海洋大气环境下桥梁钢构件连接螺栓防腐技术研究

何晓宇，夏宏杰，徐小梅，李宇芊，侯保荣

海洋大气环境下桥梁钢构件连接螺栓防腐技术研究

何晓宇1，夏宏杰2，徐小梅3，李宇芊1，侯保荣4

（1.浙江数智交院科技股份有限公司，杭州 310030；2.岱山县疏港公路工程建设管理中心，浙江 舟山 316000；3.杭州本创科技有限公司，杭州 310030；4.中国科学院海洋研究所，山东 青岛 266071）

基于桥梁全寿命周期考虑，通过对包覆防腐、涂层防腐、密封胶与涂层联合防腐等常用防腐技术的防腐材料、施工工艺和防腐时效等进行了综合经济对比分析，得出氧化聚合型包覆防腐蚀技术具备防腐蚀材料先进性、施工质量可控性等优点，是桥梁钢构件连接螺栓的最优腐蚀防护方案。

海洋大气环境；桥梁钢构件；连接螺栓；腐蚀；腐蚀防护；氧化聚合型包覆防腐蚀技术

21世纪是海洋的世纪，发达的海洋经济支撑并推动着海洋强国的建立。习近平主席为浙江指明了海洋经济强省的发展目标。随着交通强省、海洋强省建设的深入推进，舟山跨海大桥、杭州湾跨海大桥等一座座海上桥梁鱼跃而起，架起一道道海洋经济大通道，浙江逐渐从桥梁建设数量大向桥梁建设技术强转变，实现陆海贯通区域协调发展。

浙江省沿海地区属北亚热带南缘季风海洋性气候，具备高温、高盐、高湿的腐蚀环境，跨海大桥钢结构及附属设施长期处于海洋严酷腐蚀环境中[1]，相应地带来了较高养护成本。连接螺栓由于其连接面缝隙的存在，以及动载荷条件下受到摩擦错动的影响，其长期性能质量直接关联桥梁钢结构全生命周期。按桥梁设计使用年限100 a推算，在不考虑经济指标利率影响及成本上浮影响因素的前提下，全生命周期内的养护成本将达到建设成本的80%，养护投入巨大。

据世界范围内的腐蚀调研结果估算，采用先进的腐蚀防护措施，可避免17%～35%的腐蚀损失，经济效益显著[2]。因此，采用合适的防腐技术，做好连接螺栓的腐蚀防护措施工作，使其充分发挥设计强度和抗震性能，对提升桥梁关键基础构件的耐久性能，从而延长跨海大桥的使用寿命至关重要。

1 连接螺栓腐蚀成因

跨海大桥尤以桥梁钢构件连接螺栓处最易腐蚀，如图1所示。主桥和引桥桥面防撞护栏及检修通道护栏等钢构件均采用高强螺栓连接立柱与底板，连接螺栓是桥梁护栏金属构件与基础面连接、紧固的重要组件，需具备强度高、抗震性能优良等特点。尽管出厂的螺栓几乎都进行了电镀、热浸镀或化学表面处理等常规防腐措施，但螺栓连接及底板连接处，仍是后期运营过程中最易出现腐蚀的部位。一旦出现腐蚀问题，会降低构件的耐久性及使用性能，不但美观性不佳，而且构件的使用寿命也达不到设计要求，甚至在运营中引发重大安全隐患。分析跨海大桥连接螺栓腐蚀原因，主要有以下几个方面。

1）潮湿环境诱发化学反应。连接螺栓大多处于基础部位，连接位置存在连接缝隙，在海洋大气环境中，容易积存雨水、露水、污水等。在水的作用下，金属发生阳极溶解，金属离子与空气中的氧结合，生成腐蚀产物，体积膨胀，使涂层开裂，失去保护效果。

2）安装过程中的碰撞降低初始出厂时的构件防腐层。螺栓在使用过程中的碰撞、拧紧动作，其防腐层易遭到损坏，且难以修复，因此安装到位的螺栓构件达不到初始出厂时的防腐寿命，导致耐腐蚀性能严重下降。

3）连接螺栓在拉应力作用下易腐蚀。连接螺栓主要是用于设备与基础之间的连接，地脚螺栓在紧固后受到振动等动拉应力的作用，加剧了螺栓的腐蚀[3-6]。

图1 跨海大桥连接螺栓腐蚀案例

2 螺栓腐蚀防护常用方案

2.1 包覆防腐方案

包覆防腐属于包覆有机复合层方案，主要有氧化聚合包覆防腐技术（OTC）和复层矿脂包覆防腐技术（PTC）[7-13]，其中氧化聚合包覆防腐技术适用于大气区的钢结构包覆，而复层矿脂包覆防腐技术适用于水位变化区和浪溅区严峻腐蚀环境的钢结构包覆。本文重点介绍适用于桥梁钢构件连接螺栓的氧化聚合型包覆防腐蚀技术。

