杨玉龙1，丁胡应1，曹巢锋1，程冠之2
(1.中铁四局集团建筑工程有限公司，安徽 合肥 230071；2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)
摘 要 针对在湿热海洋环境下长期服役的铁路混凝土，设计了表面氟碳涂层成套体系，明确了涂层体系应用技术要求，在此基础上规范了施工措施并完善了质量评价体系，实现了涂层防护成套技术在相应工况下的成功应用。效益分析表明，涂层技术的应用降低了铁路混凝土的全寿命期维修费用，兼具环保和社会效益。
关键词 材料工程;铁路混凝土；氟碳涂层；应用技术；海洋环境；耐久性
随着我国对海洋开发规模的不断扩大，各类码头、跨海大桥、人工岛等海洋工程基础设施的建设数量正在逐渐增加。钢筋混凝土由于具有易浇注、耐冲击、耐磨等优良性能以及较低的工程造价，成为进行此类设施建设的首选形式。但钢筋混凝土在海洋环境下服役时面临着较严重的钢筋锈蚀等腐蚀问题，易导致结构开裂、失效，缩短结构使用寿命[1]。为保证安全服役，必须对已发生腐蚀的结构进行修复，但技术难度与所需资金均十分巨大。因此，人们对处于严重腐蚀环境下的钢筋混凝土越来越多地采取事前防护措施以提升其耐久性，从而降低全寿命周期的成本[2-3]。
海南省处于典型的高温、高湿、强腐蚀等多腐蚀因素耦合作用的海洋环境下，其区域内钢筋混凝土的腐蚀问题更为突出，对效果显著、实施简便、作用持久的混凝土耐久性提升技术措施的需求更加迫切。在诸多技术措施中，混凝土表面涂层技术最为简单有效，不仅可以应用到新建结构上，还可以应用于已有结构的修复[4-8]。本文主要介绍成功应用于新建海南西环铁路提升混凝土耐久性的表面氟碳防腐蚀涂层技术。
新建海南西环铁路始于既有西环铁路海口站，终于三亚站，线路走向沿海南西部沿海地段，正线全长345 km，设计时速200 km，为I级双线铁路。在西环铁路中段，位于海南省儋州市与昌江县境内的珠碧江双线特大桥全长 3 991 m，桥位与北部湾入海口不足5 km。由于海水倒灌影响，环境腐蚀作用异常严重，其中，氯盐环境的作用等级为L3，化学侵蚀环境的作用等级为H4，盐晶结晶破坏环境的作用等级为Y4，并存在大于Y4等级的高硫酸盐含量的极端严重腐蚀环境，必须对相应环境下的混凝土结构进行防腐蚀强化处理，提升混凝土耐久性。
2.1 体系设计
为提升混凝土结构的耐久性，防腐蚀涂层体系需要与混凝土基面具有良好的适应性，并维持较长的使用寿命。涂层体系一般由底漆+面漆或底漆+中间漆+面漆组成，各涂层分别承担相应功能并产生协同作用，达到有效避免外来腐蚀介质破坏，从而保护混凝土结构的目的[9]。
珠碧江双线特大桥混凝土结构的特殊性主要在于其结构表面处于周期性的干湿交替状态，而且潮汐现象导致部分混凝土结构只有很短的时间位于水面之上。这要求涂层体系具备一些特殊性能，特别是要求封闭底漆能够在潮湿的混凝土表面涂装，即除了具备潮湿基面固化的能力外，还需要潮湿混凝土基面具有良好的润湿性、渗透性、耐碱性和优异的附着力。此外，中间漆应具有良好的屏蔽性能，面漆应具有优异的耐候性，配套涂层之间还应具有良好的相容性，并具备良好的复涂性。整体而言，作为湿热海洋环境下混凝土的表面防护体系，应具有良好的附着力，可防止水的渗透，耐常见化学制剂和生物附着，在宽广的温度范围内具有良好柔韧性等。
经现场试验对比与优选，确定了TK系列渗透性环氧封闭底漆、柔性环氧云铁中间漆和高耐候氟碳面漆的配套体系。该配套体系具有以下技术特点：
1)涂层黏结性能佳。在涂料中采用了层间偶联法，强化了涂层与基底之间以及各涂层之间的附着力，为整体涂层的长效防护提供了保障。
2)涂层耐久性好。在基础成膜物方面，选用了目前防腐蚀涂料中耐候性最好的树脂材料；在力学性能调控方面，采用了分子内增韧技术以提高涂层力学性能，避免了涂层在服役过程中的小分子增塑剂迁移问题，降低了涂层脆化风险。
2.2 技术要求
依据室内加速试验及现场涂装测试的结果，并综合《混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术条件》(JT/T 695—2007)等技术规范的相关要求，对应用的涂料及涂层性能指标做出以下规定(见表1)。
表1 混凝土表面氟碳涂料及相应涂层技术指标
