|
高分子复合材料在公路钢管拱桥梁防腐防护工程中的应用
一、复合材料的发展简史
本文中复合材料是指纤维增强复合材料（简称FRP），主要包括碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等，这一类复合材料一般具有耐腐蚀、耐紫外线、轻质、高强和非磁性等特点。
材料是人类用来制造有用物件的物质，材料的可用性由形成材料的物质分子的属性所决定。组成高分子材料的是长链分子，是由若干原子按一定规律重复连接而成的大分子，因此高分子材料又被称为聚合物材料。主要分天然高分子材料、人造高分子材料和合成高分子材料。1839年，美国Goodyear发明了橡胶硫化技术，开始进入到有目的的改造天然产物而得到的高分子材料。至1953年，德国科学家Ziglar和后来的意大利科学家Natta，发明了配位聚合催化剂，大幅度地扩大了合成高分子材料的原料来源，使通用高分子材料进入千家万户，确立了合成高分子材料作为当代人类社会文明发展阶段的标志。
我国高分子材料的研究和发展起步于50年代初，通过高分子化学、高分子物理、成型加工和高分子反应工程等学科和产业部门的合作，开发出一批能体现我国科研和生产水平的高分子材料及生产技术。我国是高分子材料消耗大国，但还不是研发生产强国，不仅产品竞争力有限，产量也不能满足国内需求。所以，我们需要大力开展高分子材料科学的创新研究，实现科技成果产业化，发挥高分子材料科学对传统工业的改造、对新兴工业的支撑作用，尽快实现从高分子材料生产和消费大国到强国的转变。
本文介绍的FRP是两种高分子材料—塑料与纤维的复合，是一种高性能非金属加强材料。有玻璃纤维（GFRP）、芳纶纤维（AFRP）、碳纤维（CFRP）几种，不同的纤维材料通过一定的制作工艺与特定的树脂材料复合而形成纤维加强塑料。一般具有以下的特点：
抗腐蚀能力强；自重小，且具有很高的材料抗拉强度，即质强比高；弹性变形能力和抗疲劳能力强；较高的电绝缘性和较低的磁感应；
因为纤维增强树脂复合材料在抗腐蚀性能方面特别强，所以近年来被采用作为金属防腐防护的工程材料。其中玻璃纤维与不饱和聚酯树脂而复合形成的产品缩称为GCM，本文将重点介绍GCM钢结构防腐防护工程系统。
二、GCM钢结构防腐防护原理
GCM钢结构防腐防护基本原理是在金属表面形成三层结构：第一层为隔离层、第二层为加强层、第三层为耐候层。
第一层：隔高层，亦称密闭层。隔离层用高分子材料不饱和聚酯树脂加入引发剂喷射在金属表面，与金属表面咬合，引发剂分解产生自由基，引发不饱和聚酯树脂线型分子链中不饱和双键与交联剂苯乙烯发生自由基连锁反应而形成网状体型大分子，在金属表面形成隔离膜—由于液态树脂中作为溶剂的苯乙烯在固化成膜时作为交联剂参与反应，不存在溶剂挥发现象，形成隔离膜，该隔离膜可认为是一个具有如下结构单元的巨型分子。
该隔离膜具有致密性、隔离性的特征。分子链中侧基-OH基是具有强极性的官能团，与金属材料极性界面之间具有较强亲和力，加之钢结构表成较为粗糙，使亲和力界面面积大为增加，从而实现隔离层与被保护表面间的粘附效果。能有效地将空气中的氧、水及腐蚀性气体等介质与金属表面隔离开来，使金属表成免遭介质侵蚀。
第二层：强度层是一种高强度纤维—玻璃纤维增强的热固性高分子材料，其基体材料与第一层使用相同的在不饱和聚脂树脂中加入引发剂材料。强度层的比强度较优质的钢材高，拉伸强度可达180Mpa以上，弯曲强度可达200Mpa，强度层与隔离层和耐候层之间拉伸强度可达60Mpa以上；强度层的连续搭接被覆使整个防护工件表面形成一个整体的具有高强度严密包裹隔离层的体系，切实有效地保护住对金属表面起防护作用的隔离层不受外力的直接损害。
第三层：耐候层所用材料是一种与隔离层和强度层基体材料同一系列的热固性高分子材料，其固化机理相同，但由于分子结构中引入了较多的侧烷基和大空间位阻的芳基等基团保护了分子链中易受酸、水、盐等介质侵蚀的如COO-、C-O等基团而具备较强的耐酸、耐水、耐盐性能。同时，耐候层材料中加入紫外线吸收剂、防老剂、分解剂等各种功能添加剂。
