基于減少混凝土橋梁溫度效應(yīng)的熱反射型涂料應(yīng)用技術(shù)分析

徐景江　楊堅(jiān)強(qiáng)　鐘媛

【摘 要】隨著科技的發(fā)展與預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理念在工程界得到了廣泛認(rèn)可共識(shí)，一些新技術(shù)、新材料與新工藝顯示出了明顯的優(yōu)勢，并在工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。論文對熱反射型涂料在降低橋梁混凝土溫度中應(yīng)用相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行分析，為該類功能性材料的推廣應(yīng)用提供參考。

【Abstract】With the development of science and technology， and the preventive maintenance concept is widely recognized in engineering， some new technologies， new materials and new processes have shown a clear superiority， and have been widely used in the engineering construction. In this paper， we analyze the technology problems of heat reflective coatings applied in reducing the temperature of bridge concrete， hoping to provide a reference for the popularization and application of this kind of functional material.

【關(guān)鍵詞】熱反射型涂料；橋梁混凝土；溫度效應(yīng)

【Keywords】heat reflective coating； concrete bridge ； temperature effect

【中圖分類號(hào)】U445.57 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）05-0162-02

1 引言

混凝土材料自身具有熱惰性，當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度較高，外部溫度較低時(shí)，受內(nèi)外溫差的影響，混凝土表面將會(huì)產(chǎn)生較大的表面應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面裂縫[1]。如美國ChamPigny箱梁橋的支座反力由于受一天內(nèi)的溫差變化影響，其變化達(dá)到了26%，頂板拉應(yīng)力也是達(dá)到了2.7MPa[2]。德國Jagst厚腹板箱梁橋在運(yùn)營第五年發(fā)生了嚴(yán)重的裂縫，經(jīng)過估算，其因溫度作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力約為2.6Mpa[3]。在溫度荷載及環(huán)境因素的共同影響下，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性降低，最終導(dǎo)致混凝土橋梁養(yǎng)護(hù)維修次數(shù)增加，甚至縮短其使用年限，這無疑會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，并影響社會(huì)效益。隨著預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理念在工程界得到了廣泛認(rèn)同，如何在養(yǎng)護(hù)工作中通過主動(dòng)降低既有混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，為其結(jié)構(gòu)安全與防護(hù)提供進(jìn)一步保障，成為值得公路養(yǎng)護(hù)與管理工作者思考的問題。

熱反射型涂料作為一種新型功能性材料，主要對400nm～2500nm范圍內(nèi)的太陽紅外線和紫外線進(jìn)行高反射，從而減少太陽的熱量在受照物體表面的累計(jì)升溫，同時(shí)又可自主進(jìn)行熱量輻射散熱降溫，將物體表面的熱量輻射到太空中去，從而達(dá)到降低物體溫度的效果。其在石油化工、軍事裝備及建筑工程等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的效果。本文主要結(jié)合云南交通技師學(xué)院所承擔(dān)的關(guān)于熱反射型涂料在橋梁混凝土中應(yīng)用技術(shù)方面的科研課題，對該類材料在實(shí)際養(yǎng)護(hù)工作應(yīng)用中所存在的技術(shù)問題進(jìn)行分析與討論，為該類材料在云南地區(qū)的應(yīng)用提供相關(guān)參考。

2 熱反射型涂料技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用優(yōu)勢

根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，熱量的傳遞主要分為熱輻射、熱傳導(dǎo)以及對流換熱。從理論上說，降低熱輻射的吸收、減少熱傳導(dǎo)吸收以及增大換熱都對降溫起到積極作用，因此，理想的反射隔熱涂層應(yīng)具有高反射率、低導(dǎo)熱系數(shù)和高發(fā)射率的特點(diǎn)。將熱反射型涂料用于混凝土橋梁降溫具有以下顯著優(yōu)勢：

①具有明顯的降溫隔熱能力，可減小太陽輻射和溫度驟降對橋梁溫度應(yīng)力的影響；

②涂層的形成具有良好的防護(hù)效果，可減少水及其他腐蝕介質(zhì)（CO2、Cl-等）對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的侵蝕；

③涂膜性能便于監(jiān)測，可以及時(shí)提高其防護(hù)與降溫性能；此外，熱反射涂料還可以滿足實(shí)際工程對不同顏色的需求，使涂刷后既美觀又兼具隔熱功能，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益將大大增加。

3 熱反射型涂料在混凝土橋梁中的應(yīng)用技術(shù)分析

3.1 基本性能要求

通過對云南混凝土橋梁所處的腐蝕環(huán)境（大氣、水、氯鹽及日照）和腐蝕特點(diǎn)進(jìn)行分析，可知其屬于內(nèi)陸高原山區(qū)，雖然氯鹽以及工業(yè)污染物（CO2，SO2）等相對少見，但大氣降水較為集中、太陽輻射量大、晝夜溫差大等較為突出，因此，在此地區(qū)選用的熱反射型涂料不僅要能對橋梁混凝土材料起到防護(hù)作用，自身也應(yīng)具有抗腐蝕。將降溫效果、耐沖刷性以及抗老化等作為評價(jià)指標(biāo)對熱反射型涂料進(jìn)行篩選與研制，此外，也應(yīng)將混凝土的隨從性、粘接性作為重點(diǎn)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行考察，以保障涂層的耐久性。

