新型石墨烯重防腐涂料 以耐久防腐和少維護為目標

基于傳統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，已建成的鋼結構橋梁，最高設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，采用了自主創新的“石墨烯重防腐涂裝體系”，將實現30年超長防腐壽命的突破。

世界首座跨海高鐵大橋——設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，護欄設計為波浪形，寓意為“泉州作為福建省經濟第一強市、古代海上絲綢之路的起點及當時的東方第一大港”，將在21世紀海上絲綢之路的發展契機下，揚帆起航，重現海上貿易和世界大港的輝煌。

“泉州灣跨海高鐵大橋，創新采用了‘石墨烯重防腐涂裝體系’，將實現30年超長防腐壽命的突破。”中國鐵建第四勘察設計院集團有限公司(以下簡稱鐵四院)福廈高鐵指揮長李平卓說。據悉，目前國內已建成橋梁的最長設計防護壽命，均在25年以內。

以耐久防腐和少維護為目標

解決海洋對大橋的腐蝕問題，是設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面臨的共同問題。

中國腐蝕與防護學會2014年的調研結果表明，世界各國每年腐蝕成本約占各國國內生產總值的3%—5%，大于自然災害、各類事故損失的總和。我國2014年腐蝕總成本超過2萬億元，約占同年國內生產總值的3.34%。

“在海洋環境中，多種因素導致工程設備更易受腐蝕損傷。”鐵四院橋梁院總工程師嚴愛國說。

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，形成含有電解質溶液的薄膜，恰與鋼鐵中的鐵和少量的碳構成原電池。

“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計負責人曾甲華說。

鋼結構的主要防腐方法是選用耐用的重防腐涂層。

根據我國鐵路和公路橋梁鋼結構防腐涂裝體系的現行標準，基于傳統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，已建成的鋼結構橋梁，最好的設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，他們的計算結果表明，按造價150元/平方米計算，100年內大橋需涂裝7次(含通車后復涂6次)，合計費用1.05億元。

中鐵二院設計團隊意識到，泉州灣跨海高鐵大橋設計標準為100年，必須找到一種新材料，實現橋梁耐久防腐和減少維護的目標。

借航空石墨烯技術研制重防腐涂裝

正在建設的福廈高速鐵路線路全長300.483公里，設計行車速度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，為全線規模最大、難度最高的關鍵控制性工程。

業內統計顯示，由于國內橋梁主體鋼結構防腐涂裝體系防腐年限一般在15年以內，部分附屬結構鋼構件在3—5年內即會出現涂裝起泡剝落現象而需重新涂裝。

“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，鋼結構涂裝維護(修補、清除、重涂)操作困難、成本高昂。”嚴愛國說，因此在設計時需要考慮減少對高鐵橋梁的維護次數。

泉州灣跨海高鐵大橋設計標準為100年，什么材料能達到鋼結構高防腐要求?通過多方調研，設計團隊把目光瞄向了石墨烯。

“由于納米級石墨烯的片層結構層層疊加、交錯排列，用石墨烯改性防腐涂料，可在涂層中形成‘迷宮式’屏蔽結構，構成一道屏蔽阻隔。”嚴愛國說，這種屏蔽結構能夠有效抑制腐蝕介質的浸潤、滲透和擴散，提高涂層的物理阻隔性。同時，還可延長腐蝕介質的滲透擴散路徑，從而提高涂層的抗滲透性和使用壽命。

早在2016年，國家已將石墨烯改性防腐涂料列入了“十三五”規劃以及工信部重點發展的新材料清單，作為重點研發項目開始大力推進我國石墨烯改性防腐涂料的發展。

近年來，作為我國唯一面向航空，從事航空先進材料應用基礎研究、材料研制與應用技術研究和工程化研究的綜合性科研機構，中國航空發動機集團北京航空材料研究院(以下簡稱北京航材院)通過創新工藝，將石墨烯材料與熱塑性特種工程樹脂復合，研制出一系列復合材料，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構防腐技術方案和工程的應用可行性。

“‘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。”嚴愛國說。

耐鹽霧性為現有技術及標準的5倍以上

設計團隊充分利用石墨烯材料，對傳統涂裝體系進行改性，利用片狀鋅粉、石墨烯、片狀云母的鱗片型涂層結構，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，耐鹽霧性為現有技術及標準的5倍以上，耐人工加速老化性可達現有技術的3倍以上。

仿真計算及試驗表明，創新研究的“石墨烯重防腐涂裝體系”可實現鋼結構在海洋腐蝕大氣環境下30年及以上的超長壽命耐久目標。

“石墨烯重防腐涂裝體系”將為跨海大橋建設帶來顯著效益。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年的設計涂裝壽命，100年內只需涂裝4次，可節約投資45%以上，近5000萬元。

專家認為，“石墨烯重防腐涂裝體系”實現了各類大氣環境下長效防腐和功能化、輕量化及環保性的統一，較傳統重防腐涂料防腐性能提高3倍以上，是我國自主知識產權的新一代重防腐涂料的發展方向，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條件及驗收標準》和《鱗片型鋅粉底漆》等技術標準。涂裝體系也已應用于泉州灣跨海高鐵大橋、安海灣跨海大橋的鋼結構，涵蓋鋼箱梁、鋼桁梁和附屬鋼構件(欄桿)等各類鋼結構，并擬推廣應用到廣州至湛江高速鐵路的橋梁鋼結構。”嚴愛國說。(矯 陽)