由于GCM防腐防护技术三层（隔离层、强度层和耐候层）连为一体的高分子材料固化后是一种网状体型结构分子，在低温到-50℃下分子链中的C-C、C-O、C=O键也不至于断裂，同时，由于热固性高分子材料，在100℃的高温下也不会变软，加之三层具有与碳钢相近的线膨胀系数（1.5×10-5/℃），温度变化时，与钢材一起热胀冷缩而不致剥离。所以该技术能适应自然界温度变化而起到对钢材表面有效的防护作用。
该技术的优点在于：
1、施工方面，无需高压喷砂、除锈、造毛等工序。
2、采用专用喷涂机喷涂施工，施工效率高，隔离层与钢材间界面粘着紧密，固化成型速度快，一般每层固化时间在40—60分钟，对施工环境无明显要求。
3、对酸雨、湿热、盐雾介质的腐蚀具有很强的抗御作用。
4、三层防护层有强度，对钢结构的安全性有一定的补偿作用。
5、具有优异的电绝缘功能，可满足钢结构表面架设电源而不导电，方便桥梁、建筑物上架设照明设备。
6、可以在耐候层根据建设方的要求方便的调整颜色。
三、复合材料的国内技术状况
FRP作为防腐防护工程材料，主要是发挥其耐酸碱介质腐蚀、耐紫外线、乃臭氧这方面的特性。目前，金属材料表面防腐防护是我国重点发展的技术工程，据国内行业专家预测，未来我国的大型结构件防腐工程中，新型复合材料型产品将替代现在的油漆涂覆和锌、铝、镁铝或锌铝合金热喷涂等通用技术而成为主流产品。成都宏亿复合材料工程技术有限公司研发的GCM钢结构防腐防护系统获得国家专利（专利号为：ZL00116102.4），并与武汉理工大学共同主编中国工程建设标准化协会标准《包覆不饱和聚酯树脂复合材料钢结构防护工程技术规程》（CECS133：2002）经专家评审并获得通过，已于2002年出版发行，以此作为该行业的应用标准。
GCM钢结构防护系统与喷锌、喷铝、喷锌铝合金、喷镁铝合金等传统金属防腐技术之比较见表1：
表1：GCM金属防腐防护系统与喷锌、喷铝、喷锌铝合金、喷镁铝合金防腐技术的比较
|
序号 |
防腐体系比较项目 |
传统防腐技术 |
GCM金属长效防腐防护系统 |
|
1 |
金属除锈 |
厂内喷砂、喷丸处理，清洁度要求达到Sa-3级标准，粗糙度40-600um。 |
仅对团状、块状锈层、黄锈进行清除，对油污杂质进行清洗。 |
|
2 |
厚度 |
120—150um |
1000—2000um |
|
3 |
结构安全度 |
不具备提高钢结构安全的功能 |
可提高桥梁钢结构的安全度 |
|
4 |
体系附着 |
成膜时自身不收缩，易产生脱层、划伤、滑移的现象，造成防腐防护失效。 |
固化自身产生收缩，收缩庇在6%—8%，使之紧固于金属表成，不易造成滑移、脱层、划伤现象，因而不会造成防腐防护失效。 |
|
5 |
防护概念 |
仅是一个涂装概念，属单相材料防腐。 |
不仅仅是一个涂装概念，整个防腐系统由隔离层、强度层、耐候层组成。充分考虑长效防腐防护过程中可能造成腐蚀的各项因素，使整个防腐防护系统组成一个多相体系。 |
|
6 |
施工工艺 |
施工工亏对环境要求很高，一般都在工程进行制作，在搬运、吊装过程中存在碰撞损伤问题，修补难度大、造成腐蚀缺口，工件内在质量无法保证，同时对安装是吊、扣、挂件等的临时焊接时，先喷涂后焊接或先焊接后喷涂都涉及到以后的清洁、打磨、修补等问题，这也势必大大增加工作难度。对死角、锐角等难以施工部位的操作无切实可行的办法进行作业，而这恰恰是钢结构防腐防蚀最薄弱的环节。 |
施工方便，根据业主的要求和施工的具体条件而定，可在工厂制作隔离层、强度层，现场制作耐候层，也可在成桥后一次性进行三层施工。充分配合现场的各种施工条件，对损伤部位、死角、锐角部位有专业的复合材料修补技术和处理技术，使施工质量得以保证，施工工艺简便易行。 |
|
7 |
强度及致密性 |
强度低、易脆裂、致密性低 |
具有高强度、高致密性 |
|
