基于傳統(tǒng)涂層材料和涂裝體系，即使采用國外知名涂料公司的材料或通過增加涂膜厚度的方法，已建成的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，最高設(shè)計防護壽命一般也不超過25年。而即將合龍的福廈高鐵泉州灣跨海大橋，采用了自主創(chuàng)新的“石墨烯重防腐涂裝體系”，將實現(xiàn)30年超長防腐壽命的突破。
世界首座跨海高鐵大橋——設(shè)計行車速度為每小時350公里的福廈高鐵泉州灣跨海大橋(以下簡稱泉州灣跨海高鐵大橋)，將于8月6日合龍。
大橋采用了貝殼形曲線橋塔，護欄設(shè)計為波浪形，寓意為“泉州作為福建省經(jīng)濟第一強市、古代海上絲綢之路的起點及當(dāng)時的東方第一大港”，將在21世紀(jì)海上絲綢之路的發(fā)展契機下，揚帆起航，重現(xiàn)海上貿(mào)易和世界大港的輝煌。
“泉州灣跨海高鐵大橋，創(chuàng)新采用了‘石墨烯重防腐涂裝體系’，將實現(xiàn)30年超長防腐壽命的突破。”中國鐵建第四勘察設(shè)計院集團有限公司(以下簡稱鐵四院)福廈高鐵指揮長李平卓說。據(jù)悉，目前國內(nèi)已建成橋梁的最長設(shè)計防護壽命，均在25年以內(nèi)。
以耐久防腐和少維護為目標(biāo)
解決海洋對大橋的腐蝕問題，是設(shè)計跨海大橋遇到的一大難題。資料顯示，腐蝕是世界各國工程建設(shè)面臨的共同問題。
中國腐蝕與防護學(xué)會2014年的調(diào)研結(jié)果表明，世界各國每年腐蝕成本約占各國國內(nèi)生產(chǎn)總值的3%—5%，大于自然災(zāi)害、各類事故損失的總和。我國2014年腐蝕總成本超過2萬億元，約占同年國內(nèi)生產(chǎn)總值的3.34%。
“在海洋環(huán)境中，多種因素導(dǎo)致工程設(shè)備更易受腐蝕損傷。”鐵四院橋梁院總工程師嚴(yán)愛國說。
原來，在潮濕的空氣中，鋼鐵表面形成的水膜，會溶解大氣中的二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等氣體，使水膜中含有一定量的氫離子，形成含有電解質(zhì)溶液的薄膜，恰與鋼鐵中的鐵和少量的碳構(gòu)成原電池。
“而海氣中彌散的大量鹽，又促使電子在溶液中快速移動，這種導(dǎo)電作用，加快了鋼鐵的腐蝕速度。”鐵四院泉州灣跨海高鐵大橋設(shè)計負責(zé)人曾甲華說。
鋼結(jié)構(gòu)的主要防腐方法是選用耐用的重防腐涂層。
根據(jù)我國鐵路和公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，基于傳統(tǒng)涂層材料和涂裝體系，即使采用國外知名涂料公司的材料或通過增加涂膜厚度的方法，已建成的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，最好的設(shè)計防護壽命一般也不超過25年。
泉州灣跨海高鐵大橋鋼梁全長800米，涂裝面積約10萬平方米。“采用目前世界最好的涂料和施工方法，15年左右就要進入維護階段。”曾甲華告訴記者，他們的計算結(jié)果表明，按造價150元/平方米計算，100年內(nèi)大橋需涂裝7次(含通車后復(fù)涂6次)，合計費用1.05億元。
中鐵二院設(shè)計團隊意識到，泉州灣跨海高鐵大橋設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100年，必須找到一種新材料，實現(xiàn)橋梁耐久防腐和減少維護的目標(biāo)。
借航空石墨烯技術(shù)研制重防腐涂裝
正在建設(shè)的福廈高速鐵路線路全長300.483公里，設(shè)計行車速度350公里/小時。“橋梁的長度占線路總長的三分之一，其中跨海大橋3座，從福州往廈門方向，依次為湄洲灣、泉州灣、安海灣。”李平卓表示，其中泉州灣跨海高鐵大橋全長20.3公里，主跨400米，為全線規(guī)模最大、難度最高的關(guān)鍵控制性工程。
業(yè)內(nèi)統(tǒng)計顯示，由于國內(nèi)橋梁主體鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系防腐年限一般在15年以內(nèi)，部分附屬結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件在3—5年內(nèi)即會出現(xiàn)涂裝起泡剝落現(xiàn)象而需重新涂裝。
“鐵路干線及高速鐵路具有運載量大、高速列車行車密集、天窗時間短等特點，鋼結(jié)構(gòu)涂裝維護(修補、清除、重涂)操作困難、成本高昂。”嚴(yán)愛國說，因此在設(shè)計時需要考慮減少對高鐵橋梁的維護次數(shù)。
