自主创新“石墨烯重防腐涂装体系” 将实现30年超长防腐寿命的突破

2021-08-04 09:21:33   来源:科技日报

基于传统涂层材料和涂装体系,即使采用国外知名涂料公司的材料或通过增加涂膜厚度的方法,已建成的钢结构桥梁,最高设计防护寿命一般也不超过25年。而即将合龙的福厦高铁泉州湾跨海大桥,采用了自主创新的“石墨烯重防腐涂装体系”,将实现30年超长防腐寿命的突破。

世界首座跨海高铁大桥——设计行车速度为每小时350公里的福厦高铁泉州湾跨海大桥(以下简称泉州湾跨海高铁大桥),将于8月6日合龙。

大桥采用了贝壳形曲线桥塔,护栏设计为波浪形,寓意为“泉州作为福建省经济第一强市、古代海上丝绸之路的起点及当时的东方第一大港”,将在21世纪海上丝绸之路的发展契机下,扬帆起航,重现海上贸易和世界大港的辉煌。

“泉州湾跨海高铁大桥,创新采用了‘石墨烯重防腐涂装体系’,将实现30年超长防腐寿命的突破。”中国铁建第四勘察设计院集团有限公司(以下简称铁四院)福厦高铁指挥长李卓说。据悉,目前国内已建成桥梁的最长设计防护寿命,均在25年以内。

以耐久防腐和少维护为目标

解决海洋对大桥的腐蚀问题,是设计跨海大桥遇到的一大难题。资料显示,腐蚀是世界各国工程建设面临的共同问题。

中国腐蚀与防护学会2014年的调研结果表明,世界各国每年腐蚀成本约占各国国内生产总值的3%—5%,大于自然灾害、各类事故损失的总和。我国2014年腐蚀总成本超过2万亿元,约占同年国内生产总值的3.34%。

“在海洋环境中,多种因素导致工程设备更易受腐蚀损伤。”铁四院桥梁院总工程师严爱国说。

原来,在潮湿的空气中,钢铁表面形成的水膜,会溶解大气中的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体,使水膜中含有一定量的氢离子,形成含有电解质溶液的薄膜,恰与钢铁中的铁和少量的碳构成原电池。

“而海气中弥散的大量盐,又促使电子在溶液中快速移动,这种导电作用,加快了钢铁的腐蚀速度。”铁四院泉州湾跨海高铁大桥设计负责人曾甲华说。

钢结构的主要防腐方法是选用耐用的重防腐涂层。

根据我国铁路和公路桥梁钢结构防腐涂装体系的现行标准,基于传统涂层材料和涂装体系,即使采用国外知名涂料公司的材料或通过增加涂膜厚度的方法,已建成的钢结构桥梁,最好的设计防护寿命一般也不超过25年。

泉州湾跨海高铁大桥钢梁全长800米,涂装面积约10万方米。“采用目前世界最好的涂料和施工方法,15年左右就要进入维护阶段。”曾甲华告诉记者,他们的计算结果表明,按造价150元/方米计算,100年内大桥需涂装7次(含通车后复涂6次),合计费用1.05亿元。

中铁二院设计团队意识到,泉州湾跨海高铁大桥设计标准为100年,必须找到一种新材料,实现桥梁耐久防腐和减少维护的目标。

借航空石墨烯技术研制重防腐涂装

正在建设的福厦高速铁路线路全长300.483公里,设计行车速度350公里/小时。“桥梁的长度占线路总长的三分之一,其中跨海大桥3座,从福州往厦门方向,依次为湄洲湾、泉州湾、安海湾。”李卓表示,其中泉州湾跨海高铁大桥全长20.3公里,主跨400米,为全线规模最大、难度最高的关键控制工程。

业内统计显示,由于国内桥梁主体钢结构防腐涂装体系防腐年限一般在15年以内,部分附属结构钢构件在3—5年内即会出现涂装起泡剥落现象而需重新涂装。

“铁路干线及高速铁路具有运载量大、高速列车行车密集、天窗时间短等特点,钢结构涂装维护(修补、清除、重涂)操作困难、成本高昂。”严爱国说,因此在设计时需要考虑减少对高铁桥梁的维护次数。