8 |
着色及表面效果 |
通过外层涂装油漆进行着色，寿命短，维护费用高。 |
在耐候层根据业主方要求，进行任意着色，表面达到皮革状，磨砂面效果，建筑质感强。 |
|
9 |
对环境腐蚀介质的耐受能力 |
对盐雾、酸雨、空气中的腐蚀性气体抵御能力差 |
在防腐材料设计时，充分考虑对盐雾、酸雨的抗御能力以及抗紫外线和抗大气老化性能。对腐蚀介质耐受能力强。 |
|
10 |
腐蚀检验 |
根据中科院沈阳分院理化测试中心金属腐蚀与防护测试部和铁道部科学研究院金属及化学研究所按国际国内标准进行测试，结果表明：GCM试件耐乙酸盐雾和湿热腐蚀性能明显优于喷锌、喷铝、喷锌铝合金、喷镁铝合金技术。 |
GCM钢结构防腐防护系统的主要技术特点有：
1、金属表面防腐防护采用高分子聚酯树脂材料基体，形成具有独特隔离保护作用，耐酸雨、湿热、酸雾介质的腐蚀极强，很好地解决了目前技术材料表面油漆涂覆存在的易脱落和溶剂挥发后造成的孔隙性介质侵入，以及喷锌、喷铝、喷锌铝合金、铝镁合金不可避免的电化学腐蚀。
2、摒弃了传统金属表面的喷砂防锈、造毛预处理，而代之以采用清水冲洗、洗涤液处特别部位的方法，减少了污染，降低了成本。
3、由特种纤维（如玻璃纤维、碳纤维）包被的强度层，保护了隔离层免遭毁损，使防护层具有优越的力学性能。其产品主要力学性能指标要求见表2：
表2：产品主要力学性能指标
|
项 目 |
指 标 |
|
抗拉强度(Mpa) |
≥180 |
|
弯曲强度(Mpa) |
≥200 |
|
冲击韧性(KJ/m2) |
≥80 |
|
弯曲弹性棋量(Mpa) |
≥1.0×104 |
|
断裂延伸率(%) |
≥2.5 |
4、独特的耐候层设计：在不饱和聚脂树脂中添加紫外线吸收剂、防老剂、分解剂和引发剂改性后，树脂具有优越的耐候性。
5、采用国外先进的空气助流包容技术和设备，进行防护材料喷涂，工程质量高，物料浪费少，环境污染降低，施工作业更为方便。
GCM钢结构防腐防护系统技术通过在防护材料、工艺设计、施工技术设备的创新，实现了防腐防护工艺技术的革命，其防腐材料的长效性与国内外同类技术相比处于领先水平。
目前，国内使用防腐材料以及专业从事防腐防护施工单位不下上千家，但使用新型复合材料防腐的不多。复合材料多数用于大型结构件、混凝土补强等方面。总体来说，国内使用复合材料防腐的技术水平党政军民学不高，有待提高与推广。
四、GCM防腐防护工程实例
1、湖南益阳资江三桥架设于湖南省益阳市资江上，主跨为三跨净跨分别为96米、108米和96米的哑铃形等高钢管砼中承式肋拱，肋拱间设钢管桁构式横梁、横撑。总防腐面积10069平方米。
2、洪州大桥架设于四川省洪雅县洪州镇侧青衣江上，主跨为品字形变径集束钢管砼中承式肋拱，桥系以下设哑铃形钢管砼横撑和X剪力撑。净跨径120米，总防腐面积2600平方米。
3、健跳大桥建于浙江省三门县健镇东海三门湾上，地处海边，盐雾、湿热环境均较恶劣。主跨为一净跨径245米的等高、等宽上下弦哑铃形钢管砼桁构中承式肋拱，肋拱间设七道空间格构式横撑。整个大桥主跨钢构件暴露于大气介质中的需防腐面积为12180平方米。
4、西宁市祁连路北川河桥主桥为一净跨径90米钢管砼中承式系杆肋洪。主桥拱肋为钢管桁沟式结构，上下弦杆均为两根Ф650钢管，弦杆的两根钢管间用Ф400钢管作为平联。上下弦杆间设竖、斜腹杆及部分空间斜腹杆，腹杆钢管规格为Ф250。两片拱肋间设三道横撑，一道位于拱顶，两道对称布置于拱顶与拱脚间，横撑为空间桁构式结构。全桥GCM防腐防护工程施工量约为3000平方米左右。
5、渭河大桥建设工程地址位于陕西省宝鸡市广元路，总共有五跨，跨径分别为：中间一跨为72米，两边四跨跨径为64米。总共防腐工程量约为5000平方米。
6、西河玉带桥建设工程地址位于四川省南充市，横跨南充市西河，连接市区与西山风景开发区。大桥全长88.802米，桥面全宽24.5米。大桥为中承式钢管砼拱，主拱净跨72米，净矢高18米，净矢跨比为1/4；主拱肋为三片，哑铃形截面；在拱肋中部设6道一字式横撑，在1/4（3/4）跨处设有共4道米字形横撑，在两端拱脚设K形撑。总共防腐工程量约为2500平方米。
