淺談鋼橋防腐的研究概況

林 浩

（山西省交通科學研究院 新型道路材料國家地方聯合工程實驗室重交通公路養護材料協同創新平臺，山西 太原 030006）

鋼橋在使用中暴露在各種惡劣環境下，其結構表面與周圍水分、鹽分等腐蝕性介質容易發生化學及電化學腐蝕反應，這些腐蝕環境很容易造成鋼橋銹蝕，最終導致橋梁失去原有的承載能力。大部分橋梁需橫跨江河，常年承受高溫、高濕，金屬的腐蝕極易發生；南方腐蝕環境多為酸雨和濕熱，北方的腐蝕環境多為寒冷和冰鹽，這些都極易造成鋼橋的腐蝕破壞。鋼橋的腐蝕是鋼橋的通病，維修難度高，尤其是跨河、跨海以及溝谷等難以接近的地帶[1-3]。據統計，鋼橋的防腐費用占鋼橋建設總費用的10%以上，因此研究鋼橋的防腐對鋼橋的服役質量和服役壽命至關重要。

人們一直嘗試各種金屬防腐技術對鋼橋加以保護，防止或減緩鋼橋腐蝕的發生。其中，金屬防腐最有效、最常用的方法是在金屬表面涂刷金屬防腐涂料，用以隔絕金屬基體與腐蝕介質。防腐涂料配方組成主要包括基料、溶劑和顏填料。

金屬的腐蝕可以分為干蝕和濕蝕兩種方式，干蝕又稱化學腐蝕，濕蝕又稱電化學腐蝕，常見的金屬腐蝕屬于電化學腐蝕。電化學腐蝕首先是在金屬表面形成原電池，然后原電池放電，產生電化學反應，原電池的陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應。根據歐姆定律，金屬的腐蝕與金屬表面形成原電池的電流大小有關；根據法拉第定律，減少腐蝕電流可以減少金屬的腐蝕速度。金屬表面原電池電流的大小，取決于金屬表面與水、氧氣和電解質等因素的隔離程度。金屬防腐涂料通過兩種方式防止金屬腐蝕的發生，第一種是利用涂膜黏附性質來屏蔽腐蝕來源，防止腐蝕源與金屬的接觸，又稱為屏蔽機理；第二種是涂膜中添加活性物質防止金屬表面發生電化學反應，又稱為電化學保護機理。

1 屏蔽作用防腐涂料的研究概況

屏蔽作用中，根據成膜物質種類可以將金屬防腐涂料分為聚氨酯金屬防腐涂料、環氧樹脂金屬防腐涂料、酚醛樹脂金屬防腐涂料、有機氟金屬防腐涂料等。

聚氨酯樹脂防腐涂料是以聚氨酯樹脂為成膜物質的涂料，成膜后，涂層色澤鮮艷、光滑平整、堅硬而柔韌，有很好的耐酸堿、耐油性，且保色保光性好。其缺點是使用之前必須現用現配，儲存時間不宜過長，潮濕環境使用效果不好，毒性和刺激性較大。

環氧樹脂金屬防腐涂料是以環氧樹脂為成膜物質的一類金屬防腐涂料。環氧樹脂金屬防腐涂料優點是涂層堅硬，具有優良的耐磨性、耐水性、耐腐蝕性、耐熱性、柔韌性和物理機械性能。不僅如此，環氧樹脂金屬防腐涂料最突出的優點是電絕緣性和金屬附著力。環氧樹脂金屬防腐涂料因其優異的固化性能和施工方便等特點而被廣泛應用。其缺點是紫外線條件下易老化、室外使用龜裂和粉化現象嚴重。

酚醛樹脂防腐涂料的主要成膜物質是酚醛樹脂或者改性酚醛樹脂。其優點是耐高溫、成膜快、施工簡單、涂層強度高、光澤好、具有良好的電絕緣性和防腐性。其缺點是涂層容易泛黃、機械性能和耐水性差[4]。

石墨烯在金屬的防腐領域具有非常大的應用潛力。石墨烯穩定的sp2雜化結構能在金屬材料與活性化學介質間形成阻隔層，阻止擴散和滲透作用。石墨烯作為金屬防腐涂層具有好的導電性、導熱性、涂層薄、強度高和摩擦性能好等優點。其缺點是施工難度大以及大規模生產難以實現等[5]。

