針對在濕熱海洋環境下長期服役的鐵路混凝土，設計了表面氟碳涂層成套體系，明確了涂層體系應用技術要求，在此基礎上規范了施工措施并完善了質量評價體系，實現了涂層防護成套技術在相應工況下的成功應用。效益分析表明，涂層技術的應用降低了鐵路混凝土的全壽命期維修費用，兼具環保和社會效益。
關鍵詞 材料工程;鐵路混凝土；氟碳涂層；應用技術；海洋環境；耐久性
隨著我國對海洋開發規模的不斷擴大，各類碼頭、跨海大橋、人工島等海洋工程基礎設施的建設數量正在逐漸增加。鋼筋混凝土由于具有易澆注、耐沖擊、耐磨等優良性能以及較低的工程造價，成為進行此類設施建設的可以選擇形式。但鋼筋混凝土在海洋環境下服役時面臨著較嚴重的鋼筋銹蝕等腐蝕問題，易導致結構開裂、失效，縮短結構使用壽命[1]。為保證安全服役，必須對已發生腐蝕的結構進行修復，但技術難度與所需資金均十分巨大。因此，人們對處于嚴重腐蝕環境下的鋼筋混凝土越來越多地采取事前防護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、強腐蝕等多腐蝕因素耦合作用的海洋環境下，其區域內鋼筋混凝土的腐蝕問題更為突出，對效果顯著、實施簡便、作用持久的混凝土耐久性提升技術措施的需求更加迫切。在諸多技術措施中，混凝土表面涂層技術較為簡單有效，不僅可以應用到新建結構上，還可以應用于已有結構的修復[4-8]。本文主要介紹成功應用于新建海南西環鐵路提升混凝土耐久性的表面氟碳防腐蝕涂層技術。
1 工程概況
新建海南西環鐵路始于既有西環鐵路?？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，設計時速200 km，為I級雙線鐵路。在西環鐵路中段，位于海南省儋州市與昌江縣境內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，環境腐蝕作用異常嚴重，其中，氯鹽環境的作用等級為L3，化學侵蝕環境的作用等級為H4，鹽晶結晶破壞環境的作用等級為Y4，并存在大于Y4等級的高硫酸鹽含量的極端嚴重腐蝕環境，必須對相應環境下的混凝土結構進行防腐蝕強化處理，提升混凝土耐久性。
2 氟碳涂層體系的應用
2.1 體系設計
為提升混凝土結構的耐久性，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，各涂層分別承擔相應功能并產生協同作用，達到有效避免外來腐蝕介質破壞，從而保護混凝土結構的目的[9]。
珠碧江雙線特大橋混凝土結構的特殊性主要在于其結構表面處于周期性的干濕交替狀態，而且潮汐現象導致部分混凝土結構只有很短的時間位于水面之上。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、耐堿性和優異的附著力。此外，中間漆應具有良好的屏蔽性能，面漆應具有優異的耐候性，配套涂層之間還應具有良好的相容性，并具備良好的復涂性。整體而言，作為濕熱海洋環境下混凝土的表面防護體系，應具有良好的附著力，可防止水的滲透，耐常見化學制劑和生物附著，在寬廣的溫度范圍內具有良好柔韌性等。
經現場試驗對比與優選，確定了TK系列滲透性環氧封閉底漆、柔性環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特點：
1)涂層黏結性能佳。在涂料中采用了層間偶聯法，強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提供了保障。
2)涂層耐久性好。在基礎成膜物方面，選用了目前防腐蝕涂料中耐候性較好的樹脂材料；在力學性能調控方面，采用了分子內增韌技術以提高涂層力學性能，避免了涂層在服役過程中的小分子增塑劑遷移問題，降低了涂層脆化風險。
2.2 技術要求
依據室內加速試驗及現場涂裝測試的結果，并綜合《混凝土橋梁結構表面涂層防腐技術條件》(JT/T 695—2007)等技術規范的相關要求，對應用的涂料及涂層性能指標做出以下規定(見表1)。
表1 混凝土表面氟碳涂料及相應涂層技術指標
