《1　前言》

1　前言

电弧喷涂防腐蚀复合涂层技术作为钢桥梁长效防腐的有效方法，得到世界上大多数国家的认可[1~3]。电弧喷涂层与金属基体具有优良的涂层结合力，将金属基体和腐蚀介质完全隔离，并具有牺牲自己保护钢铁基体的阴极保护作用。电弧喷涂层经过和有机封闭涂层的配套使用后不但具有长久的耐腐蚀寿命，而且具有维护方便、维护周期长、维修期间环境污染小、维修费用低廉等优势。

对于电弧喷涂锌、铝及其合金等阳极性防腐蚀涂层，尽管对钢铁基体具有牺牲阳极的电化学保护作用，一定孔隙的存在不会造成大的危害，但涂层本身要消耗，会降低涂层的防腐蚀寿命，因此应选择适当的封闭涂料对金属喷涂层进行封闭处理。金属喷涂层的孔隙和粗糙表面为封闭涂层提供了良好的结合面。良好的封闭涂层可以渗透到金属喷涂层的孔隙中，将涂层孔隙封闭住，并在金属喷涂层表面形成一种隔离保护层，阻止腐蚀介质的渗透，不仅钢基体不被腐蚀，同时也保护了金属喷涂层，所以明显延长了金属喷涂层的防腐蚀寿命[4]。

在用电弧喷涂技术解决具体工程问题时，首先要进行涂层设计，涂层设计的主要内容包括，明确工程的腐蚀环境和防护要求、基材表面处理方法和等级要求、合理选用电弧喷涂涂层材料及涂层厚度、选择封闭涂层材料及涂层厚度、确定电弧喷涂工艺参数及涂层质量指标等[4]。合理的涂层设计来源于预先了解要防护工件的工作环境、环境影响因素、涂层设计使用寿命、施工的难易程度、初期涂装投资成本、涂层维护周期及经济性等，这些都是涂层设计者要综合考虑的因素。合理的涂层设计可以获得经济而有效的防护效果。

对于大型钢桥梁，在立项之初就应考虑到桥梁的耐久性，要求做到百年大计，以保证防腐蚀涂层与设计寿命同步。笔者等以主跨达到 1 650 m 的世界上首座特大跨径分体式钢箱梁悬索桥浙江西堠门大桥的防腐工程为依托，在前期大量钢桥梁电弧喷涂复合涂层体系施工和应用的基础上，结合电弧喷涂防腐蚀技术和纳米材料科技，提出了电弧喷涂纳米封闭复合涂层体系的设计思路，以供业内人士探讨。

《2　涂层体系总体设计》

2　涂层体系总体设计

电弧喷涂纳米封闭复合涂层体系是由电弧喷涂阳极性金属涂层和纳米改性防腐蚀涂料封闭涂层（底层 +中间层 +面层）组合在一起的防护涂层体系，其结构如图 1 所示。纳米封闭底层主要起封孔作用，与金属喷涂层有良好的相容性，能充分渗透并填充金属喷涂层的孔隙并附着良好。封闭中间层是封闭和隔离层，耐蚀性好。封闭面层对腐蚀环境有适应性，能耐腐蚀和耐大气老化。根据国际公认的最佳协同效应，这种复合涂层体系的防腐蚀寿命是单一阳极性金属涂层与单一防腐蚀涂料涂层之和的 1.5 ~2.3 倍。

《图1》

图1　电弧喷涂纳米封闭复合涂层体系结构示意图

Fig.1　Coating structure of arc spraying and nano sealer coatings system

电弧喷涂复合涂层体系在不同环境下的防护性能有差异，这不仅取决于金属喷涂层的种类和涂层厚度，还取决于封闭涂料对环境的适应性。设计人员要根据具体工程的实际情况来选择不同的复合涂层体系。为区别于传统电弧喷涂长效防腐蚀方案，笔者为桥梁钢结构长效防腐设计的典型方案（50 年寿命）如表 1 所示。