氧化聚合型包覆防腐蚀技术应用3种紧密相连的保护层，最内层为防蚀膏，中层为防蚀带，外层为外防护剂[14-15]。此外，根据异型钢构件部位的实际需要，还包括用于塑型的防蚀胶泥。防蚀膏、防蚀带的缓蚀剂中含有锈转化成分，相较于传统涂层方案，其表面处理要求较低，无显著鼓泡和浮锈即满足要求。施工后，空气中的外层防护剂会发生氧化聚合反应，形成坚韧的皮膜，具有良好的耐老化性能。防蚀膏和防蚀带粘贴在金属结构表面，在外防护剂的保护下则永久保持非固化、柔软的状态，从而达到最佳的防腐蚀性能。防蚀带材料柔软、易贴合，可以广泛适用于各种复杂形状的结构、设备[16-17]。因此，OTC技术属于长效型防腐技术。对桥梁钢构件连接螺栓进行表面处理后，再依次涂抹、包覆防蚀膏、防蚀带、外防护剂，可达到长效防腐目的。舟山某桥梁护栏支座和杭州湾区域某跨海桥梁平台底部连接支撑位置的螺栓包覆防腐案例如图2所示。

2.2 涂层防腐方案

涂层防腐方案是一种钢结构外表面采用涂层体系以达到腐蚀防护效果的常用防腐措施[18-20]。根据《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件规范》[21]要求，涂层体系保护年内，要求涂层95%以上区域的锈蚀等级不大于ISO 4628规定的Ri2级，无气泡、剥落和开裂现象。涂层体系按照保护年限可分为普通型（10～15 a）和长效型（15～25 a）。桥梁钢结构按照涂装的部位可分为6类：外表面、非封闭环境内表面、封闭环境内表面、钢桥面、干湿交替区和水下区、防滑摩擦面、附属钢构件（如护栏、扶手等）。按照涂装阶段可分为初始涂装、维修涂装、重新涂装。常规情况下，桥梁钢构件连接螺栓通常按相邻钢构件的涂装体系进行普通的防腐方案设计，施工时按照相应设计要求和材料工艺进行底漆、中涂和面漆施工。海洋大气环境下，对螺栓表面进行涂装是应用最广泛的一种推荐方案[22]。舟山区域某跨海桥梁采用涂层防腐的工程案例如图3所示。

图2 螺栓包覆防腐方案

图3 螺栓常规涂层防腐方案

2.3 涂层与密封胶联合防腐方案

密封胶[23]按照聚合物种类可分为硅酮、改性硅酮、聚氨酯、聚硫等。其中，聚硫密封胶[24]是以液态聚硫橡胶为主体，配合硫化剂、促进剂和补强剂等助剂反应而合成的密封胶。聚硫密封胶与大多数的材料都有良好的粘结效果，被广泛地应用于金属、玻璃的密封，水池、大坝、桥梁隧道[25]等的混凝土嵌缝。密封胶主要以防水功能为主，目前部分桥梁钢构件连接螺栓采用了涂层与密封胶组合方案进行防水防腐处理（如图4所示），通过密封隔离作用，间接起到辅助性防腐效果。

图4 螺栓涂层与密封胶联合防腐方案

2.4 其他防腐方案

油性材料方案、防护盖方案以及油性材料与防护盖组合方案，如图5所示。

图5 螺栓油性材料和防护盖防腐方案

3 主要方案比选

3.1 防腐原理比较

包覆防腐方案采用3层防腐保护层，其中，防蚀膏具有锈转化功能，转化后的黑色氧化亚铁膜具有封闭保护性作用；防蚀带和外防护剂均可通过氧化聚合作用形成保护膜。该方案的保护膜柔软易贴合，抗震性能强，适用于各种复杂形状的结构。

涂层防腐方案涂抹多道涂层，底漆起到钝化缓蚀和阴极保护作用；中间层漆增加涂层厚度，增大屏蔽效应；面漆起到保护涂装层作用。

密封胶与涂层联合防腐方案，利用密封胶具有较好粘结性，通过在金属涂层表面涂抹密封胶起到密封防水防腐效果。

3.2 防腐材料比较

包覆防腐方案用到3种材料，分别为氧化聚合型防锈防腐蚀胶黏膏、氧化聚合型防锈防腐蚀胶黏带和氧化聚合型胶黏剂。防蚀膏具有耐中性盐雾性（168 h，35 ℃），达到锈蚀度A级标准。防蚀带拉伸强度高、难剥离，具有耐中性盐雾性和耐老化性。外防护剂黏度较高，具备耐火性和易干性。

