反射隔熱型涂料在高原山區(qū)混凝土橋梁上的應(yīng)用

程承 ，趙雙，鐘媛，嚴(yán)周，楊堅強(qiáng)

（1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2.貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽 550014；3.云南交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院公路學(xué)院，云南 昆明 650224）

公路橋梁建造在自然環(huán)境中不可避免地會受到大氣環(huán)境、水、氯鹽及日照的影響，引起混凝土劣化，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性失效[1]。尤其是大氣中CO2、SO2等酸性氣體，易使混凝土內(nèi)部環(huán)境由堿性降至中性，破壞鋼筋表面的鈍化膜而引發(fā)電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致鋼筋混凝土銹脹開裂[2-3]。在有水溶液，特別是含氯鹽的情況下，混凝土易發(fā)生溶蝕、粘連等現(xiàn)象，而處于沿海及高寒地區(qū)的橋梁混凝土還會發(fā)生凍融循環(huán)或腐蝕破壞[4-6]。研究[7-9]表明，對混凝土橋梁影響最大的是太陽輻射引起的升溫及溫度驟降，這會使橋梁混凝土產(chǎn)生溫度疲勞裂縫，為腐蝕介質(zhì)加速進(jìn)入混凝土提供了通道。針對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性問題，目前最有效的方法是涂層防護(hù)[10-13]。然而傳統(tǒng)涂料大多以防水防腐為主，并未考慮有效地控制溫度及降低溫度梯度，從而避免裂縫產(chǎn)生。熱反射隔熱涂料是一種能夠增強(qiáng)結(jié)構(gòu)物表面對太陽光反射能力、降低太陽輻射吸收系數(shù)的新型復(fù)合材料[14-17]，因具有良好的適應(yīng)性和降溫隔熱的特性，在建筑節(jié)能[18]、油氣儲存罐[19]、鋼結(jié)構(gòu)建筑[20]、熱網(wǎng)管道[21]、橋梁橋墩[22]、無砟軌道[23-24]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

云南省地處低緯高原山區(qū)，日輻射量大，晝夜溫差大且降雨集中[25-27]。本文以環(huán)氧樹脂為基料，金紅石型二氧化鈦為熱反射材料，空心玻璃微珠及灰色空心陶瓷微珠為顏料，自制了一種雙組分太陽熱反射隔熱型灰色防護(hù)涂料，并選取太陽熱輻射較為有代表性的元磨高速公路普洱段橋梁進(jìn)行實際施工，以驗證其降溫效果，為在云南地區(qū)耐久性涂層技術(shù)的選擇與推廣提供依據(jù)。

1 灰色太陽熱反射隔熱型防護(hù)涂料的設(shè)計

根據(jù)熱反射隔熱性防護(hù)涂料的選材研究[28-31]，若某種材料的禁帶寬度(Eg)在1.8～3.1 eV的范圍內(nèi)，則該材料吸收可見光；若某種材料的Eg在0.5～1.8 eV的范圍內(nèi)，它就吸收近紅外輻射。因此所選材料的Eg應(yīng)避開0.5～3.1 eV，并且折射率較高。本文選用的金紅石型鈦白粉的折射率為2.8，Eg為6.0，滿足作為熱反射填料的要求。為進(jìn)一步增強(qiáng)隔熱性能，選用了導(dǎo)熱系數(shù)較低的空心玻璃微珠。另外，考慮到防護(hù)涂料涂覆于橋梁表面，為避免因涂層色澤淺、亮度高而產(chǎn)生“眩光”現(xiàn)象，選用具有中空結(jié)構(gòu)的黑色空心陶瓷微珠為顏料，令涂層顏色更接近混凝土，利于行車安全。

鑒于樹脂對涂層熱反射性能的影響不大，著重考慮樹脂與混凝土結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)性，以確保涂層在長期使用過程中不發(fā)生鼓泡、剝落等現(xiàn)象，保證其使用壽命。本文選用了一種市售低黏度改性液體環(huán)氧樹脂，是無色至淺黃色的透明液體，25 °C下的密度為1.06～1.10 g/mL，25 °C下的黏度為0.5～0.7 Pa·s，環(huán)氧當(dāng)量195～215。

為控制樹脂的固化時間，選用了2種固化劑復(fù)配使用。一種為低黏度的改性脂肪胺類液體固化劑G1，另一種為特種復(fù)合材料環(huán)氧樹脂固化劑G2。它們的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 2種固化劑的性能參數(shù)Table 1 Properties of two curing agents

