2024-05-1199
随着钢材性能、制造及施工水平的提高，铁路在跨越长江、黄河等重要桥梁工程中，钢桥的应用越来越多。钢桥具有自重轻、强度高、跨越能力强等许多优点，但钢材易锈蚀，尤其对于铁路桥梁来说，工作环境恶劣，荷载状况复杂，对于钢结构的耐久性提出了很高的要求。近年来，铁路桥梁钢结构锈蚀问题日益突出，铁路钢桥一旦出现锈蚀，会加速结构退化，且重新涂装困难，在不中断既有桥梁运营的前提下，施工条件、工作时问进一步受到限制，从而导致巨额的维护费用，大大增加了钢桥全寿命周期成本，限制了其在铁路桥梁结构中的应用。因此，延长钢结构防腐涂装的防护年限具有巨大的经济效益和社会效益。
目前，桥梁钢结构采用的主流防腐涂装体系为“底漆+中间漆+面漆”的设计方案。依据相关行业标准，并结合国内外已有钢桥涂装应用实例，现有典型防腐涂装体系的设计防护年限可以达到15～25年。当原材料质量、施工作业环境或施工工艺达不到标准要求时，涂装的防护年限会大大缩短，有的甚至短短几年就出现粉化、剥落、掉块等质量问题。鉴于这种工程现状，本文对《铁路桥梁钢结构及构件保护涂装与涂料第1部分：钢梁》(Q/CR 749．1-2020)中第7套防腐涂装体系的涂层材料和涂层结构进行改性，设计出一种新型防腐涂装体系，实现对桥梁钢结构的长效防护，可为铁路钢桥耐久性设计提供有力支撑。
石墨烯以其电子迁移率高、热稳定性好、硬度高等优点在防腐涂料中获得应用。石墨烯作为纳米材料，因其尺寸小，可有效填补到涂膜的缺陷当中，其片层结构能有效阻碍小分子腐蚀介质的侵蚀。从电化学角度分析，石墨烯还能更好地钝化镀层金属。因此，石墨烯材料具有良好的耐腐蚀性。综上，石墨烯在防腐涂层材料中的应用前景广泛。利用石墨烯对Q/CR 749．1-2020中第7套防腐涂装体系(环氧富锌防锈底漆+云铁环氧中问漆+氟碳面漆)进行改性的新型石墨烯锌基氟碳超耐久防腐涂装体系，以涂装体系优异的耐腐蚀性能，达到长久保护桥梁钢结构的目的。
1 底漆涂层
石墨烯改性环氧富锌底漆的机理，旨在利用石墨烯的小尺寸效应和二维片层结构，使石墨烯可以填充到涂料的孔洞和缺陷中，形成层层叠加的致密的物理隔绝层，以阻挡外界有害物质对被保护材料的腐蚀，还可利用其疏水性和快速导电性，增加涂层中锌粉的电化学保护作用，提高锌粉的利用率，减缓金属基材的电化学腐蚀速率。
2 中间漆涂层
Q/CR 749．1-2020中的云铁环氧中问漆是由环氧树脂、云母氧化铁、防锈颜料以及专用溶剂配制而成，漆膜强韧、硬度高、机械性能优异、附着力强。云母氧化铁也为片状，其平行搭接、相互交错形成的片状涂层结构极大地提升了涂层的屏蔽性，大大减少了水、腐蚀介质在涂膜中的扩散，阻碍生锈、腐蚀的发生。考虑云铁环氧中间漆较低的成本，增加了漆膜厚度，对底漆起到屏蔽作用，同时提供与面漆可靠的附着力，是优良的附着基层，且能够增加整体涂层的使用年限。因此，新型石墨烯防腐涂装体系采用了与铁路标准中相同的云铁环氧中问漆涂层，涂层材料的技术性能指标以及施工工艺与标准要求一致。
3 面漆涂层
石墨烯改性氟碳面漆涂层，是在普通FEVE氟碳涂料中掺入相容性非常好的特种石墨烯材料。面漆涂层高聚物中的发色基团吸收紫外光，其高聚物主链及侧链发生断链形成R·和P·自由基，自由基迁移到表面，与空气中的氧气发生反应，形成过氧化自由基R00·和P00·，过氧化自由基是漆膜形成黄变、开裂、粉化等弊病的原因。通过石墨烯材料对自由基和过氧化自由基的捕捉，可有效减少黄变、开裂、粉化等漆膜弊病的发生。同时石墨烯是一种惰性材料，本身不会受紫外线能量的破坏而出现分解失效，可显著提高普通FEVE氟碳涂料的耐候性能和机械性能。
图1 人工加速老化试验色差对比结果
针对不同大气腐蚀环境，采用石墨烯锌基氟碳超耐久防腐涂装体系时，需要进一步开展漆膜厚度、涂装构造及施工工艺等详细设计，使涂装体系的防护年限达到设计要求。
摘录自：铁道工程学报第4期（总271），如有侵权请告知删除。