基于傳統(tǒng)涂層材料和涂裝體系,，即使采用國(guó)外知名涂料公司的材料或通過(guò)增加涂膜厚度的方法，已建成的鋼結(jié)構(gòu)橋梁,，最高設(shè)計(jì)防護(hù)壽命一般也不超過(guò)25年,。而即將合龍的福廈高鐵泉州灣跨海大橋，采用了自主創(chuàng)新的“石墨烯重防腐涂裝體系”，將實(shí)現(xiàn)30年超長(zhǎng)防腐壽命的突破,。

世界首座跨海高鐵大橋——設(shè)計(jì)行車速度為每小時(shí)350公里的福廈高鐵泉州灣跨海大橋（以下簡(jiǎn)稱泉州灣跨海高鐵大橋）,，將于8月6日合龍。

大橋采用了貝殼形曲線橋塔,，護(hù)欄設(shè)計(jì)為波浪形,，寓意為“泉州作為福建省經(jīng)濟(jì)第一強(qiáng)市、古代海上絲綢之路的起點(diǎn)及當(dāng)時(shí)的東方第一大港”,，將在21世紀(jì)海上絲綢之路的發(fā)展契機(jī)下,，揚(yáng)帆起航，重現(xiàn)海上貿(mào)易和世界大港的輝煌,。

“泉州灣跨海高鐵大橋,，創(chuàng)新采用了‘石墨烯重防腐涂裝體系’，將實(shí)現(xiàn)30年超長(zhǎng)防腐壽命的突破,?！敝袊?guó)鐵建第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱鐵四院）福廈高鐵指揮長(zhǎng)李平卓說(shuō)。據(jù)悉,，目前國(guó)內(nèi)已建成橋梁的最長(zhǎng)設(shè)計(jì)防護(hù)壽命,，均在25年以內(nèi)。

以耐久防腐和少維護(hù)為目標(biāo)

解決海洋對(duì)大橋的腐蝕問(wèn)題,，是設(shè)計(jì)跨海大橋遇到的一大難題,。資料顯示，腐蝕是世界各國(guó)工程建設(shè)面臨的共同問(wèn)題,。

中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)2014年的調(diào)研結(jié)果表明,，世界各國(guó)每年腐蝕成本約占各國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的3%—5%，大于自然災(zāi)害,、各類事故損失的總和,。我國(guó)2014年腐蝕總成本超過(guò)2萬(wàn)億元,，約占同年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的3.34%,。

“在海洋環(huán)境中，多種因素導(dǎo)致工程設(shè)備更易受腐蝕損傷,?！辫F四院橋梁院總工程師嚴(yán)愛(ài)國(guó)說(shuō)。

原來(lái),，在潮濕的空氣中,，鋼鐵表面形成的水膜，會(huì)溶解大氣中的二氧化碳,、二氧化硫,、硫化氫等氣體，使水膜中含有一定量的氫離子，形成含有電解質(zhì)溶液的薄膜,，恰與鋼鐵中的鐵和少量的碳構(gòu)成原電池,。

“而海氣中彌散的大量鹽，又促使電子在溶液中快速移動(dòng),，這種導(dǎo)電作用,，加快了鋼鐵的腐蝕速度?！辫F四院泉州灣跨海高鐵大橋設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人曾甲華說(shuō),。

鋼結(jié)構(gòu)的主要防腐方法是選用耐用的重防腐涂層。

根據(jù)我國(guó)鐵路和公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),，基于傳統(tǒng)涂層材料和涂裝體系,，即使采用國(guó)外知名涂料公司的材料或通過(guò)增加涂膜厚度的方法，已建成的鋼結(jié)構(gòu)橋梁,，最好的設(shè)計(jì)防護(hù)壽命一般也不超過(guò)25年,。

泉州灣跨海高鐵大橋鋼梁全長(zhǎng)800米，涂裝面積約10萬(wàn)平方米,?！安捎媚壳笆澜缱詈玫耐苛虾褪┕し椒ǎ?/span>15年左右就要進(jìn)入維護(hù)階段,?！痹兹A告訴記者，他們的計(jì)算結(jié)果表明,，按造價(jià)150元/平方米計(jì)算,，100年內(nèi)大橋需涂裝7次（含通車后復(fù)涂6次），合計(jì)費(fèi)用1.05億元,。