在前期試驗[32-33]的基礎(chǔ)上，確定灰色熱反射型隔熱防護(hù)涂料的配方為：環(huán)氧樹脂100 份，固化劑(G1與G2的質(zhì)量比為1∶4)20 份，金紅石二氧化鈦25 份，空心玻璃微珠4 份，黑色空心陶瓷微珠15 份。

如圖1所示，將樹脂與二氧化鈦倒入瓷杯，利用立式行星球磨機(jī)進(jìn)行研磨，通過正轉(zhuǎn)10 min、反轉(zhuǎn)10 min以保證反射材料在樹脂中分散均勻。然后在所得白色漿料中分批次加入玻璃微珠和無機(jī)黑顏料，利用精密增力電動攪拌器在2 000 r/min下進(jìn)行攪拌，最終得到所用隔熱涂料。

圖1 反射隔熱型涂料的制備過程Figure 1 Process for preparing reflective and heat insulation coating

2 防護(hù)涂料的實際工程應(yīng)用

2.1 工程概況

選取元磨高速公路普洱段K331+814橋梁作為項目試驗橋。該橋位于普洱市寧洱縣磨黑鎮(zhèn)把邊村(北緯N23°15′，東經(jīng)E101°14′)，處于北回歸線附近，年平均氣溫22.3 °C，年降水量1 700 mm。橋面總寬24 m，上部構(gòu)造形式為鋼筋混凝土簡支I型梁，跨徑為6 × 29 m，如圖2所示。

圖2 橋梁的照片F(xiàn)igure 2 Photos of the bridge

2.2 溫度采集位置的確定及施工流程

選取試驗橋某一跨一側(cè)的 1/2橋梁長度范圍內(nèi)進(jìn)行涂刷，另一側(cè)不涂刷以便對比，溫度傳感器的具體埋置位置如圖3所示。施工流程見圖4。

圖3 溫度傳感器的埋置位置Figure 3 Buried positions of temperature sensors

圖4 施工流程圖Figure 4 Process flow chart for construction

2.3 施工準(zhǔn)備

2.3.1 人員

對從事涂裝的施工人員進(jìn)行技術(shù)交底。施工人員應(yīng)了解熱反射型防護(hù)涂料的基本組成，掌握其性能及施工方法，必要時需進(jìn)行實際操作培訓(xùn)，無誤后方可施工。

2.3.2 熱反射型防護(hù)涂料

應(yīng)檢查所備涂料是否滿足施工所需用量；雙組分或多組分涂料使用前必須將涂料與固化劑攪勻后再按比例混合均勻。如發(fā)現(xiàn)漆皮或顆粒，應(yīng)以80～120目篩網(wǎng)過濾；如存在變質(zhì)現(xiàn)象，則不能使用。

2.3.3 施工機(jī)具

主要包括混凝土橋梁結(jié)構(gòu)表面處理工具、涂料涂裝工具及勞保用品。應(yīng)根據(jù)工程項目具體涂裝部位、面積等確定涂刷方法與工具。

2.4 涂裝及注意事項

以“保證涂裝質(zhì)量，兼顧涂裝效率”為基本原則，根據(jù)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)選取涂裝方法：面積較大的部位可采用滾涂或噴涂；小面積或局部修補(bǔ)采用涂刷。在第一遍涂料施工時，應(yīng)按自上而下(從左至右)的順序，以從左向右(自上而下)為前進(jìn)方向依次進(jìn)行，相鄰部分應(yīng)有一定的搭接，且搭接寬度需保持一致，禁止走“W”“Z”字形；涂刷厚薄要均勻，不能出現(xiàn)漏刷、刷紋等現(xiàn)象。

第一遍涂刷完成后便可開始第二遍涂料施工。為保證涂刷均勻，可與第一遍涂刷的順序和方向相反，但其他涂刷要求與第一遍相同。對于滾筒不容易滾到的部位或轉(zhuǎn)角，可以使用板刷進(jìn)行細(xì)部修整，修整部位與滾涂部位應(yīng)平滑過渡，不應(yīng)出現(xiàn)明顯的修補(bǔ)痕跡，直至將規(guī)定的用量均勻涂刷在橋梁表面。為獲得厚薄均勻、平整光潔的表面，應(yīng)進(jìn)行分塊涂刷，規(guī)定每平方米刷350 g涂料，膜厚約為900 μm。

