背板的內(nèi)層材料及工藝方式都有向氟碳涂料涂層膜方向發(fā)展的趨勢。CPC 結(jié)構(gòu)的 FFC(雙面四氟型涂層材料)氟碳涂層背板近8年持續(xù)穩(wěn)定供電約15GW,大量戶外實(shí)際電站運(yùn)行驗(yàn)證,電站運(yùn)行正常,背板材料與初始比較幾乎沒有變化,克服了傳統(tǒng)復(fù)合型背板易產(chǎn)生層間粘結(jié)失效、黃變失效和粉化的問題,積累了大量的應(yīng)用數(shù)據(jù)。 XFB 結(jié)構(gòu)背板的 X(代表氟膜),當(dāng)前主要以為主,對(duì)比產(chǎn)品與國產(chǎn)氟膜產(chǎn)品,主要的區(qū)別在于兩方面:一是氟膜生產(chǎn)商的生產(chǎn)設(shè)備先進(jìn)、工藝配方成熟、原料控制手段完善;二是氟膜均有較長的生產(chǎn)歷史,戶外應(yīng)用經(jīng)歷和案例多。國產(chǎn)氟膜生產(chǎn)商如何克服當(dāng)前的技術(shù)和裝備問題并且穩(wěn)定持續(xù)是氟膜國產(chǎn)化進(jìn)程中大的難題。長期的戶外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明:若背板內(nèi)、外層均為含氟型材料,則該類型背板具有更好的耐候性。背板材料耐候性優(yōu)劣的主要區(qū)別還在于材料自身分子結(jié)構(gòu)中是否含有C—F鍵(如圖 5 所示),氟原子的電負(fù)性是所有元素中強(qiáng)的,C—F鍵的鍵長短,鍵能大(485.6kJ/mol),能抵抗太陽光中波長為 220~380nm的紫外光光子能量對(duì)其分子鍵的破壞,而小于220nm波長的紫外線光子本身在太陽光中含量較少,這些短波紫外線在照向地球過程中已基本完全被地球外圍臭氧層所吸收,能達(dá)到地球表面的太陽光幾乎對(duì)含氟聚合物沒有分解影響 。同時(shí)從圖 5 可以進(jìn)一步看出,含氟聚合物分子結(jié)構(gòu)中氟原子呈螺旋形緊密排列,氟原子很好地保護(hù)了內(nèi)層非氟分子及其間相互作用鍵,從而使含氟材料具有優(yōu)異的耐候性、耐熱性、耐高低溫性和耐化學(xué)穩(wěn)定性等,這些是非氟材料不具有的優(yōu)勢,因而含氟型背板仍是現(xiàn)階段及今后很長一段時(shí)間應(yīng)用的主流。涂層技術(shù)在太陽能背板材料中的應(yīng)用發(fā)展,突破了傳統(tǒng)復(fù)合工藝的限制,讓背板差異化和功能化的設(shè)想得以輕松實(shí)現(xiàn),打開了背板以涂覆技術(shù)和材料功能選型決定來區(qū)分其功能結(jié)構(gòu)的窗口,同時(shí)也打開了氟碳涂料在太陽能電站在其他材料防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用(如支架、接線盒、控制設(shè)施)的窗口。

針對(duì)在濕熱海洋環(huán)境下長期服役的鐵路混凝土,設(shè)計(jì)了表面氟碳涂層成套體系,明確了涂層體系應(yīng)用技術(shù)要求,在此基礎(chǔ)上規(guī)范了施工措施并完善了質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,實(shí)現(xiàn)了涂層防護(hù)成套技術(shù)在相應(yīng)工況下的成功應(yīng)用。效益分析表明,涂層技術(shù)的應(yīng)用降低了鐵路混凝土的全壽命期維修費(fèi)用,兼具環(huán)保和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞 材料工程;鐵路混凝土;氟碳涂層;應(yīng)用技術(shù);海洋環(huán)境;耐久性
