新型石墨烯重防腐涂料将跨海大桥钢梁防护寿命延长至30年

受访者提供的泉州湾跨海高铁大桥正在进行合龙准备工作。

基于传统的涂层材料和体系，即使采用国外知名涂层公司的材料或通过增加涂层厚度，已建成的钢结构桥梁的最大设计保护寿命一般不超过25年。 即将合龙的福厦高铁泉州湾​​跨海大桥采用自主创新的“石墨烯重防腐涂层系统”，将实现30年超长防腐的突破防腐寿命。

世界第一座跨海高铁大桥——福厦高铁泉州湾​​跨海大桥（以下简称泉州湾跨海高铁大桥），设计时速350公里每小时一次，将于8月6日关闭。

大桥采用贝壳形弧形桥塔，护栏设计成波浪形，寓意“泉州作为福建省经济实力最强的城市、古代海上丝绸之路的起点和最大的港口”。届时，“东方”将在21世纪海上丝绸之路中发挥重要作用。 乘着道路发展机遇，扬帆起航，再创海上贸易和世界大港的辉煌。

“泉州湾跨海高铁大桥创新性地采用‘石墨烯重防腐涂层系统’，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）福厦高铁指挥员李平卓说。 据悉，我国建成的桥梁最长设计保护寿命在25年以内。

旨在实现持久防腐和低维护

解决桥梁海洋腐蚀问题是跨海桥梁设计的一大难题。 数据显示，腐蚀是世界各国工程建设面临的共同问题。

据中国腐蚀与防护学会2014年调查结果显示，世界各国每年的腐蚀成本约占各国GDP的3%~5%，大于自然灾害和各种灾害造成的总损失。事故。 2014年我国腐蚀总成本超过2万亿元，约占当年GDP的3.34%。

“在海洋环境中，各种因素使得工程设备更容易受到腐蚀损坏。” 铁道四院桥梁研究所总工程师严爱国说。

原来，在潮湿的空气中，钢材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，形成一层薄薄的水膜。含有电解质溶液的薄膜，就像钢一样。 其中的铁和少量碳形成原电池。

“海洋空气中分散的大量盐促使电子在溶液中快速移动。这种导电效应加速了钢铁的腐蚀速度。” 铁色源泉州湾跨海高铁大桥设计负责人曾家华说。

钢结构的主要防腐方法是使用耐用的重防腐涂料。

根据我国现行铁路、公路桥梁钢结构防腐涂装体系标准，在传统涂装材料和涂装体系的基础上，即使采用国外知名涂装公司的材料或通过增加涂层根据厚度，已建成的钢结构桥梁的最佳设计保护寿命一般不超过25年。

泉州湾跨海高铁大桥钢梁长800米，涂装面积约10万平方米。 “采用世界上最好的涂料和施工方法，15年左右就会进入维护阶段。” 曾家华告诉记者，他们测算，按照150元/平方米的建设成本计算，这座桥在100年内需要粉刷7次（其中通车后需要重新粉刷6次），总成本为1.05亿元。 。

中铁第二工程院设计团队认识到，泉州湾跨海高铁大桥的设计标准是100年，必须找到一种新材料来实现桥梁持久防腐和减少维护的目标。桥。

利用航空石墨烯技术开发重防腐涂料

正在建设的福厦高铁线路全长300.483公里，设计时速350公里。 “桥梁长度占线路总长度的三分之一，其中包括从福州到厦门的三座跨海大桥，分别是湄洲湾、泉州湾和安海湾。” 李平卓说，其中泉州湾跨海高铁大桥全长20.3公里，主跨400米，是全线规模最大、难度最大的重点控制工程。