檢驗項目標 準檢驗依據涂料及漆膜外觀滿足標準色卡的色差范圍 GB/T3181—2008漆膜顏色標準固體含量≥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表干時間(25℃)≤4h GB1728—1979漆膜、膩子膜干燥時間測定法實干時間(25℃)≤24h細 度≤35μm GB1724—1979涂料細度測定法柔韌性1mm GB1750—1979涂料流平性測定法沖擊強度≥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的測定耐堿性(10%NaOH)240h無異?？孤入x子滲透性(活動涂層抗氯離子的滲透性試驗，30d)≤50×10-3mg/(cm2·d) JT/T695—2007混凝土橋梁結構表面涂層防腐蝕技術條件耐磨性(1kg·500r)≤005g GB1768—1979漆膜耐磨性測定法抗拉強度≥10MPa GB/T528—2009硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應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機械工業產品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗方法熒光紫外燈
2.3 氟碳涂層體系配套方案
依據腐蝕環境作用等級，并經現場測試與調整，確定了適用于高溫高濕強腐蝕海洋環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
產品類別涂裝道數干膜厚度/μm參考用量/(kg/m2)滲透性環氧封閉底漆240～60012～020環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直接影響涂層與基面的附著力，進而影響涂層的防護效果和壽命。涂裝前應盡可能保證混凝土外表面處于面干狀態(表面含水量不宜大于6%)，目測混凝土表面應無潮濕痕跡，手觸時無潮濕感?；炷琉B護齡期不少于28 d。
混凝土基體應保持清潔，必須對混凝土進行良好的基面處理。基面處理宜使用打磨機或噴砂工藝進行清潔，徹底去除混凝土表面殘留的養護劑、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)對混凝土表面進行清洗，清洗后應自然干燥72 h。
當混凝土基體有蜂窩、露石以及大于0.2 mm的裂縫時，應對基體進行修補，噴涂修補后混凝土基體的養護齡期不得少于14 d。
3.2 涂裝環境要求
噴涂時混凝土基體的表面溫度應在4～40 ℃，并高于露點溫度至少3 ℃，環境的相對濕度不宜超過85%，現場不允許有明火，且保持通風條件。環境溫度低于5 ℃或高于40 ℃，風力大于4級或有降雨時，不得施工。
3.3 涂裝過程要求
涂裝可采用刷涂、輥涂或噴涂方式進行作業。涂裝過程應滿足以下要求：
1)涂料使用時應嚴格按照產品說明的組分數和配合比進行混合。必要時可使用稀釋劑對涂料進行稀釋，稀釋劑添加比例不得超過原涂料質量的5%。
2)底涂涂裝時應使混凝土表面達到飽和滲透狀態，即混凝土表面應能明顯觀察到底涂材料殘留的液膜。
3)涂裝時應控制涂料用量，盡量避免流掛現象出現。
4)各涂層間的涂裝間隔時間不得超過48 h。
5)噴涂的空氣應干凈，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，下道工序施工時要確保對上道工序的成品無損壞和污染。
7)各個涂層要涂裝到位，不得漏涂。
3.4 養護
為避免涂裝效果受到影響，混凝土結構表面涂裝完畢后6 h內不得直接與水接觸。
4 質量評價
當施工結束后，應對涂層的厚度和附著力進行測定[10]，以衡量涂層的施工質量。具體如下：
1)涂裝完成后7 d，應進行涂層干膜厚度測定。涂層體系總干膜平均厚度應≥210 μm，總干膜較小厚度應≥189 μm。當不符合上述要求時，應根據情況進行局部或全面補涂，直至達到要求的厚度。涂層厚度檢測應符合“90-10”原則，即允許有10%的讀數低于規定值，但每一單獨讀數不得低于規定值的90%。
2)涂裝完成后7 d，應使用膠帶法進行涂層附著力檢測。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，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強度為(10±1)N/25 mm的膠粘帶，除去較前面一段，前后剪下約75 mm的膠粘帶。把該膠粘帶的中心點放在切口的交點上，并沿著較小的角向同一方向延伸。用手指將切口區域內的膠粘帶弄平。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，拿住膠粘帶懸空的一端，并將其翻轉到盡可能接近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 經濟效益
采用本技術時建造成本會有所提高，但相比于涂層材料的費用而言，結構自身受到腐蝕而造成的維修和更新費用更為巨大。在嚴重腐蝕環境下，未經防腐蝕處理的鋼筋混凝土結構有效