隨著我國對(duì)海洋開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,各類碼頭、跨海大橋、人工島等海洋工程基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)數(shù)量正在逐漸增加。鋼筋混凝土由于具有易澆注、耐沖擊、耐磨等優(yōu)良性能以及較低的工程造價(jià),成為進(jìn)行此類設(shè)施建設(shè)的首選形式。但鋼筋混凝土在海洋環(huán)境下服役時(shí)面臨著較嚴(yán)重的鋼筋銹蝕等腐蝕問題,易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、失效,縮短結(jié)構(gòu)使用壽命[1]。為保證安全服役,必須對(duì)已發(fā)生腐蝕的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù),但技術(shù)難度與所需資金均十分巨大。因此,人們對(duì)處于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土越來越多地采取事前防護(hù)措施以提升其耐久性,從而降低全壽命周期的成本[2-3]。
海南省處于典型的高溫、高濕、強(qiáng)腐蝕等多腐蝕因素耦合作用的海洋環(huán)境下,其區(qū)域內(nèi)鋼筋混凝土的腐蝕問題更為突出,對(duì)效果顯著、實(shí)施簡便、作用持久的混凝土耐久性提升技術(shù)措施的需求更加迫切。在諸多技術(shù)措施中,混凝土表面涂層技術(shù)為簡單有效,不僅可以應(yīng)用到新建結(jié)構(gòu)上,還可以應(yīng)用于已有結(jié)構(gòu)的修復(fù)[4-8]。本文主要介紹成功應(yīng)用于新建海南西環(huán)鐵路提升混凝土耐久性的表面氟碳防腐蝕涂層技術(shù)。
1 工程概況
新建海南西環(huán)鐵路始于既有西環(huán)鐵路??谡?,終于三亞站,線路走向沿海南西部沿海地段,正線全長345 km,設(shè)計(jì)時(shí)速200 km,為I級(jí)雙線鐵路。在西環(huán)鐵路中段,位于海南省儋州市與昌江縣境內(nèi)的珠碧江雙線特大橋全長 3 991 m,橋位與北部灣入??诓蛔? km。由于海水倒灌影響,環(huán)境腐蝕作用異常嚴(yán)重,其中,氯鹽環(huán)境的作用等級(jí)為L3,化學(xué)侵蝕環(huán)境的作用等級(jí)為H4,鹽晶結(jié)晶破壞環(huán)境的作用等級(jí)為Y4,并存在大于Y4等級(jí)的高硫酸鹽含量的極端嚴(yán)重腐蝕環(huán)境,必須對(duì)相應(yīng)環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐蝕強(qiáng)化處理,提升混凝土耐久性。

針對(duì)在濕熱海洋環(huán)境下長期服役的鐵路混凝土,設(shè)計(jì)了表面氟碳涂層成套體系,明確了涂層體系應(yīng)用技術(shù)要求,在此基礎(chǔ)上規(guī)范了施工措施并完善了質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,實(shí)現(xiàn)了涂層防護(hù)成套技術(shù)在相應(yīng)工況下的成功應(yīng)用。效益分析表明,涂層技術(shù)的應(yīng)用降低了鐵路混凝土的全壽命期維修費(fèi)用,兼具環(huán)保和社會(huì)效益。
關(guān)鍵詞 材料工程;鐵路混凝土;氟碳涂層;應(yīng)用技術(shù);海洋環(huán)境;耐久性
隨著我國對(duì)海洋開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,各類碼頭、跨海大橋、人工島等海洋工程基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)數(shù)量正在逐漸增加。鋼筋混凝土由于具有易澆注、耐沖擊、耐磨等優(yōu)良性能以及較低的工程造價(jià),成為進(jìn)行此類設(shè)施建設(shè)的首選形式。但鋼筋混凝土在海洋環(huán)境下服役時(shí)面臨著較嚴(yán)重的鋼筋銹蝕等腐蝕問題,易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、失效,縮短結(jié)構(gòu)使用壽命[1]。為保證安全服役,必須對(duì)已發(fā)生腐蝕的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù),但技術(shù)難度與所需資金均十分巨大。因此,人們對(duì)處于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土越來越多地采取事前防護(hù)措施以提升其耐久性,從而降低全壽命周期的成本[2-3]。