行业统计显示，由于国内桥梁主体钢结构的防腐涂层系统防腐寿命普遍不足15年，部分附属结构钢构件在3-5年内就会出现涂层起泡、剥落现象，需要进行防腐处理。重新粉刷。

“干线铁路和高铁具有运载量大、高铁车流密集、天窗时间短等特点，钢结构涂装维护（维修、拆除、重新涂装）难度大、成本高。” 严爱国表示，所以在设计时需要考虑减少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。 哪些材料可以满足钢结构的高防腐要求？ 经过多方考察，设计团队将目光投向了石墨烯。

“由于纳米级石墨烯的层状结构是逐层堆叠、交错排列的，石墨烯改性防腐涂料可以在涂层中形成‘迷宫式’的屏蔽结构，形成屏蔽屏障。” 颜爱国表示，这种屏蔽结构可以有效抑制腐蚀介质的渗透、渗透和扩散，提高涂层的物理阻隔性能。 同时还可以延长腐蚀介质的渗透和扩散路径，从而提高涂层的抗渗透能力和使用寿命。

早在2016年，国家就已将石墨烯改性防腐涂料列入“十三五”规划和工信部重点发展的新材料名单。 作为重点研发项目，已开始大力推动我国石墨烯改性防腐涂料的发展。

近年来钢结构防腐涂料涂装前，作为我国唯一一家面向航空领域从事先进航空材料应用基础研究、材料开发应用技术研究和工程研究的综合性科研机构，中国航天发动机集团北京航空材料研究院（以下简称航空材料研究院）简称北京航空材料研究院）通过创新工艺，将石墨烯材料与热塑性特种工程树脂复合，开发出一系列复合材料，增强了耐热、耐腐蚀、耐磨、拉伸、弯曲、冲击等性能不同程度地影响树脂基体的机械性能。 。

铁道四院依托北京航天材料研究院等单位的研究成果，立项“石墨烯重防腐涂层体系”，研究其在钢结构防腐技术方案和项目中应用的可行性福厦高铁跨海大桥。

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

耐盐雾性能是现有技术和标准的5倍以上

设计团队充分利用石墨烯材料对传统涂层体系进行改造，采用片状锌粉、石墨烯、片状云母的鳞片式涂层结构，大大提高了涂层体系的防腐防护性能。

这个“石墨烯重防腐涂层体系”的真实内容是什么？ “它是石墨烯纳米材料改性的片状醇溶性无机富锌底漆和超耐候氟碳面漆。” 严爱国解释说，耐盐雾测试报告显示，70微米底漆涂层的耐盐雾性能达到10000小时以上，耐盐雾性能是现有技术和标准的5倍以上，并且耐人工加速老化性能是现有技术的3倍以上。

模拟计算和实验表明，创新研究的“石墨烯重防腐涂层体系”可以实现钢结构在海洋腐蚀大气环境下30年以上的超长寿命耐久性目标。

“石墨烯重防腐涂层系统”将为跨海大桥建设带来显着效益。 以泉州湾跨海高铁大桥为例，曾家华表示，采用“石墨烯重防腐涂料系统”钢结构防腐涂料涂装前，按照涂层设计寿命30年计算，只需涂刷四次100年可节省投资45%以上。 5000万元。

专家认为，“石墨烯重防腐涂层系统”实现了各种大气环境下的长效防腐、功能化、轻量化、环保化的统一。 与传统重防腐涂料相比，防腐性能提高3倍以上。 这是我国的自主知识。 新一代具有产权的重防腐涂料的发展方向，将有助于打破国外众多涂料巨头对我国80%重防腐涂料市场的垄断。

目前，技术团队已编制了《泉州湾跨海大桥、安湾大桥钢梁超长寿命耐久防腐涂层系统技术条件及验收标准》《鳞片锌粉末底漆”。该涂装系统也已应用于泉州湾跨海高铁大桥、安海湾跨海大桥使用的钢结构，覆盖钢箱梁、钢桁梁及附属钢结构等各类钢结构构件（栏杆），拟应用于广湛高铁桥梁钢结构。 严爱国说道。 （记者焦阳）