混凝土基體表面狀態直接影響涂層與基面的附著力，進而影響涂層的防護效果和壽命。涂裝前應盡可能保證混凝土外表面處于面干狀態(表面含水量不宜大于6%)，目測混凝土表面應無潮濕痕跡，手觸時無潮濕感?；炷琉B護齡期不少于28 d。

混凝土基體應保持清潔，必須對混凝土進行良好的基面處理?；嫣幚硪耸褂么蚰C或噴砂工藝進行清潔，徹底去除混凝土表面殘留的養護劑、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)對混凝土表面進行清洗，清洗后應自然干燥72 h。

當混凝土基體有蜂窩、露石以及大于0.2 mm的裂縫時，應對基體進行修補，噴涂修補后混凝土基體的養護齡期不得少于14 d。

3.2 涂裝環境要求

噴涂時混凝土基體的表面溫度應在4～40 ℃，并高于露點溫度至少3 ℃，環境的相對濕度不宜超過85%，現場不允許有明火，且保持通風條件。環境溫度低于5 ℃或高于40 ℃，風力大于4級或有降雨時，不得施工。

3.3 涂裝過程要求

涂裝可采用刷涂、輥涂或噴涂方式進行作業。涂裝過程應滿足以下要求：

1)涂料使用時應嚴格按照產品說明的組分數和配合比進行混合。必要時可使用稀釋劑對涂料進行稀釋，稀釋劑添加比例不得超過原涂料質量的5%。

2)底涂涂裝時應使混凝土表面達到飽和滲透狀態，即混凝土表面應能明顯觀察到底涂材料殘留的液膜。

3)涂裝時應控制涂料用量，盡量避免流掛現象出現。

4)各涂層間的涂裝間隔時間不得超過48 h。

5)噴涂的空氣應干凈，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，下道工序施工時要確保對上道工序的成品無損壞和污染。

7)各個涂層要涂裝到位，不得漏涂。

3.4 養護

為避免涂裝效果受到影響，混凝土結構表面涂裝完畢后6 h內不得直接與水接觸。

4 質量評價
當施工結束后，應對涂層的厚度和附著力進行測定[10]，以衡量涂層的施工質量。具體如下：

1)涂裝完成后7 d，應進行涂層干膜厚度測定。涂層體系總干膜平均厚度應≥210 μm，總干膜較小厚度應≥189 μm。當不符合上述要求時，應根據情況進行局部或全面補涂，直至達到要求的厚度。涂層厚度檢測應符合“90-10”原則，即允許有10%的讀數低于規定值，但每一單獨讀數不得低于規定值的90%。

2)涂裝完成后7 d，應使用膠帶法進行涂層附著力檢測。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，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強度為(10±1)N/25 mm的膠粘帶，除去較前面一段，前后剪下約75 mm的膠粘帶。把該膠粘帶的中心點放在切口的交點上，并沿著較小的角向同一方向延伸。用手指將切口區域內的膠粘帶弄平。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，拿住膠粘帶懸空的一端，并將其翻轉到盡可能接近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 經濟效益

采用本技術時建造成本會有所提高，但相比于涂層材料的費用而言，結構自身受到腐蝕而造成的維修和更新費用更為巨大。在嚴重腐蝕環境下，未經防腐蝕處理的鋼筋混凝土結構有效服役時間遠低于經防腐蝕處理后的鋼筋混凝土結構。部分未經防腐蝕處理的結構物在服役3～4年后就會出現嚴重的破壞情況，必須進行維修處理。而經防腐蝕處理后的鋼筋混凝土結構一般是可以持續服役的。所以，隨著結構物服役時間的延長，采用本技術的經濟優勢會愈加明顯。對處于嚴重腐蝕環境下的混凝土結構而言，從全壽命期的角度來考慮經濟效益，采用強化措施的結構物在全壽命期內總費用比普通工程要低得多。