《表1》

表1　电弧喷涂长效防腐传统方案与创新设计方案的对比

Table 1　Comparison of traditional arc spraying composite coatings and newly designed coatings

《3　电弧喷涂金属涂层材料的选择》

3　电弧喷涂金属涂层材料的选择

电弧喷涂金属涂层材料的选择必须满足涂层使用功能特性的基本要求。对室外钢铁结构（如桥梁钢结构）20 年以上的长寿命防腐蚀而言，推荐 Zn，Al 及其合金喷涂层，再根据具体的使用环境条件和其他要求进一步进行涂层体系的细化设计[5,6]。表 2 列出了不同涂层功能特性和腐蚀环境下推荐的电弧喷涂涂层材料。

《表2》

表2　不同腐蚀环境下电弧喷涂涂层材料推荐

Table 2　Recommendation of arc spraying coating material under different application

电弧喷涂 Zn，Al 及其合金均能适用于大多数腐蚀环境。一般来说，喷锌层适用于 pH 6 ~11 的弱碱性环境和乡村大气环境，喷铝层用于 pH 4 ~8 的弱酸性环境、海洋大气环境和城市工业大气（含有 SO2 ）环境，喷锌铝合金适用于 pH 6 ~8 的中性大气环境[7]。喷铝层同喷锌层相比还有以下一些优点：

1）喷铝涂层的外层在空气中容易形成稳定的 Al2O3 膜，即使遭受破损也极易恢复。Al2O3 膜具有高度的致密性和耐蚀性，为涂层表面提供纯惰性的保护。喷锌层在空气中可形成 ZnO 但较难形成稳定的 Zn2O3 ，锌层的寿命通常与其厚度成正比，所以在一定寿命要求下，喷锌层的厚度要大于喷铝层的厚度。

2）有电解质存在时，Zn，Al 都能提供牺牲阳极保护作用，而 Al 的电化学容量为 2.98 A· h/g，Zn的电化学容量只有 0.82 A· h/g，因此 Al 的阴极保护作用更好。

鉴于电弧喷铝涂层在海洋大气和工业大气环境下具有无可比拟的优势，国外标准和应用实例均表明在海洋大气和工业大气环境下喷铝涂层可以长久有效地保护钢铁。因此，对于海洋大气环境下的西堠门大桥，笔者等推荐的电弧喷涂材料为纯铝（≥99.6 %），喷铝涂层设计厚度为 160 ~200 μm。

《4　纳米封闭涂料底中面层的设计》

4　纳米封闭涂料底中面层的设计

根据电弧喷涂层对封闭和配套涂层的要求，结合各种涂料的特性和桥梁涂装经验，笔者等设计和推荐采用纳米改性环氧封闭漆[8]（取代传统环氧底漆）作为封闭底涂层，环氧云铁中间漆作为封闭中间层，丙烯酸聚氨酯面漆作为封闭面层，作为配套的纳米封闭涂层体系，与普通防腐涂料的主要技术指标对比如表 3 所示。

《表3》

表3　纳米封闭涂层与普通防腐底层的技术指标对比

Table 3　Technical parameter comparison of nano sealer and common anti -corrosion epoxy primer

《5　各工序的质量要求》

5　各工序的质量要求

电弧喷涂纳米封闭复合涂层的制备工艺过程包括表面处理、电弧喷涂和涂料涂装，各工序的质量要求见表 4。

《表4》

表4　各工序的质量要求

Table 4　Quality requirement of coating procedure

《6　结语》

6　结语

1）电弧喷涂复合涂层体系在不同环境下的防护性能有差异，这不仅取决于金属喷涂层的种类和涂层厚度，还取决于封闭涂料对环境的适应性。设计人员要根据具体工程的实际情况来选择不同的复合涂层体系。

2）由于纳米改性环氧封闭漆对电弧喷涂层具有渗透性好、附着力高、耐蚀性优的特点，电弧喷涂纳米封闭复合涂层体系特别适合作为大型桥梁钢结构的长效防腐设计。