自主创新“石墨烯重防腐涂装体系” 将实现30年超长防腐寿命的突破

基于传统涂层材料和涂装体系，即使采用国外知名涂料公司的材料或通过增加涂膜厚度的方法，已建成的钢结构桥梁，最高设计防护寿命一般也不超过25年。而即将合龙的福厦高铁泉州湾跨海大桥，采用了自主创新的“石墨烯重防腐涂装体系”，将实现30年超长防腐寿命的突破。

世界首座跨海高铁大桥——设计行车速度为每小时350公里的福厦高铁泉州湾跨海大桥(以下简称泉州湾跨海高铁大桥)，将于8月6日合龙。

大桥采用了贝壳形曲线桥塔，护栏设计为波浪形，寓意为“泉州作为福建省经济第一强市、古代海上丝绸之路的起点及当时的东方第一大港”，将在21世纪海上丝绸之路的发展契机下，扬帆起航，重现海上贸易和世界大港的辉煌。

“泉州湾跨海高铁大桥，创新采用了‘石墨烯重防腐涂装体系’，将实现30年超长防腐寿命的突破。”中国铁建第四勘察设计院集团有限公司(以下简称铁四院)福厦高铁指挥长李平卓说。据悉，目前国内已建成桥梁的最长设计防护寿命，均在25年以内。

以耐久防腐和少维护为目标

解决海洋对大桥的腐蚀问题，是设计跨海大桥遇到的一大难题。资料显示，腐蚀是世界各国工程建设面临的共同问题。

中国腐蚀与防护学会2014年的调研结果表明，世界各国每年腐蚀成本约占各国国内生产总值的3%—5%，大于自然灾害、各类事故损失的总和。我国2014年腐蚀总成本超过2万亿元，约占同年国内生产总值的3.34%。

“在海洋环境中，多种因素导致工程设备更易受腐蚀损伤。”铁四院桥梁院总工程师严爱国说。

原来，在潮湿的空气中，钢铁表面形成的水膜，会溶解大气中的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体，使水膜中含有一定量的氢离子，形成含有电解质溶液的薄膜，恰与钢铁中的铁和少量的碳构成原电池。

“而海气中弥散的大量盐，又促使电子在溶液中快速移动，这种导电作用，加快了钢铁的腐蚀速度。”铁四院泉州湾跨海高铁大桥设计负责人曾甲华说。

钢结构的主要防腐方法是选用耐用的重防腐涂层。

根据我国铁路和公路桥梁钢结构防腐涂装体系的现行标准，基于传统涂层材料和涂装体系，即使采用国外知名涂料公司的材料或通过增加涂膜厚度的方法，已建成的钢结构桥梁，最好的设计防护寿命一般也不超过25年。

泉州湾跨海高铁大桥钢梁全长800米，涂装面积约10万平方米。“采用目前世界最好的涂料和施工方法，15年左右就要进入维护阶段。”曾甲华告诉记者，他们的计算结果表明，按造价150元/平方米计算，100年内大桥需涂装7次(含通车后复涂6次)，合计费用1.05亿元。

中铁二院设计团队意识到，泉州湾跨海高铁大桥设计标准为100年，必须找到一种新材料，实现桥梁耐久防腐和减少维护的目标。

借航空石墨烯技术研制重防腐涂装

正在建设的福厦高速铁路线路全长300.483公里，设计行车速度350公里/小时。“桥梁的长度占线路总长的三分之一，其中跨海大桥3座，从福州往厦门方向，依次为湄洲湾、泉州湾、安海湾。”李平卓表示，其中泉州湾跨海高铁大桥全长20.3公里，主跨400米，为全线规模最大、难度最高的关键控制性工程。

业内统计显示，由于国内桥梁主体钢结构防腐涂装体系防腐年限一般在15年以内，部分附属结构钢构件在3—5年内即会出现涂装起泡剥落现象而需重新涂装。

“铁路干线及高速铁路具有运载量大、高速列车行车密集、天窗时间短等特点，钢结构涂装维护(修补、清除、重涂)操作困难、成本高昂。”严爱国说，因此在设计时需要考虑减少对高铁桥梁的维护次数。