检验项目标 准检验依据涂料及漆膜外观满足标准色卡的色差范围 GB/T3181—2008漆膜颜色标准固体含量≥55% GB1725—1979涂料固化含量测定法可溶物含氟量≥24% HG/T3792—2005交联型氟树脂涂料附着力(拉开法)≥6MPa GB/T5210—2006色漆和清漆拉开法附着力试验表干时间(25℃)≤4h GB1728—1979漆膜、腻子膜干燥时间测定法实干时间(25℃)≤24h细 度≤35μm GB1724—1979涂料细度测定法柔韧性1mm GB1750—1979涂料流平性测定法冲击强度≥50cm GB/T1732—1993漆膜耐冲击测定法耐酸性(10%H2SO4)240h无异常 GB/T9274—1988色漆和清漆耐液体介质的测定耐碱性(10%NaOH)240h无异常抗氯离子渗透性(活动涂层抗氯离子的渗透性试验，30d)≤50×10-3mg/(cm2·d) JT/T695—2007混凝土桥梁结构表面涂层防腐蚀技术条件耐磨性(1kg·500r)≤005g GB1768—1979漆膜耐磨性测定法抗拉强度≥10MPa GB/T528—2009硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定断裂伸长率≥100%耐紫外老化保光率(6000h)≥70% GB/T14522—2008机械工业产品用塑料、涂料、橡胶材料人工气候老化试验方法荧光紫外灯
2.3 氟碳涂层体系配套方案
依据腐蚀环境作用等级，并经现场测试与调整，确定了适用于高温高湿强腐蚀海洋环境下的防腐蚀氟碳涂层体系配套方案，见表2。
表2 防腐蚀氟碳涂层体系配套方案
产品类别涂装道数干膜厚度/μm参考用量/(kg/m2)渗透性环氧封闭底漆240～60012～020环氧云铁中间漆1～2100～150030～045氟碳面漆270～100025～035
3.1 基底要求
混凝土基体表面状态直接影响涂层与基面的附着力，进而影响涂层的防护效果和寿命。涂装前应尽可能保证混凝土外表面处于面干状态(表面含水量不宜大于6%)，目测混凝土表面应无潮湿痕迹，手触时无潮湿感。混凝土养护龄期不少于28 d。
混凝土基体应保持清洁，必须对混凝土进行良好的基面处理。基面处理宜使用打磨机或喷砂工艺进行清洁，彻底去除混凝土表面残留的养护剂、水泥浆、尖角、碎屑、苔藓、油污等污染物及其他松散附着物。打磨完成后，可以用高压清洁淡水(压力不小于20 MPa)对混凝土表面进行清洗，清洗后应自然干燥72 h。
当混凝土基体有蜂窝、露石以及大于0.2 mm的裂缝时，应对基体进行修补，喷涂修补后混凝土基体的养护龄期不得少于14 d。
3.2 涂装环境要求
喷涂时混凝土基体的表面温度应在4～40 ℃，并高于露点温度至少3 ℃，环境的相对湿度不宜超过85%，现场不允许有明火，且保持通风条件。环境温度低于5 ℃或高于40 ℃，风力大于4级或有降雨时，不得施工。
3.3 涂装过程要求
涂装可采用刷涂、辊涂或喷涂方式进行作业。涂装过程应满足以下要求：
1)涂料使用时应严格按照产品说明的组分数和配合比进行混合。必要时可使用稀释剂对涂料进行稀释，稀释剂添加比例不得超过原涂料质量的5%。
2)底涂涂装时应使混凝土表面达到饱和渗透状态，即混凝土表面应能明显观察到底涂材料残留的液膜。
3)涂装时应控制涂料用量，尽量避免流挂现象出现。
4)各涂层间的涂装间隔时间不得超过48 h。
5)喷涂的空气应干净，无油无水，空气压力控制在0.4～0.6 MPa。
6)涂装过程中注意成品保护，下道工序施工时要确保对上道工序的成品无损坏和污染。
7)各个涂层要涂装到位，不得漏涂。
3.4 养护
为避免涂装效果受到影响，混凝土结构表面涂装完毕后6 h内不得直接与水接触。
当施工结束后，应对涂层的厚度和附着力进行测定[10]，以衡量涂层的施工质量。具体如下：
1)涂装完成后7 d，应进行涂层干膜厚度测定。涂层体系总干膜平均厚度应≥210 μm，总干膜最小厚度应≥189 μm。当不符合上述要求时，应根据情况进行局部或全面补涂，直至达到要求的厚度。涂层厚度检测应符合“90-10”原则，即允许有10%的读数低于规定值，但每一单独读数不得低于规定值的90%。
2)涂装完成后7 d，应使用胶带法进行涂层附着力检测。在确保涂层表面清洁的情况下，在涂层表面做2道切口，每道约40 mm长，2道切口以较小的30°～45°角在其中心附近相交。做切口时，使用直尺并均匀透过涂层一直用力切到底材上。按均匀速度撕下一段黏结强度为(10±1)N/25 mm的胶粘带，除去最前面一段，前后剪下约75 mm的胶粘带。把该胶粘带的中心点放在切口的交点上，并沿着较小的角向同一方向延伸。用手指将切口区域内的胶粘带弄平。透明胶粘带下的颜色可以用来表示胶粘带与涂层是否已完全粘牢。在贴上胶粘带5 min内，拿住胶粘带悬空的一端，并将其翻转到尽可能接近180°的位置上，迅速地将胶粘带撕下。检查切口区域的涂层与混凝土基底或与前一道涂层分离的情况，分离程度在任一边上≤1.6 mm为合格。