涂层防腐方案底漆附着力强，具有耐热性和抗滑移性，类型主要有环氧富锌底漆、无机富锌底漆、冷喷锌等；中间层漆具有弯曲性和耐冲击性，附着力较强，类型主要有环氧云铁中间漆和环氧厚浆漆；面漆具有耐磨性、弯曲性和耐冲击性，硬度和附着力较强，类型主要有脂肪族丙烯酸聚氨酯面漆、氟碳面漆和聚硅氧烷面漆。

密封胶与涂层联合防腐方案所用密封胶质地较为细腻，为均匀膏状物或黏稠体，不应有气泡、结块、结皮或凝胶，无不易分散的析出物。密封胶具备有弹性、易干、粘结性强、难剥离的特性，按照聚合物种类可分为硅酮、改性硅酮、聚氨酯、聚硫等，按照位移能力可分为12.5、20、25级别[26]。

对于螺栓防腐，大黄油和二硫化钼是常用的油性防腐材料，价格相对实惠。防护盖采用聚偏氟乙烯（PVDF）材料，港珠澳大桥对局部区域的M30内六角螺栓采用了防护盖方案进行螺栓的加强防腐。

3.3 施工工艺比较

包覆防腐方案共有4道施工工艺，分别是表面处理、涂抹防蚀膏、缠绕防蚀带和涂刷外防护剂。表面处理需达到无明显鼓泡和浮锈，无需进行喷砂除锈，工艺简单；涂抹防蚀膏用手均匀涂抹，谨防漏涂；缠绕防蚀带从下往上依次粘贴，每层应依次搭接55%左右，将里面空气压出，确保紧密贴合；外防护剂涂刷2次。

涂层防腐方案共有4道施工工艺，分别为表面处理、涂抹底漆、涂抹中间层漆、涂抹面漆。其中，表面处理要对结构进行表面预处理、除油、除盐分、喷砂除锈等，涂抹涂层需要确保均匀一致，不允许有漏涂、气泡、裂纹、气孔和返锈现象，允许存在轻微橘皮和局部轻微流挂现象，并随时检查湿膜厚度，以保证干膜厚度满足设计要求。

密封胶与涂层联合防腐方案中，涂层方案施工工艺与常规涂层方案一致，密封胶防水共有2道施工工艺，分别为表面处理和涂抹密封胶。

油性防腐施工方便，可直接在被保护螺栓表面涂抹，整体美观性较差。另外，油性材料属于可燃材料，存在一定的安全隐患。防护盖可批量预制，施工便捷，整体美观性更好，但防护盖的密封牢固性对其防腐效果影响显著，仅适用于尺寸规格相对单一的构件。实际工程中，螺栓螺母规格繁多，螺杆超出螺帽的尺寸千差万别，防护盖尺寸的匹配直接影响其密封性。横跨杭州湾某大桥护栏支座采用了油性材料加防护盖防腐方案，台风过后曾发生大量防护盖被吹掉的情况。

3.4 防腐效果比较

包覆防腐方案属于长效型防腐技术，正常使用情况下防腐年限在20 a以上。日本某桥梁拉索采用OTC连续防腐时间已超过30 a。氧化聚合型包覆防腐技术从2012年开始在国内市场进行了试点应用，至今，已经应用在不同领域的30余个项目中，经过后期的腐蚀防护效果验证，得到了各个项目业主的肯定。2012年大连国际会议中心钢结构防腐工程，针对焊接缝、螺栓节点等常规防腐技术防护薄弱的部位，对不同防腐技术进行了反复论证和验证，最终还是采用了可以带锈施工的OTC包覆技术。该方案在大连国际会议中心钢结构包覆防腐工程（2012年）、青岛海湾大桥吊杆防水套包覆防腐工程、天津LNG管廊地脚螺栓包覆防腐工程[27]、文昌卫星发射基地（2015年）进行了现场挂片试验和局部试点应用，经过3 a的验证，这项技术最终获得业主的认可。2018年和2019年文昌基地陆续开展了2期工程共计8个避雷塔的包覆施工。温州东欧大桥和舟山官山大桥吊杆防水套包覆防腐工程效果如图6和图7所示。杭州湾跨海大桥是世界第二长跨海大桥（36 km），于2008年5月1日通车，通车不到1 a时，现场调研发现，水中平台下部的剪刀撑部位已出现轻微锈蚀。2012年，通车4 a，再次调研时，剪刀撑腐蚀已较为明显，几乎所有的剪刀撑上均发生较为严重的锈蚀。平台建成仅使用不到5 a，剪刀撑连接区、变径桩焊接区、螺栓连接区锈蚀严重，锈层厚度达1 cm。2013年，针对上述锈蚀区域采用了涂层防护维修方案，维护后的涂层使用不到5 a又全部失效。2018年针对剪刀撑连接部位，改变了涂层方案，采用了包覆防腐方案。