泉州湾跨海高铁大桥设计标准为100年,什么材料能达到钢结构高防腐要求?通过多方调研,设计团队把目光瞄向了石墨烯。

“由于纳米级石墨烯的片层结构层层叠加、交错排列,用石墨烯改防腐涂料,可在涂层中形成‘迷宫式’屏蔽结构,构成一道屏蔽阻隔。”严爱国说,这种屏蔽结构能够有效抑制腐蚀介质的浸润、渗透和扩散,提高涂层的物理阻隔。同时,还可延长腐蚀介质的渗透扩散路径,从而提高涂层的抗渗透和使用寿命。

早在2016年,国家已将石墨烯改防腐涂料列入了“十三五”规划以及工信部重点发展的新材料清单,作为重点研发项目开始大力推进我国石墨烯改防腐涂料的发展。

年来,作为我国唯一面向航空,从事航空先进材料应用基础研究、材料研制与应用技术研究和工程化研究的综合科研机构,中国航空发动机集团北京航空材料研究院(以下简称北京航材院)通过创新工艺,将石墨烯材料与热塑特种工程树脂复合,研制出一系列复合材料,不同程度地增强了树脂基体的耐热、抗腐蚀、耐磨损能以及拉伸、弯曲、冲击等力学能。

铁四院依托北京航材院等多家单位的研究成果,立项“石墨烯重防腐涂装体系”,研究其在福厦高铁跨海大桥钢结构防腐技术方案和工程的应用可行

“‘石墨烯重防腐涂装体系’研究历时两年多,开展了材料组分设计和系列腐蚀试验(耐盐雾、耐人工加速老化)等大量研究工作。”严爱国说。

耐盐雾为现有技术及标准的5倍以上

设计团队充分利用石墨烯材料,对传统涂装体系进行改,利用片状锌粉、石墨烯、片状云母的鳞片型涂层结构,大幅提升了涂装体系的防腐防护能。

这个“石墨烯重防腐涂装体系”的真容是什么?“是石墨烯纳米材料改鳞片型醇溶无机富锌底漆和超耐候氟碳面漆。”严爱国解释道,耐盐雾能检测试验报告表明,70微米底漆涂层的耐盐雾能达到1万小时以上,耐盐雾为现有技术及标准的5倍以上,耐人工加速老化可达现有技术的3倍以上。

仿真计算及试验表明,创新研究的“石墨烯重防腐涂装体系”可实现钢结构在海洋腐蚀大气环境下30年及以上的超长寿命耐久目标。

“石墨烯重防腐涂装体系”将为跨海大桥建设带来显著效益。以泉州湾跨海高铁大桥为例,曾甲华说,采用“石墨烯重防腐涂装体系”,按照30年的设计涂装寿命,100年内只需涂装4次,可节约投资45%以上,5000万元。

专家认为,“石墨烯重防腐涂装体系”实现了各类大气环境下长效防腐和功能化、轻量化及环保的统一,较传统重防腐涂料防腐能提高3倍以上,是我国自主知识产权的新一代重防腐涂料的发展方向,并有助于打破国外诸多涂料巨头对我国80%重防腐涂料市场的垄断。

“目前,技术团队已编制出《泉州湾跨海大桥、安海湾特大桥钢梁超长寿命耐久防腐涂装体系技术条件及验收标准》和《鳞片型锌粉底漆》等技术标准。涂装体系也已应用于泉州湾跨海高铁大桥、安海湾跨海大桥的钢结构,涵盖钢箱梁、钢桁梁和附属钢构件(栏杆)等各类钢结构,并拟推广应用到广州至湛江高速铁路的桥梁钢结构。”严爱国说。

关键词: 自主创新 石墨烯 重防腐涂装体系 超长防腐寿命

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