7、高安市筠州大桥位于江西省高安市筠阳县境内，是320国道与丰高公路、清高公路及105国道、赣粤高速公路的连接线。主桥主孔两条拱肋为钢管砼拱形等截面空间桁架结构，拱肋截面为哑铃形，净跨径156米，拱肋截面高3.0米，宽1.8米。两条主拱肋间共设三道永久横撑，拱顶设置一道米字形横撑，在拱肋L/4位置对称设置两道K形横撑，总共防腐工程约为4500 平方米。
以上均为由成都宏亿复合材料工程技术有限公司承担并完成的部分工程实例，施工过程及交付使用后均受到各方一致好评，工程与桥梁建设主体经当地主管单位组织验收达到优良级。
五、复合材料的应用及市场状况
据不完全统计：1999年全国仅就交通工程结构件钢材防腐约4万吨（40万平方米）、市政建筑工程约30万吨钢结构（300万平方米），据国家发展计划委员作出的全国交通枢纽远景规划，2020年全国交通网络所需交通枢纽防腐将达100平方米—200平方米。其中，金属大型结构件防腐工程主要集中在四川、湖北、安徽、江苏、浙江、青海、甘肃、云南、广西、贵州等大中型城市的交通、市政设施建设。目前这些省份的大型工程技术构件虽经防腐处理，但传统技术效果差，构件、设备的电化学腐蚀很严重，几年后，70%以上的金属构件严重腐蚀，重者甚至会造成大型桥梁及建筑工程的安全隐患。因此，采用传统通用技术，必须每2-3年实施一次防腐处理。
目前，国办采用的锌、铝或锌铝合金热喷涂防腐技术，材料价格约500元/10平方米，施工费用约250元/10平方米，而采用GCM防腐防护系统，材料费用约800元/10平方米，施工费用260元/10平方米，价格稍高。但是收于采用GCM防腐防护技术可取得长效防腐防护效果（防腐效果可达30年左右），故可以估计其防腐的成本仅为传统通用热喷涂技术的1/3左右。
全国需求预测：目前每年新建交通、市政钢结构防腐需求共计40万平方米，而新建工程更以每年约15%的增长率递增。此外，更大的市场是现有的交通、市政钢结构工程急需采用新技术重新防护，估计需求在5000万平方米以上。随着西部大开发的基础设施建设的全面铺开，估计西部交通、市政工程钢结构防腐需求会以不低于每年20%的速度递增。
六、存在的问题及发展方向
目前，国内交通、市政建设的飞速发展，使用复合材料作防腐防护工程必然会大量地被选择使用。但是在类似GCM钢结构防腐防护体系这样的复合材料防腐工程推广的同时，还应该注意以下一些存在的问题：
1、一次性投入资金较大：前文提到，采用GCM钢结构防腐防护系统，所投入的成本较传统技术要高，故业主方在选择防腐方式时会考虑到投资问题。
2、国内拥有GCM施工技术条件的防腐工程施工单位少，绝大多数防腐工程施工单位都还是采用传统的喷铝、喷锌、喷锌铝合金或喷镁铝合金的通用技术。很多小型防腐工程施工单位自主研发能力薄弱，企业管理落后，不具备很强的市场竞争力。
3、不饱和聚脂树脂与纤维的复合材料具有成本高和断裂强度小的特点，产品具有一定脆性。
纤维增强复合材料在公路桥梁钢结构防腐防护工程方面，以后的发展方向主要有：
（1）加强对公路桥梁钢结构死角、锐角等部位防腐蚀的技术改进和拓展；
（2）对不饱和聚酯树脂和纤维进行改性，使其在使用时表现出来的力学强度、耐酸碱腐蚀性、耐候性、抗紫外线、大气老化、臭氧等特性更加卓越。
（3）扩大生产，加强新产品、新材料的研发，降低成本。使FRP在防腐防护工程方面得到广泛而普遍的应用。
未来防腐防护材料及施工市场必然要求技术力量越来越强，产品质量进一步提高，成本进一步降低。国内防腐防护工程行业应该加强技术力量的培养，充分吸收国内外先进企业产品的经验，增强自身建设和管理，保持长期稳定发展。 | 
于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。