图6 温州东欧大桥吊杆防水套包覆防腐方案效果

图7 舟山官山大桥吊杆防水套包覆防腐方案效果

涂层防腐方案在国内外桥梁中得到大量应用，舟山的2座跨海桥梁钢结构外表面采用了防腐涂装体系，建成5 a后，出现了多处防腐涂装劣化、钢材腐蚀、螺栓松动等腐蚀问题。港珠澳大桥钢护栏及其小型钢构件采用氟碳面涂的防腐方案（如图8所示），其表面抗老化寿命也不超过15 a[28]。

图8 舟山跨海大桥涂装防腐方案腐蚀

油性材料防腐方案在夏季会出现融化流淌现象，1 a左右，油性材料会变干，需要定期维护，后期维护工作量大。由于防护盖的密封牢固性不足，防护盖方案的时效存在不确定性。

涂层与密封胶联合防腐方案设计使用年限一般取决于涂层防腐年限，通常为5～10 a[29]。由于密封胶抗老化性能较差，尤其是构件棱角位置，通常使用3～5 a就会发生开裂（如图9所示）。因此，该方案需定期（5～10 a）进行再次维护，以达到长效的密封效果，间接起到隔离环境降低腐蚀的防护需求。桥梁连接螺栓常用腐蚀防护方案的对比参见表1。

图9 某大桥护栏基座螺栓密封胶防腐方案

表1 桥梁连接螺栓腐蚀防护常用方案比较

Tab.1 Comparison of common schemes for anticorrosion of bridge connecting bolts

4 结语

本文分析了桥梁螺栓等异型钢构件的常用防腐方案，通过对不同方案的防腐材料、施工工艺和防腐时效等进行了综合经济比对。分析结果表明，氧化聚合包覆防腐新技术优势明显，施工便捷，防护效果优良。综合考虑腐蚀防护效果及全寿命角度腐蚀防护费用最小的原则，大气区桥梁钢构件连接螺栓推荐使用氧化聚合型包覆防腐蚀技术方案。

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Study on Anticorrosive Technology of Connecting Bolts of Bridge Steel Members in Marine Atmospheric Environment

HE Xiao-yu1, XIA Hong-jie2, XU Xiao-mei3, LI Yu-qian1, HOU Bao-rong4

(1. Zhejiang Institute of Communications CO., Ltd, Hangzhou 310006, China; 2. Shugang Highway Engineering Construction Management Center, Daishan County, Zhejiang Zhoushan 316000, China; 3. Hangzhou Benchuang Technology Co., Ltd., Hangzhou 310006, China; 4. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Shandong Qingdao 266071,China)

In this paper, based on the consideration of the whole life cycle of the bridge, the comprehensive economic comparison and analysis of the anti-corrosion materials, construction technology and anti-corrosion effectiveness of the wrapping anti-corrosion, coating anti-corrosion, sealant and coating combined anti-corrosion and other common anti-corrosion technologies has been studied. The results show that the technology of corrosion protection with oxidation polymerization has the advantages of advanced corrosion resistant materials and controllable construction quality. It is the best corrosion protection plan for connecting bolts of bridge steel members.

Marine Atmospheric Environment; Bridge Steel Member; Connecting Bolt; Corrosion; Corrosion prevention; Oxidation Polymerization Coating Anticorrosive Technology

TG174

A

1672-9242(2023)01-0076-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.011

2021‒12‒14；

2021-12-14；

2022‒02‒14

2022-02-14

浙江省交通运输厅科研计划项目（2020003）；交通运输行业重点科技项目（2020-GT-010）

Sources Science and Technology Plan Project of Zhejiang Provincial Department of Transportation (2020003); Transportation Industry Key Technology Project (2020-GT-010)

何晓宇（1981—），女，博士，高级工程师，主要研究方向为水运及海洋工程结构优化、防腐及智慧应用等。

HE Xiao-yu (1981-), Female, Doctor, Senior engineer, Research focus: structural optimization of water transportation and offshore engineering corrosion prevention and intelligent application.

何晓宇, 夏宏杰, 徐小梅, 等. 海洋大气环境下桥梁钢构件连接螺栓防腐技术研究[J]. 装备环境工程, 2023, 20(1): 076-082.

HE Xiao-yu, XIA Hong-jie, XU Xiao-mei, et al.Study on Anticorrosive Technology of Connecting Bolts of Bridge Steel Members in Marine Atmospheric Environment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 076-082.

责任编辑：刘世忠