海南省處于典型的高溫、高濕、強(qiáng)腐蝕等多腐蝕因素耦合作用的海洋環(huán)境下,其區(qū)域內(nèi)鋼筋混凝土的腐蝕問題更為突出,對(duì)效果顯著、實(shí)施簡便、作用持久的混凝土耐久性提升技術(shù)措施的需求更加迫切。在諸多技術(shù)措施中,混凝土表面涂層技術(shù)為簡單有效,不僅可以應(yīng)用到新建結(jié)構(gòu)上,還可以應(yīng)用于已有結(jié)構(gòu)的修復(fù)[4-8]。本文主要介紹成功應(yīng)用于新建海南西環(huán)鐵路提升混凝土耐久性的表面氟碳防腐蝕涂層技術(shù)。
1 工程概況
新建海南西環(huán)鐵路始于既有西環(huán)鐵路??谡荆K于三亞站,線路走向沿海南西部沿海地段,正線全長345 km,設(shè)計(jì)時(shí)速200 km,為I級(jí)雙線鐵路。在西環(huán)鐵路中段,位于海南省儋州市與昌江縣境內(nèi)的珠碧江雙線特大橋全長 3 991 m,橋位與北部灣入海口不足5 km。由于海水倒灌影響,環(huán)境腐蝕作用異常嚴(yán)重,其中,氯鹽環(huán)境的作用等級(jí)為L3,化學(xué)侵蝕環(huán)境的作用等級(jí)為H4,鹽晶結(jié)晶破壞環(huán)境的作用等級(jí)為Y4,并存在大于Y4等級(jí)的高硫酸鹽含量的極端嚴(yán)重腐蝕環(huán)境,必須對(duì)相應(yīng)環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐蝕強(qiáng)化處理,提升混凝土耐久性。
2 氟碳涂層體系的應(yīng)用
2.1 體系設(shè)計(jì)
為提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,防腐蝕涂層體系需要與混凝土基面具有良好的適應(yīng)性,并維持較長的使用壽命。涂層體系一般由底漆+面漆或底漆+中間漆+面漆組成,各涂層分別承擔(dān)相應(yīng)功能并產(chǎn)生協(xié)同作用,達(dá)到有效避免外來腐蝕介質(zhì)破壞,從而保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)的目的[9]。
珠碧江雙線特大橋混凝土結(jié)構(gòu)的特殊性主要在于其結(jié)構(gòu)表面處于周期性的干濕交替狀態(tài),而且潮汐現(xiàn)象導(dǎo)致部分混凝土結(jié)構(gòu)只有很短的時(shí)間位于水面之上。這要求涂層體系具備一些特殊性能,特別是要求封閉底漆能夠在潮濕的混凝土表面涂裝,即除了具備潮濕基面固化的能力外,還需要潮濕混凝土基面具有良好的潤濕性、滲透性、耐堿性和優(yōu)異的附著力。此外,中間漆應(yīng)具有良好的屏蔽性能,面漆應(yīng)具有優(yōu)異的耐候性,配套涂層之間還應(yīng)具有良好的相容性,并具備良好的復(fù)涂性。整體而言,作為濕熱海洋環(huán)境下混凝土的表面防護(hù)體系,應(yīng)具有良好的附著力,可防止水的滲透,耐常見化學(xué)制劑和生物附著,在寬廣的溫度范圍內(nèi)具有良好柔韌性等。
經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)比與優(yōu)選,確定了TK系列滲透性環(huán)氧封閉底漆、柔性環(huán)氧云鐵中間漆和高耐候氟碳面漆的配套體系。該配套體系具有以下技術(shù)特點(diǎn):
1)涂層黏結(jié)性能佳。在涂料中采用了層間偶聯(lián)法,強(qiáng)化了涂層與基底之間以及各涂層之間的附著力,為整體涂層的長效防護(hù)提供了**。