5.2 環保和節能效益

一方面，本技術中使用的材料本身為環保性材料，另一方面，由于采用防護處理而減少了對混凝土本體進行的維修作業，這大幅減少了維修施工對環境的影響和污染，并節約了能源。

5.3 社會效益

采用防護處理，一方面提高了結構物的美觀性，另一方面也減少了后續維修作業的影響，社會效益明顯。

6 結語
相較于后期修復而言，混凝土表面氟碳涂層技術在安全、經濟、環保、節能和社會效益方面均具有優勢，已成功應用于高溫高濕強腐蝕海洋環境下的混凝土表面防護工程中，實際防護效果良好。該技術大幅提升了鋼筋混凝土結構的耐久性，為其長期安全服役提供了保證。
與塑鋼區別
它與塑鋼區別在于材料的構成不同，吸鐵石可以吸動。
嚴格意義上講，塑鋼與彩鋼在金屬特性及表面處理上并不能很好的區分，因為大同小異；所以市場的區分主要在型材結構方面。
氟碳彩鋼板該產品積累了三十多年的生產技術經驗涂料采用專利配方, Kynar Kynar5000,無機陶瓷顏料,每一種新的原料都必須經過佛羅里達十年曝曬證明才能商業使用,從而使產品質量得到可靠保證。美國 Fitzpartrick核電站廠房彩板采用熱鍍鋅基板,涂上含70%樹脂的氟碳涂料。1971年建成至今不僅表面及基板完好,而且色彩依舊。寶鋼氟碳涂料的供應商為世界上較早的也是較大的氟碳涂料公司之一,提供20年涂層質量保證,保證20年內涂層不脫落,不粉化。
耐久
多種研究顯示，經國外40年以上廣泛使用證實：經特殊涂層處理的彩鋼板保質期在10-15年，以后每隔10年噴防腐涂料，活動房板材壽命可達35年以上。

