化学反应，原电池的阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。根据欧姆定律，金属的腐蚀与金属表面形成原电池的电流大小有关；根据法拉第定律，减少腐蚀电流可以减少金属的腐蚀速度。金属表面原电池电流的大小，取决于金属表面与水、氧气和电解质等因素的隔离程度。金属防腐涂料通过两种方式防止金属腐蚀的发生，第一种是利用涂膜黏附性质来屏蔽腐蚀来源，防止腐蚀源与金属的接触，又称为屏蔽机理；第二种是涂膜中添加活性物质防止金属表面发生电化学反应，又称为电化学保护机理。

1 屏蔽作用防腐涂料的研究概况

屏蔽作用中，根据成膜物质种类可以将金属防腐涂料分为聚氨酯金属防腐涂料、环氧树脂金属防腐涂料、酚醛树脂金属防腐涂料、有机氟金属防腐涂料等。

聚氨酯树脂防腐涂料是以聚氨酯树脂为成膜物质的涂料，成膜后，涂层色泽鲜艳、光滑平整、坚硬而柔韧，有很好的耐酸碱、耐油性，且保色保光性好。其缺点是使用之前必须现用现配，储存时间不宜过长，潮湿环境使用效果不好，毒性和刺激性较大。

环氧树脂金属防腐涂料是以环氧树脂为成膜物质的一类金属防腐涂料。环氧树脂金属防腐涂料优点是涂层坚硬，具有优良的耐磨性、耐水性、耐腐蚀性、耐热性、柔韧性和物理机械性能。不仅如此，环氧树脂金属防腐涂料最突出的优点是电绝缘性和金属附着力。环氧树脂金属防腐涂料因其优异的固化性能和施工方便等特点而被广泛应用。其缺点是紫外线条件下易老化、室外使用龟裂和粉化现象严重。

酚醛树脂防腐涂料的主要成膜物质是酚醛树脂或者改性酚醛树脂。其优点是耐高温、成膜快、施工简单、涂层强度高、光泽好、具有良好的电绝缘性和防腐性。其缺点是涂层容易泛黄、机械性能和耐水性差[4]。

石墨烯在金属的防腐领域具有非常大的应用潜力。石墨烯稳定的sp2杂化结构能在金属材料与活性化学介质间形成阻隔层，阻止扩散和渗透作用。石墨烯作为金属防腐涂层具有好的导电性、导热性、涂层薄、强度高和摩擦性能好等优点。其缺点是施工难度大以及大规模生产难以实现等[5]。

2 电化学保护作用防腐涂料的研究概况

聚苯胺作为新型的金属防腐涂料，具有很多优点。其最主要的优点是结构多样化，实验发现聚苯胺不同的氧化态、还原态，具有不同的结构、颜色和电导率。另外聚苯胺具有优异的电化学性能、光化学性能、环境稳定性和独特的掺杂机制，不仅如此，聚苯胺金属防腐涂料具有独特的抗点蚀和抗划伤等优点。其主要缺点是不溶不熔、对金属的黏结性差、不易施工和大规模生产困难等。聚苯胺金属防腐涂料的作用机理是由于特殊结构的聚苯胺导致金属表面形成一种致密的氧化膜，金属表面划伤后很快又会形成氧化膜，而且，把聚苯胺涂覆在金属一个侧面时，金属的另一个侧面同样形成一层氧化膜，而起到防腐效果，这也很好地解释了聚苯胺金属防腐涂料具有良好的抗划伤、抗孔蚀等优点[6]。研究发现，金属基体/聚苯胺防腐涂料界面能够产生一种特殊的电场，这个电场能够阻碍电子从金属表面向氧化介质传递，从而防止金属基体的腐蚀作用。

目前，人们研究出一种以氧化铁红、氧化锌和磷酸锌为主要防锈填料，以聚合物乳液为基料的水性金属防腐涂料。该涂料具有干燥快、防腐效果好、生产工艺简单、生产效率高、挥发物少、不燃烧、气味低和环境友好等优点。其缺点是不适用于水下和极端潮湿环境的金属防腐。该涂料的作用机理是，涂层中含有大量钝化作用和缓蚀作用的防锈填料，能够产生新的防锈薄膜。这些防锈薄膜的电极电位较高，使金属表面避免成为原电池阳极的可能性；不仅如此，该防锈薄膜上存在的微孔，增加成膜物质的附着力，可以有效阻止锈蚀在膜破坏处向外扩展。当有少量水存在时，填料就会从涂层中解离出来缓蚀功能的离子，通过缓蚀功能抑制金属基体的腐蚀速度[7]。

3 预测金属防腐的发展趋势

3.1 水性金属防腐涂料的发展

传统的金属防腐涂料由于大量使用有机溶剂，导致生产和使用过程中产生大量有害废溶剂、废气，更严重的是，涂层干燥后还会释放有害的挥发性有机物，不仅污染环境，而且影响施工人员和使用人员的身体健康。随着人们环保意识的提高，高性能水性金属防腐涂料越来越受到人们的重视，水性金属防腐涂料用于取代传统的溶剂型防腐涂料，水性金属防腐涂料以水作为溶剂，以其无公害、低污染、环保和安全的优越性，很快被金属防腐涂料市场所认可。

3.2 高固含量金属防腐涂料的发展

固含量高的金属防腐涂料同样也是未来金属防腐涂料的发展趋势，一般防腐涂料的挥发份在40%左右，这些挥发份大部分是有机溶剂，其挥发到大气中，污染环境，影响施工者和使用者的身体健康，更重要的是会对涂料本身造成缺陷，大幅度降低防腐效果。目前国外已经研制出固含量在90%以上的防腐涂料，该涂料具有优异的防腐性能，已经在工业生产中取得大规模应用，尤其是在水电工业上应用，已经取得了十分理想的效果。

3.3 金属材料在特定结构中的替代产品

实际调查显示，各类金属防腐涂料在使用过程中都表现出不同程度的局限性，有效防腐时间短等问题。

本课题组实验研究了碳纤维复合材料的各项力学性能，还研究了在光照、阴冷、水环境、碱环境和酸环境中碳纤维板材的老化问题，这些环境中碳纤维板材表现出优异的力学稳定性和优异的抗老化性能。针对碳纤维复合材料的力学性能和抗老化性能的优点，提出金属材料在极易发生腐蚀的的极端环境，用碳纤维复合材料替代部分金属材料的想法。人们亟须解决的科学难题是碳纤维复合材料的锚固技术，到目前为止，碳纤维复合材料的锚固技术已经有所突破，锚固性能不断提高。所以，在钢桥服役的极端恶劣环境中尝试碳纤维复合材料和金属材料配套使用，不仅可以提高钢桥的整体使用寿命，减少钢桥的维修成本，而且还可以提高交通运输的畅通性、舒适性和安全性。