3.2 涂裝部位的篩選

熱反射型涂料作為一種新型功能性材料，造價(jià)要比其他防水、防腐等涂料的造價(jià)高。因此，從工程經(jīng)濟(jì)性方面考慮，應(yīng)結(jié)合混凝土橋梁溫度差對重點(diǎn)降溫部位進(jìn)行篩選，從而保障效益最大化。

計(jì)算分析結(jié)果表明：混凝土橋梁所受最大拉應(yīng)力一般發(fā)生在橋面板頂面，最大拉應(yīng)力發(fā)生在距離橋面板0.2m處，即翼緣下方0.1m范圍內(nèi)的拉應(yīng)力均偏大，是裂縫產(chǎn)生的潛在區(qū)域，而沿梁高豎向溫差變化相對較小。通過對箱梁截面橫向溫度應(yīng)力與豎向溫度應(yīng)力的分析，顯示箱梁頂板下側(cè)存在較大的橫向溫度應(yīng)力，極易導(dǎo)致頂板沿橋縱向開裂；腹板上部內(nèi)側(cè)豎向拉應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力都比較大，處于雙向拉應(yīng)力狀態(tài)，如不采取適當(dāng)?shù)拇胧﹦t可能在腹板上部出現(xiàn)斜裂縫。若這些裂紋（尤其是縱向裂縫）首尾相接，就會(huì)形成一些長度很長的裂紋，在交變的溫度應(yīng)力作用下，這些長裂紋有可能繼續(xù)擴(kuò)張并貫穿墩體，甚至將整個(gè)橋墩劈裂成若干柱形體，這樣橋墩就有失穩(wěn)破壞的危險(xiǎn)。

結(jié)合上述分析，受日照輻射的梁式上部結(jié)構(gòu)的邊梁側(cè)面均需涂刷，這樣可減少沿梁高豎向溫差，如若有條件（涂層不影響行車制動(dòng)、不引起眩光等），可以考慮在橋面鋪裝上也進(jìn)行熱反射型涂料的涂裝，這將對諸如箱型梁、空心板等形式的梁體結(jié)構(gòu)的頂板上側(cè)和腹板上部的外裂縫控制起到較好作用；可在拱箱頂部和拱上主梁上下表面涂刷降溫材料來降低溫差。另外，對于下部結(jié)構(gòu)橋墩、蓋梁等受到太陽輻射的地方，均有必要采取熱反射型涂料進(jìn)行降溫，但具體選擇與否，要根據(jù)具體日照情況及受力分析后進(jìn)行確定。

3.3 質(zhì)量評定

基層的處理、施工環(huán)境以及涂刷人員的安排等都會(huì)對涂層質(zhì)量產(chǎn)生影響。涂層的質(zhì)量關(guān)系到后期對混凝土的防護(hù)及自身性能的長期發(fā)揮，因此有必要對施工質(zhì)量的控制及其評價(jià)方法進(jìn)行討論，其控制指標(biāo)主要包括涂膜厚度、降溫效果、粘結(jié)強(qiáng)度等。涂膜厚度是判斷混凝土涂層涂裝質(zhì)量和涂層劣化程度的重要指標(biāo)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，提出了應(yīng)用超聲波檢測涂層厚度的方法，其主要用于工程現(xiàn)場無損檢測混凝土橋梁結(jié)構(gòu)涂層厚度；降溫效果的評定可利用紅外熱成像儀進(jìn)行；粘結(jié)強(qiáng)度的評定可以采用托拉法進(jìn)行，并應(yīng)在施工之前對施工方案進(jìn)行試驗(yàn)，然后確定施工方案，以保證粘結(jié)強(qiáng)度。

4 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展與預(yù)防性養(yǎng)護(hù)理念得到廣泛的共識(shí)，越來越多新材料在工程中得到應(yīng)用。本文從熱反射型涂料技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用于混凝土橋梁的優(yōu)勢、基本性能要求以及涂刷部位的確定進(jìn)行了分析，希望能為該類材料的研發(fā)與應(yīng)用提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

【1】胡平，楊萍，吳志朋，等.環(huán)境溫度條件對混凝土壩長期運(yùn)行的影響[J].水利水電技術(shù)，2012，43（9）：26-29.

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【3】褚強(qiáng).自然環(huán)境下混凝土箱梁橋溫度分布及溫度應(yīng)力研究[D].江西：華東交通大學(xué)，2011.