2.5 施工效果

涂刷與未涂刷部分的對比如圖5所示。除原混凝土表面存在的較大孔洞(見圖6)無法被涂層遮蓋，其他地方均達(dá)到了預(yù)期效果。

圖5 覆蓋與未覆蓋涂層的橋面Figure 5 Coated and uncoated surface on the bridge

圖6 涂層表面的孔洞Figure 6 Holes on the surface of coating

3個月后又一次檢查橋面涂層的外觀。從圖7可見涂層表面除有少量污漬外，未發(fā)現(xiàn)泛黃、脫落、鼓泡等現(xiàn)象。原露筋部位的涂層仍覆蓋完好，未發(fā)生脫皮，表明涂層在防水、防銹方面起到了良好作用。利用透明膠帶對涂層的耐污性進(jìn)行定性評價(見圖8)。經(jīng)過膠帶3次粘貼后，膠帶表面也沒有明顯的物質(zhì)，說明涂層表面污染物較少，具有一定的耐污性。

圖7 露筋部位涂刷前(a)后(b)對比Figure 7 Comparison of exposed tendons before and after being brushed

圖8 用膠帶檢測耐污性Figure 8 Test of stain resistance using tape

2.6 降溫效果

統(tǒng)計涂刷后3個月內(nèi)各測點的溫度，以未涂刷區(qū)混凝土測點達(dá)到的最高和最低溫度為標(biāo)準(zhǔn)，計算涂刷區(qū)和未涂刷區(qū)各測點的溫差用于評價涂層的降溫效果。由表2可知，未涂刷區(qū)各測點的最高溫度均高于涂刷區(qū)域，涂刷區(qū)最高溫度可降低0.9～7.3 °C，表明涂層對混凝土橋梁的降溫作用顯著。然而不論涂覆涂層與否，各測點最低溫度的溫差相差不大，但涂刷區(qū)域的最低溫度略高于未涂刷區(qū)域，表明涂層同時具有保溫性。為進(jìn)一步明確各測點溫度變化與太陽輻射量之間的關(guān)系，根據(jù)統(tǒng)計期間的氣象數(shù)據(jù)資料，選取輻射量最高與最低的5天的溫度數(shù)據(jù)分析不同太陽輻射量下涂層對混凝土溫度的影響，結(jié)果如圖9所示。可見不論混凝土橋梁涂刷與否，各測點溫度與輻射強(qiáng)度正相關(guān)。

圖9 太陽輻射量較高(a)和較低(b)情況下各測點的溫度和輻射強(qiáng)度Figure 9 Temperature and radiation intensity of each measuring point under high (a) and low (b) solar radiation

表2 各測點的溫度及溫差Table 2 Temperature and temperature difference of each measuring point

從表3可知，太陽輻射強(qiáng)度高的期間，涂層的降溫效果大于太陽輻射強(qiáng)度低的期間，日間抑制混凝土橋梁的升溫效果較好。這主要是因為經(jīng)涂刷后混凝土橋梁表面的太陽熱反射吸收降低[17]起到了降溫作用。在輻射量低的情況下涂刷區(qū)與未涂刷區(qū)最低溫度基本一致，說明在輻射量小的陰雨天或夜晚，涂層還能起到良好的保溫作用，從而降低了混凝土橋梁因大氣溫度驟降或季節(jié)變換而產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險。在測點1、2處涂層的溫差遠(yuǎn)大于其他測點。這是因為在同一地點，橋梁的走向也會影響腹板所受太陽直接輻射時間及各時刻腹板陰影部分的高度。翼緣對腹板所受太陽輻射有明顯的遮蔽作用，較長的懸臂能顯著減小腹板溫度，使得翼緣板達(dá)到的最大溫度要高于腹板[34]。因此可根據(jù)橋型合理選用涂料。建議對于混凝土橋梁的邊梁、防撞護(hù)欄，斜拉橋或懸索橋的橋塔，以及橋梁下部結(jié)構(gòu)的蓋梁、墩柱等因受陽光照射而有產(chǎn)生溫度應(yīng)力破壞風(fēng)險的橋梁構(gòu)件，宜采用熱反射隔熱型防護(hù)涂料進(jìn)行重點防護(hù)，其他部位選擇普通防腐涂料即可。

表3 不同太陽輻射量下涂刷與未涂刷區(qū)各測點的溫差Table 3 Temperature difference between the coated and uncoated areas under different solar radiation

3 結(jié)論

選用低黏度改性液體環(huán)氧樹脂、功能性顏料及復(fù)配固化劑制備了灰色太陽熱反射隔熱型防護(hù)涂料。該涂料能較好地保護(hù)混凝土橋梁，令刷涂區(qū)溫度在高溫時段(日間)顯著低于未涂刷段，在低溫時段(夜間)則表現(xiàn)出溫差不大或部分高于未涂刷段的現(xiàn)象，可有效降低混凝土橋梁日溫差，有助于避免橋梁產(chǎn)生裂縫，適合在輻射強(qiáng)的低緯度地帶推廣。