5.1 经济效益
采用本技术时建造成本会有所提高，但相比于涂层材料的费用而言，结构自身受到腐蚀而造成的维修和更新费用更为巨大。在严重腐蚀环境下，未经防腐蚀处理的钢筋混凝土结构有效服役时间远低于经防腐蚀处理后的钢筋混凝土结构。部分未经防腐蚀处理的结构物在服役3～4年后就会出现严重的破坏情况，必须进行维修处理。而经防腐蚀处理后的钢筋混凝土结构一般是可以持续服役的。所以，随着结构物服役时间的延长，采用本技术的经济优势会愈加明显。对处于严重腐蚀环境下的混凝土结构而言，从全寿命期的角度来考虑经济效益，采用强化措施的结构物在全寿命期内总费用比普通工程要低得多。
5.2 环保和节能效益
一方面，本技术中使用的材料本身为环保性材料，另一方面，由于采用防护处理而减少了对混凝土本体进行的维修作业，这大幅减少了维修施工对环境的影响和污染，并节约了能源。
5.3 社会效益
采用防护处理，一方面提高了结构物的美观性，另一方面也减少了后续维修作业的影响，社会效益明显。
相较于后期修复而言，混凝土表面氟碳涂层技术在安全、经济、环保、节能和社会效益方面均具有优势，已成功应用于高温高湿强腐蚀海洋环境下的混凝土表面防护工程中，实际防护效果良好。该技术大幅提升了钢筋混凝土结构的耐久性，为其长期安全服役提供了保证。
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YANG Yulong1,DING Huying1,CAO Chaofeng1,CHENG Guanzhi2
(1.The Construction Engineering Co.,Ltd. of CTCE Group,Hefei Anhui 230071,China;
2.Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)
Abstract The surface f luorocarbon coating system was designed to protect the railway concrete served in marine environment with high temperature and high humidity for long-term.The application technical requirements of coating system were clarif ied.On this basis，the construction measures were specif ied and the quality evaluation system was completed.The successful applications of coating protection technology under the corresponding working conditions were realized.Benef it analysis shows that the application of coating technology reduces the maintenance costs of the railway concrete in the total life cycle，possessing both environmental and social benef its.
Key words Material engineering;Railway concrete;Fluorocarbon coating;Application technology;Marine environment;Durability
文章编号：1003-1995(2017)10-0135-04
中图分类号 TU528.33
文献标识码：A
DOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2017.10.36
收稿日期：2017-04-06；
修回日期：2017-07-14
基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划(2014G004-R)
作者简介：杨玉龙(1978— )，男，高级工程师。
E-mail:287646281@qq.com
(责任审编 周彦彦)
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