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铁路混凝土桥梁耐久性涂装

2018-02-05 10:09:55
作者:本网整理
来源:现代涂料与涂装

混凝土桥梁是铁路的重要设施,其长度在新建高铁线路的占比已达到30%以上,桥梁的耐久性防护也越来越受到铁路有关部门的重视,针对混凝土桥梁不同部位及所处的环境提出了不同的防护体系或方案,并制定了相应的标准,如对于混凝土桥梁桥面采用防水卷材或防水涂料进行防护,桥梁梁体进行耐久性涂装等。

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    0 引言


    混凝土桥梁是铁路的重要设施,其长度在新建高铁线路的占比已达到30%以上,桥梁的耐久性防护也越来越受到铁路有关部门的重视,针对混凝土桥梁不同部位及所处的环境提出了不同的防护体系或方案,并制定了相应的标准,如对于混凝土桥梁桥面采用防水卷材或防水涂料进行防护,桥梁梁体进行耐久性涂装等。


    从目前国内市场上能用于混凝土桥梁涂装的涂料产品质量检测显示,存在的问题主要为涂层的柔性、耐低温和耐紫外老化等性能较差,如涂层的断裂伸长率一般在100%以下、在-20 ℃就出现脆性断裂、人工紫外加速试验在1 000 h就出现变色和粉化等,难以满足低温、紫外线辐射强等恶劣环境下耐久性保护要求。为此,铁路总公司在“时速400 km特殊严寒地区高速铁路线桥隧关键技术研究”和“川藏铁路混凝土桥梁耐久性设计”中将混凝土桥梁的耐久性涂装列为研究内容之一,要求从涂装防护材料的选择及配方优化等方面进行研究,建立性能评价及测试方法,解决涂料与混凝土基面附着力、提高耐紫外老化性能等关键技术。


    1 原材料的选择和制备


    因为混凝土属刚性材料,表面存在微小裂纹,所以柔性材料有利于实现混凝土结构的耐久性涂装保护。选择耐候性多元醇与常温固化型氟碳树脂复配通过与自合成的柔性异氰酸酯预聚体进行反应实现涂料的柔性化。


    1.1 聚醚多元醇的选择


    聚醚多元醇含有大量的醚键,由于醚键较易旋转,具有很好的柔顺性,因此有优越的耐低温性能、弹性变形和弹性回复率等性能,同时分子量越高、分子链越长,性能越好,所以选择分子量较高的聚醚如N210、N220等。同时考虑固化情况及力学性能,聚醚中需要一定量的聚醚三醇来增加交联点。


    1.2 柔性异氰酸酯预聚体的合成


    通过不同聚醚多元醇的复配与不同量的HDI 或IPDI在不同条件下的反应制成不同相对分子质量及NCO含量的异氰酸酯预聚体。


    合成步骤:在装有搅拌器、温度计的三口烧瓶中加入准确计量的聚醚多元醇混合物,在温度100~120 ℃的真空条件下,脱水至水分含量为0.05%以下,然后降温至50~60 ℃,再加入计算量的HDI、IPDI和适量催化剂。在设定温度下反应一定时间,测定体系的—NCO基团质量分数,当接近设计值时,降温出料。


    预聚体—NCO 含量是影响聚氨酯涂层综合性能的关键因素,可以通过调整—NCO 含量来改善聚氨酯涂层的综合性能。表1列出了不同—NCO含量对涂层拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量影响的测试结果,试验时保持多元醇组分配比不变。


    从试验数据可以得出,随着预聚体中—NCO含量的增加,聚氨酯涂层的强度逐渐增加,断裂伸长率显著降低,弹性模量明显变大。这是因为—NCO含量越高,涂层中生成的极性基团氨基甲酸酯数量越多,导致分子链间相互作用力越大,拉伸时分子间较强的相互作用力阻碍分子链的伸展和滑移,从而表现为涂层强度的增加和伸长率的下降。同时—NCO含量的增加,使反应生成的涂层中刚性链段含量增大,涂层形变时所受拉伸力明显变大,因而弹性模量也随之增大。综合考虑—NCO含量对涂层力学性能的影响,选择—NCO为6%。


    2 柔性面漆的制备及性能测试


    2.1 配方的确定


    柔性面漆为双组分,其中A组分为聚醚多元醇、氟碳树脂、钛白粉、填料、紫外线吸收剂、助剂(消泡剂、流平剂、成膜助剂等)、溶剂等。B组分为自合成的柔性异氰酸酯预聚体。通过对涂层的拉伸强度、断裂伸长率、低温柔性等技术指标测定确定基本配方,经过反复试验,得出基本配方为:1)A组分:氟碳树脂:30%~50%,聚醚多元醇:10%~40%,钛白粉:10%~25%,填料:5%~20%,紫外线吸收剂:1.0%~3.0%,流平剂:0.3%~2.0%,消泡剂:0.3%~1.6%,成膜助剂:1.0%~2.0%,稀释剂:余量。2)B组分:自合成柔性异氰酸酯预聚体:—NCO含量为5.5%~6.5%。3)mA∶mB =2∶1。


    2.2 面漆的制备


    A组分:先将树脂放入分散罐中,在高速搅拌条件下依次加入固态颜料,高速分散15 min后加入液态组分,再高速分散10 min后,进入砂磨机进行研磨。


    B组分:直接分装。


    2.3 性能测试


    对制备的面漆进行了包括力学性能等技术指标的测试,测试结果见表2。


    3 现场应用


    北盘江特大桥是沪昆高铁全线跨度最大的桥梁工程,位区属亚热带湿润季风气候,年均气温15~18 ℃,极端最高气温 32.6 ℃,极端最低气温-4 ℃;月平均气温最高为23.4℃,月平均气温最低为5.8 ℃。根据桥址区30年气象统计资料,年平均湿度为 82.4%,因该桥位于某电站大坝下游1.5km 处,湿度比该统计值更高。为保证该桥混凝土结构的使用寿命,在2016年6月实施了耐久性保护涂装,面漆采用本文介绍的柔性面漆,保护体系见图1。涂装部位及总面积见表3 。


    施工工艺为:清除桥梁混凝土结构表面的粉化层、浮浆层及剥离、酥松部分,并保持基面干燥,然后依次涂装封闭底漆、中间漆和耐候柔性面漆。图2是涂装前后的照片。2017年6月进行现场检查,结果显示经过1 a的实际应用,涂层整体颜色一致,光泽均匀、无变色,没有出现裂纹、剥落等病害。


    4 结语


    研制的柔性耐候面漆涂层具有优异的力学性能,拉伸强度≥10 MPa,断裂伸长率≥150%;在-30℃的低温下仍保持柔性;耐候性优异。


    经过1 a的现场运行考验,防护涂装体系整体质量良好,没有出现变色、裂纹、剥离等病害,具有优异的耐久性。

 

    作者:杜存山1,南 阳1,吕万青2,祝和权1,王 涛1

 

    (1. 中国铁道科学研究院金属及化学研究所,北京 100081;2. 安徽铁创新材料科技有限公司,合肥 230088)

 

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责任编辑:王元

 


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标签: 铁路, 桥梁, 混凝土, 涂装

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