彩鋼板的基板為冷軋基板，熱鍍鋅基板和電鍍鋅基板。涂層種類可分為聚酯、硅改性聚酯、偏聚二氟乙烯和塑料溶膠。彩鋼板的表面狀態可分為涂層板、壓花板和印花板，彩鋼板廣泛用于建筑家電和交通運輸等行業，對于建筑業主要用于鋼結構廠房、機場、庫房和冷凍等工業及商業建筑的屋頂墻面和門等，民用建筑采用彩鋼板的較少。
氟原子范德華半徑較小(0.135 nm)，與碳原子形成共價鍵時，鍵長短(0.1317 nm)、鍵能大 (485.7 kJ/mol)，電負性大（4.0)。由于氟原子核對其核外電子及成鍵電子云的束縛作用較強，結構相對對稱，分子是非極性的，氟的極化率小。同時氟原子在高聚物中所起到的高度屏蔽效應和空間位阻作用，使其共聚物具有比普通非氟共聚物更高的化學惰性。因而決定含氟聚合物具有優異的性能，如光電學（低折射率、高絕緣性和低介電常數）、化學穩定性、特殊表面性能（耐水性、耐油性和耐沾污性）等。
氟含量情況分析
目前國內市場上使用的溶劑型氟碳樹脂多是以CTFE(三氟氯乙烯）為主的產品，氟含量為19%? 28 %，變化范圍較大。氟樹脂是一種共聚物，組成是比較復雜的，不同氟化單體氟含量情況是不一樣 的，引進的非氟共聚單體不一樣，對聚合物氟含量也有一定影響。由于氟樹脂涂料長期的保光性和保色性難以用短時間的人工試驗方法（如QUV等）做出準確判定，而在實際環境中曝哂時間又較長，因此對氟含量的規定是必要的，但氟含量的規定應該和組成聯系在一起，而且要綜合考察氟涂料的相關性能。
不同氟單體及其氟含量
單體名稱
均聚物氟含量（質量分數）/%
CH2=CF2（偏氟乙烯）
59.20
CH2=CHF（氟乙烯）
41.18
CF2=CFCl（三氟氯乙烯）
48.75
CF2=CF2（四氟乙烯）
75.60
CFH=CF2（三氟乙烯）
69.40
CF3—CF=CF2（六氟丙烯）
75.60
CF2=C(CF2H)—CF2H（六氟異丁烯）
69.40
CH3=C(CH3)—CO2—M*
33.81-60.58
*含氟丙烯酸酯，其中M代表含有Fn和Cm的烷基基團
其中n=3-17，m=1-10
由于氟單體均聚物很難做成常溫使用的氟涂料，需采用與非氟單體共聚制備含氟共聚物，因此氟含量都有不同程度地下降，引入非氟單體越多，下降越多；或者通過混拼的方式，也可以導致氟含量的下降，但要根據實際應用情況進行綜合考慮。從表中可以看出，在均聚物中，氟乙烯具有較低的氟含量，但其聚合物同樣具有氟材料各種優異的光學、化學等穩定性能。
對于全氟丙烯酸酯類共聚物而言，由于受價格和共聚條件等限制，一般引進的氟單體的量很低，若按含氟單體的氟含量為50.55 %計算，引進單體量為8 %，F %(理論）為4.044 % ，而實際測得共聚物的氟含量更低一些，為2.667 %。結論表明，盡管氟含量很低，但該種共聚物充分利用全氟烷基側鏈一(CF2)nCF3(n=2?11)取向朝外占據涂層與空氣界面，從而賦予聚合物優異的斥水、斥油等表面特性，而且與氟烷基在表面分布的程度有關。
據介紹，日本道路協會涂料標準中規定氟含量為15 %以上，分科會各成員公司的氟含量都在20% 以上，日本工業標準（JIS)規定氟含量標準：溶劑可溶物的氟元素的含量在15 %以上。我國參照上述標準，在《交聯型氟樹脂涂料》（草)標準中規定溶劑型雙組分交聯固化型樹脂A組分氟含量大于20 %，而單組分烘烤交聯型氟含量大于14 %。
FEVE樹脂與PVDF樹脂性能比較
PVDF使用時一般與丙烯酸樹脂混拼，其使用量大于70 % ，丙烯酸樹脂為30 % ，其商品名稱為 Kynar500，氟含量大于41.38 %，耐久性高達20年之久，而FEVE樹脂的氟含量很低，耐久性與Kynar 500相比是有差距的，一般達到10~15年。這種現象歸因于FEVE樹脂在經歷長時間的戶外曝哂之后非氟單體鏈段降解導致?？梢姡渴怯绊慒EVE樹脂性能的一個重要因素，但聚合物中氟單體鏈段不能提供足夠的遮蔽保護。
溶劑型氟樹脂涂料與性能之間的關系
選擇國內溶劑型氟樹脂制備不同氟含量的白色、銀色等幾種色漆，在標準條件下用石棉水泥板制成測試
不同氟含量與漆膜性能之間的關系
F/%
顏色
QUV1000h，保光率/%
ΔE
耐化學腐蝕性（常溫7d）
耐溶劑性
5%H2SO4，5%NaOH
MEK擦拭
23
白色
64
1.1
+
+
光澤度輕微降低
23
白色
55
1.4
+
+
涂膜溶解，光澤降低
23
白色
63
1.1
+
+
光澤度輕微降低
19
白色
69
1.0
+
-
光澤度降低
27
銀色
74
0.5
+
-
光澤度降低
23
銀色
57
7.0
+
+
無異常
22
銀色
37
4.4
+
+
只有擦拭痕跡
19
銀色
32
4.0
+
-
光澤度降低
19
茶色
29
6.7
+
+
涂膜有一點溶解
27
綠色
14
5.8
+
-
只有擦拭痕跡
23
淺灰色
15
1.8
+
-
涂膜溶解，光澤降低
20
灰色
66
0.4
+
+
光澤度降低
注：+表示無異常，- 表示漆膜表面發生變化（光澤降低、變色或起泡）
所有樣品在耐5% H2SO4方面和多數樣品在耐5% NaOH方面，均表現出良好的特性，其中，少數樣品在耐5% NaOH方面表現較差。在進行MEK擦拭試驗吋，多數產品都表現出光澤度降低；在經過1000h的老化試驗后，樣品之間保光率的差距是非常大的。從表中數據看出，涂料性能的好壞并不完全取決于氟含量，還與含氟共聚物的分子結構、色漆配方以及具體工藝過程等因素有直接的關系。
氟含量對氟涂料其他性能的影響
氟原子極性低，表面性質光滑，具有不粘性及平滑性，保持含氟聚合物一定的氟含量能使氟涂料具有突出的抗污染特性、自潔性；由于氟原子的特殊物性常數及氟原子三維排列的螺旋結構，含氟聚合物的耐熱性、耐化學腐蝕性、抗光化學降解性等性能也十分突出。
但是過高的氟含量（如TFE共聚物）還會出現低黏附性、低反射率（光澤低）、低極性（溶解性差、 附著性降低、顏料相容性差）等負面影響。
氟含量是氟聚合物的一個重要指標，對于不同類型聚合物，有不同的可比性，其高低對性能的影響也不一致，要區別對待。根據使用環境和性能要求，做到氟含量與性能之間的較佳平衡

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