2)涂層耐久性好。在基礎(chǔ)成膜物方面,選用了目前防腐蝕涂料中耐候性好的樹脂材料;在力學(xué)性能調(diào)控方面,采用了分子內(nèi)增韌技術(shù)以提高涂層力學(xué)性能,避免了涂層在服役過程中的小分子增塑劑遷移問題,降低了涂層脆化風(fēng)險(xiǎn)。
2.2 技術(shù)要求
依據(jù)室內(nèi)加速試驗(yàn)及現(xiàn)場涂裝測試的結(jié)果,并綜合《混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐技術(shù)條件》(JT/T 695—2007)等技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求,對(duì)應(yīng)用的涂料及涂層性能指標(biāo)做出以下規(guī)定(見表1)。
表1 混凝土表面氟碳涂料及相應(yīng)涂層技術(shù)指標(biāo)
檢驗(yàn)項(xiàng)目標(biāo) 準(zhǔn)檢驗(yàn)依據(jù)涂料及漆膜外觀滿足標(biāo)準(zhǔn)色卡的色差范圍 GB/T3181—2008漆膜顏色標(biāo)準(zhǔn)固體含量≥55% GB1725—1979涂料固化含量測定法可溶物含氟量≥24% HG/T3792—2005交聯(lián)型氟樹脂涂料附著力(拉開法)≥6MPa GB/T5210—2006色漆和清漆拉開法附著力試驗(yàn)表干時(shí)間(25℃)≤4h GB1728—1979漆膜、膩?zhàn)幽じ稍飼r(shí)間測定法實(shí)干時(shí)間(25℃)≤24h細(xì) 度≤35μm GB1724—1979涂料細(xì)度測定法柔韌性1mm GB1750—1979涂料流平性測定法沖擊強(qiáng)度≥50cm GB/T1732—1993漆膜耐沖擊測定法耐酸性(10%H2SO4)240h無異常 GB/T9274—1988色漆和清漆耐液體介質(zhì)的測定耐堿性(10%NaOH)240h無異常抗氯離子滲透性(活動(dòng)涂層抗氯離子的滲透性試驗(yàn),30d)≤50×10-3mg/(cm2·d) JT/T695—2007混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面涂層防腐蝕技術(shù)條件耐磨性(1kg·500r)≤005g GB1768—1979漆膜耐磨性測定法抗拉強(qiáng)度≥10MPa GB/T528—2009硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定斷裂伸長率≥100%耐紫外老化保光率(6000h)≥70% GB/T14522—2008機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗(yàn)方法熒光紫外燈
2.3 氟碳涂層體系配套方案
依據(jù)腐蝕環(huán)境作用等級(jí),并經(jīng)現(xiàn)場測試與調(diào)整,確定了適用于高溫高濕強(qiáng)腐蝕海洋環(huán)境下的防腐蝕氟碳涂層體系配套方案,見表2。
表2 防腐蝕氟碳涂層體系配套方案
產(chǎn)品類別涂裝道數(shù)干膜厚度/μm參考用量/(kg/m2)滲透性環(huán)氧封閉底漆240~60012~020環(huán)氧云鐵中間漆1~2100~150030~045氟碳面漆270~100025~035
3 施工措施
3.1 基底要求
混凝土基體表面狀態(tài)直接影響涂層與基面的附著力,進(jìn)而影響涂層的防護(hù)效果和壽命。涂裝前應(yīng)盡可能保證混凝土外表面處于面干狀態(tài)(表面含水量不宜大于6%),目測混凝土表面應(yīng)無潮濕痕跡,手觸時(shí)無潮濕感?;炷琉B(yǎng)護(hù)齡期不少于28 d。
混凝土基體應(yīng)保持清潔,必須對(duì)混凝土進(jìn)行良好的基面處理?;嫣幚硪耸褂么蚰C(jī)或噴砂工藝進(jìn)行清潔,徹底去除混凝土表面殘留的養(yǎng)護(hù)劑、水泥漿、尖角、碎屑、苔蘚、油污等污染物及其他松散附著物。打磨完成后,可以用高壓清潔淡水(壓力不小于20 MPa)對(duì)混凝土表面進(jìn)行清洗,清洗后應(yīng)自然干燥72 h。