2 電化學保護作用防腐涂料的研究概況

聚苯胺作為新型的金屬防腐涂料，具有很多優點。其最主要的優點是結構多樣化，實驗發現聚苯胺不同的氧化態、還原態，具有不同的結構、顏色和電導率。另外聚苯胺具有優異的電化學性能、光化學性能、環境穩定性和獨特的摻雜機制，不僅如此，聚苯胺金屬防腐涂料具有獨特的抗點蝕和抗劃傷等優點。其主要缺點是不溶不熔、對金屬的黏結性差、不易施工和大規模生產困難等。聚苯胺金屬防腐涂料的作用機理是由于特殊結構的聚苯胺導致金屬表面形成一種致密的氧化膜，金屬表面劃傷后很快又會形成氧化膜，而且，把聚苯胺涂覆在金屬一個側面時，金屬的另一個側面同樣形成一層氧化膜，而起到防腐效果，這也很好地解釋了聚苯胺金屬防腐涂料具有良好的抗劃傷、抗孔蝕等優點[6]。研究發現，金屬基體/聚苯胺防腐涂料界面能夠產生一種特殊的電場，這個電場能夠阻礙電子從金屬表面向氧化介質傳遞，從而防止金屬基體的腐蝕作用。

目前，人們研究出一種以氧化鐵紅、氧化鋅和磷酸鋅為主要防銹填料，以聚合物乳液為基料的水性金屬防腐涂料。該涂料具有干燥快、防腐效果好、生產工藝簡單、生產效率高、揮發物少、不燃燒、氣味低和環境友好等優點。其缺點是不適用于水下和極端潮濕環境的金屬防腐。該涂料的作用機理是，涂層中含有大量鈍化作用和緩蝕作用的防銹填料，能夠產生新的防銹薄膜。這些防銹薄膜的電極電位較高，使金屬表面避免成為原電池陽極的可能性；不僅如此，該防銹薄膜上存在的微孔，增加成膜物質的附著力，可以有效阻止銹蝕在膜破壞處向外擴展。當有少量水存在時，填料就會從涂層中解離出來緩蝕功能的離子，通過緩蝕功能抑制金屬基體的腐蝕速度[7]。

3 預測金屬防腐的發展趨勢

3.1 水性金屬防腐涂料的發展

傳統的金屬防腐涂料由于大量使用有機溶劑，導致生產和使用過程中產生大量有害廢溶劑、廢氣，更嚴重的是，涂層干燥后還會釋放有害的揮發性有機物，不僅污染環境，而且影響施工人員和使用人員的身體健康。隨著人們環保意識的提高，高性能水性金屬防腐涂料越來越受到人們的重視，水性金屬防腐涂料用于取代傳統的溶劑型防腐涂料，水性金屬防腐涂料以水作為溶劑，以其無公害、低污染、環保和安全的優越性，很快被金屬防腐涂料市場所認可。

3.2 高固含量金屬防腐涂料的發展

固含量高的金屬防腐涂料同樣也是未來金屬防腐涂料的發展趨勢，一般防腐涂料的揮發份在40%左右，這些揮發份大部分是有機溶劑，其揮發到大氣中，污染環境，影響施工者和使用者的身體健康，更重要的是會對涂料本身造成缺陷，大幅度降低防腐效果。目前國外已經研制出固含量在90%以上的防腐涂料，該涂料具有優異的防腐性能，已經在工業生產中取得大規模應用，尤其是在水電工業上應用，已經取得了十分理想的效果。

3.3 金屬材料在特定結構中的替代產品

實際調查顯示，各類金屬防腐涂料在使用過程中都表現出不同程度的局限性，有效防腐時間短等問題。

本課題組實驗研究了碳纖維復合材料的各項力學性能，還研究了在光照、陰冷、水環境、堿環境和酸環境中碳纖維板材的老化問題，這些環境中碳纖維板材表現出優異的力學穩定性和優異的抗老化性能。針對碳纖維復合材料的力學性能和抗老化性能的優點，提出金屬材料在極易發生腐蝕的的極端環境，用碳纖維復合材料替代部分金屬材料的想法。人們亟須解決的科學難題是碳纖維復合材料的錨固技術，到目前為止，碳纖維復合材料的錨固技術已經有所突破，錨固性能不斷提高。所以，在鋼橋服役的極端惡劣環境中嘗試碳纖維復合材料和金屬材料配套使用，不僅可以提高鋼橋的整體使用壽命，減少鋼橋的維修成本，而且還可以提高交通運輸的暢通性、舒適性和安全性。