泉州湾跨海高铁大桥设计标准为100年，什么材料能达到钢结构高防腐要求?通过多方调研，设计团队把目光瞄向了石墨烯。

“由于纳米级石墨烯的片层结构层层叠加、交错排列，用石墨烯改性防腐涂料，可在涂层中形成‘迷宫式’屏蔽结构，构成一道屏蔽阻隔。”严爱国说，这种屏蔽结构能够有效抑制腐蚀介质的浸润、渗透和扩散，提高涂层的物理阻隔性。同时，还可延长腐蚀介质的渗透扩散路径，从而提高涂层的抗渗透性和使用寿命。

早在2016年，国家已将石墨烯改性防腐涂料列入了“十三五”规划以及工信部重点发展的新材料清单，作为重点研发项目开始大力推进我国石墨烯改性防腐涂料的发展。

近年来，作为我国唯一面向航空，从事航空先进材料应用基础研究、材料研制与应用技术研究和工程化研究的综合性科研机构，中国航空发动机集团北京航空材料研究院(以下简称北京航材院)通过创新工艺，将石墨烯材料与热塑性特种工程树脂复合，研制出一系列复合材料，不同程度地增强了树脂基体的耐热、抗腐蚀、耐磨损性能以及拉伸、弯曲、冲击等力学性能。

铁四院依托北京航材院等多家单位的研究成果，立项“石墨烯重防腐涂装体系”，研究其在福厦高铁跨海大桥钢结构防腐技术方案和工程的应用可行性。

“‘石墨烯重防腐涂装体系’研究历时两年多，开展了材料组分设计和系列腐蚀试验(耐盐雾性、耐人工加速老化性)等大量研究工作。”严爱国说。

耐盐雾性为现有技术及标准的5倍以上

设计团队充分利用石墨烯材料，对传统涂装体系进行改性，利用片状锌粉、石墨烯、片状云母的鳞片型涂层结构，大幅提升了涂装体系的防腐防护性能。

这个“石墨烯重防腐涂装体系”的真容是什么?“是石墨烯纳米材料改性鳞片型醇溶无机富锌底漆和超耐候氟碳面漆。”严爱国解释道，耐盐雾性能检测试验报告表明，70微米底漆涂层的耐盐雾性能达到1万小时以上，耐盐雾性为现有技术及标准的5倍以上，耐人工加速老化性可达现有技术的3倍以上。

仿真计算及试验表明，创新研究的“石墨烯重防腐涂装体系”可实现钢结构在海洋腐蚀大气环境下30年及以上的超长寿命耐久目标。

“石墨烯重防腐涂装体系”将为跨海大桥建设带来显著效益。以泉州湾跨海高铁大桥为例，曾甲华说，采用“石墨烯重防腐涂装体系”，按照30年的设计涂装寿命，100年内只需涂装4次，可节约投资45%以上，近5000万元。

专家认为，“石墨烯重防腐涂装体系”实现了各类大气环境下长效防腐和功能化、轻量化及环保性的统一，较传统重防腐涂料防腐性能提高3倍以上，是我国自主知识产权的新一代重防腐涂料的发展方向，并有助于打破国外诸多涂料巨头对我国80%重防腐涂料市场的垄断。

“目前，技术团队已编制出《泉州湾跨海大桥、安海湾特大桥钢梁超长寿命耐久防腐涂装体系技术条件及验收标准》和《鳞片型锌粉底漆》等技术标准。涂装体系也已应用于泉州湾跨海高铁大桥、安海湾跨海大桥的钢结构，涵盖钢箱梁、钢桁梁和附属钢构件(栏杆)等各类钢结构，并拟推广应用到广州至湛江高速铁路的桥梁钢结构。”严爱国说。