泉州灣跨海高鐵大橋設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為100年，什么材料能達到鋼結(jié)構(gòu)高防腐要求?通過多方調(diào)研，設(shè)計團隊把目光瞄向了石墨烯。
“由于納米級石墨烯的片層結(jié)構(gòu)層層疊加、交錯排列，用石墨烯改性防腐涂料，可在涂層中形成‘迷宮式’屏蔽結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一道屏蔽阻隔。”嚴(yán)愛國說，這種屏蔽結(jié)構(gòu)能夠有效抑制腐蝕介質(zhì)的浸潤、滲透和擴散，提高涂層的物理阻隔性。同時，還可延長腐蝕介質(zhì)的滲透擴散路徑，從而提高涂層的抗?jié)B透性和使用壽命。
早在2016年，國家已將石墨烯改性防腐涂料列入了“十三五”規(guī)劃以及工信部重點發(fā)展的新材料清單，作為重點研發(fā)項目開始大力推進我國石墨烯改性防腐涂料的發(fā)展。
近年來，作為我國唯一面向航空，從事航空先進材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究、材料研制與應(yīng)用技術(shù)研究和工程化研究的綜合性科研機構(gòu)，中國航空發(fā)動機集團北京航空材料研究院(以下簡稱北京航材院)通過創(chuàng)新工藝，將石墨烯材料與熱塑性特種工程樹脂復(fù)合，研制出一系列復(fù)合材料，不同程度地增強了樹脂基體的耐熱、抗腐蝕、耐磨損性能以及拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能。
鐵四院依托北京航材院等多家單位的研究成果，立項“石墨烯重防腐涂裝體系”，研究其在福廈高鐵跨海大橋鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)方案和工程的應(yīng)用可行性。
“‘石墨烯重防腐涂裝體系’研究歷時兩年多，開展了材料組分設(shè)計和系列腐蝕試驗(耐鹽霧性、耐人工加速老化性)等大量研究工作。”嚴(yán)愛國說。
耐鹽霧性為現(xiàn)有技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)的5倍以上
設(shè)計團隊充分利用石墨烯材料，對傳統(tǒng)涂裝體系進行改性，利用片狀鋅粉、石墨烯、片狀云母的鱗片型涂層結(jié)構(gòu)，大幅提升了涂裝體系的防腐防護性能。
這個“石墨烯重防腐涂裝體系”的真容是什么?“是石墨烯納米材料改性鱗片型醇溶無機富鋅底漆和超耐候氟碳面漆。”嚴(yán)愛國解釋道，耐鹽霧性能檢測試驗報告表明，70微米底漆涂層的耐鹽霧性能達到1萬小時以上，耐鹽霧性為現(xiàn)有技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)的5倍以上，耐人工加速老化性可達現(xiàn)有技術(shù)的3倍以上。
仿真計算及試驗表明，創(chuàng)新研究的“石墨烯重防腐涂裝體系”可實現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)在海洋腐蝕大氣環(huán)境下30年及以上的超長壽命耐久目標(biāo)。
“石墨烯重防腐涂裝體系”將為跨海大橋建設(shè)帶來顯著效益。以泉州灣跨海高鐵大橋為例，曾甲華說，采用“石墨烯重防腐涂裝體系”，按照30年的設(shè)計涂裝壽命，100年內(nèi)只需涂裝4次，可節(jié)約投資45%以上，近5000萬元。
專家認為，“石墨烯重防腐涂裝體系”實現(xiàn)了各類大氣環(huán)境下長效防腐和功能化、輕量化及環(huán)保性的統(tǒng)一，較傳統(tǒng)重防腐涂料防腐性能提高3倍以上，是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代重防腐涂料的發(fā)展方向，并有助于打破國外諸多涂料巨頭對我國80%重防腐涂料市場的壟斷。
“目前，技術(shù)團隊已編制出《泉州灣跨海大橋、安海灣特大橋鋼梁超長壽命耐久防腐涂裝體系技術(shù)條件及驗收標(biāo)準(zhǔn)》和《鱗片型鋅粉底漆》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。涂裝體系也已應(yīng)用于泉州灣跨海高鐵大橋、安海灣跨海大橋的鋼結(jié)構(gòu)，涵蓋鋼箱梁、鋼桁梁和附屬鋼構(gòu)件(欄桿)等各類鋼結(jié)構(gòu)，并擬推廣應(yīng)用到廣州至湛江高速鐵路的橋梁鋼結(jié)構(gòu)。”嚴(yán)愛國說。