當(dāng)混凝土基體有蜂窩、露石以及大于0.2 mm的裂縫時(shí),應(yīng)對(duì)基體進(jìn)行修補(bǔ),噴涂修補(bǔ)后混凝土基體的養(yǎng)護(hù)齡期不得少于14 d。
3.2 涂裝環(huán)境要求
噴涂時(shí)混凝土基體的表面溫度應(yīng)在4~40 ℃,并高于露點(diǎn)溫度至少3 ℃,環(huán)境的相對(duì)濕度不宜超過85%,現(xiàn)場不允許有明火,且保持通風(fēng)條件。環(huán)境溫度低于5 ℃或高于40 ℃,風(fēng)力大于4級(jí)或有降雨時(shí),不得施工。
3.3 涂裝過程要求
涂裝可采用刷涂、輥涂或噴涂方式進(jìn)行作業(yè)。涂裝過程應(yīng)滿足以下要求:
1)涂料使用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明的組分?jǐn)?shù)和配合比進(jìn)行混合。必要時(shí)可使用稀釋劑對(duì)涂料進(jìn)行稀釋,稀釋劑添加比例不得超過原涂料質(zhì)量的5%。
2)底涂涂裝時(shí)應(yīng)使混凝土表面達(dá)到飽和滲透狀態(tài),即混凝土表面應(yīng)能明顯觀察到底涂材料殘留的液膜。
3)涂裝時(shí)應(yīng)控制涂料用量,盡量避免流掛現(xiàn)象出現(xiàn)。
4)各涂層間的涂裝間隔時(shí)間不得超過48 h。
5)噴涂的空氣應(yīng)干凈,無油無水,空氣壓力控制在0.4~0.6 MPa。
6)涂裝過程中注意成品保護(hù),下道工序施工時(shí)要確保對(duì)上道工序的成品無損壞和污染。
7)各個(gè)涂層要涂裝到位,不得漏涂。
3.4 養(yǎng)護(hù)
為避免涂裝效果受到影響,混凝土結(jié)構(gòu)表面涂裝完畢后6 h內(nèi)不得直接與水接觸。
4 質(zhì)量評(píng)價(jià)
當(dāng)施工結(jié)束后,應(yīng)對(duì)涂層的厚度和附著力進(jìn)行測定[10],以衡量涂層的施工質(zhì)量。具體如下:
1)涂裝完成后7 d,應(yīng)進(jìn)行涂層干膜厚度測定。涂層體系總干膜平均厚度應(yīng)≥210 μm,總干膜小厚度應(yīng)≥189 μm。當(dāng)不符合上述要求時(shí),應(yīng)根據(jù)情況進(jìn)行局部或全面補(bǔ)涂,直至達(dá)到要求的厚度。涂層厚度檢測應(yīng)符合“90-10”原則,即允許有10%的讀數(shù)低于規(guī)定值,但每一單獨(dú)讀數(shù)不得低于規(guī)定值的90%。
2)涂裝完成后7 d,應(yīng)使用膠帶法進(jìn)行涂層附著力檢測。在確保涂層表面清潔的情況下,在涂層表面做2道切口,每道約40 mm長,2道切口以較小的30°~45°角在其中心附近相交。做切口時(shí),使用直尺并均勻透過涂層一直用力切到底材上。按均勻速度撕下一段黏結(jié)強(qiáng)度為(10±1)N/25 mm的膠粘帶,除去前面一段,前后剪下約75 mm的膠粘帶。把該膠粘帶的中心點(diǎn)放在切口的交點(diǎn)上,并沿著較小的角向同一方向延伸。用手指將切口區(qū)域內(nèi)的膠粘帶弄平。透明膠粘帶下的顏色可以用來表示膠粘帶與涂層是否已完全粘牢。在貼上膠粘帶5 min內(nèi),拿住膠粘帶懸空的一端,并將其翻轉(zhuǎn)到盡可能接近180°的位置上,迅速地將膠粘帶撕下。檢查切口區(qū)域的涂層與混凝土基底或與前一道涂層分離的情況,分離程度在任一邊上≤1.6 mm為合格。
5 效益分析
5.1 經(jīng)濟(jì)效益
采用本技術(shù)時(shí)建造成本會(huì)有所提高,但相比于涂層材料的費(fèi)用而言,結(jié)構(gòu)自身受到腐蝕而造成的維修和更新費(fèi)用更為巨大。在嚴(yán)重腐蝕環(huán)境下,未經(jīng)防腐蝕處理的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有效

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