中鐵二院設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)意識(shí)到,，泉州灣跨海高鐵大橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年，必須找到一種新材料,，實(shí)現(xiàn)橋梁耐久防腐和減少維護(hù)的目標(biāo),。

借航空石墨烯技術(shù)研制重防腐涂裝

正在建設(shè)的福廈高速鐵路線路全長(zhǎng)300.483公里，設(shè)計(jì)行車速度350公里/小時(shí),?！皹蛄旱拈L(zhǎng)度占線路總長(zhǎng)的三分之一，其中跨海大橋3座,，從福州往廈門方向,，依次為湄洲灣、泉州灣,、安海灣,?！崩钇阶勘硎荆渲腥轂晨绾８哞F大橋全長(zhǎng)20.3公里,，主跨400米,，為全線規(guī)模最大、難度最高的關(guān)鍵控制性工程,。

業(yè)內(nèi)統(tǒng)計(jì)顯示,，由于國(guó)內(nèi)橋梁主體鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝體系防腐年限一般在15年以內(nèi)，部分附屬結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件在3—5年內(nèi)即會(huì)出現(xiàn)涂裝起泡剝落現(xiàn)象而需重新涂裝,。

“鐵路干線及高速鐵路具有運(yùn)載量大,、高速列車行車密集、天窗時(shí)間短等特點(diǎn),，鋼結(jié)構(gòu)涂裝維護(hù)（修補(bǔ),、清除、重涂）操作困難,、成本高昂,。”嚴(yán)愛(ài)國(guó)說(shuō),，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮減少對(duì)高鐵橋梁的維護(hù)次數(shù),。

泉州灣跨海高鐵大橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年，什么材料能達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)高防腐要求,？通過(guò)多方調(diào)研,，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)把目光瞄向了石墨烯。

“由于納米級(jí)石墨烯的片層結(jié)構(gòu)層層疊加,、交錯(cuò)排列,，用石墨烯改性防腐涂料，可在涂層中形成‘迷宮式’屏蔽結(jié)構(gòu),，構(gòu)成一道屏蔽阻隔,。”嚴(yán)愛(ài)國(guó)說(shuō),，這種屏蔽結(jié)構(gòu)能夠有效抑制腐蝕介質(zhì)的浸潤(rùn),、滲透和擴(kuò)散，提高涂層的物理阻隔性,。同時(shí),，還可延長(zhǎng)腐蝕介質(zhì)的滲透擴(kuò)散路徑,，從而提高涂層的抗?jié)B透性和使用壽命,。

早在2016年，國(guó)家已將石墨烯改性防腐涂料列入了“十三五”規(guī)劃以及工信部重點(diǎn)發(fā)展的新材料清單,，作為重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目開始大力推進(jìn)我國(guó)石墨烯改性防腐涂料的發(fā)展,。

近年來(lái)，作為我國(guó)唯一面向航空，從事航空先進(jìn)材料應(yīng)用基礎(chǔ)研究,、材料研制與應(yīng)用技術(shù)研究和工程化研究的綜合性科研機(jī)構(gòu),，中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)北京航空材料研究院（以下簡(jiǎn)稱北京航材院）通過(guò)創(chuàng)新工藝，將石墨烯材料與熱塑性特種工程樹脂復(fù)合,，研制出一系列復(fù)合材料,，不同程度地增強(qiáng)了樹脂基體的耐熱、抗腐蝕,、耐磨損性能以及拉伸,、彎曲、沖擊等力學(xué)性能,。

鐵四院依托北京航材院等多家單位的研究成果,，立項(xiàng)“石墨烯重防腐涂裝體系”，研究其在福廈高鐵跨海大橋鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)方案和工程的應(yīng)用可行性,。

“‘石墨烯重防腐涂裝體系’研究歷時(shí)兩年多,，開展了材料組分設(shè)計(jì)和系列腐蝕試驗(yàn)（耐鹽霧性、耐人工加速老化性）等大量研究工作,?！眹?yán)愛(ài)國(guó)說(shuō)。

耐鹽霧性為現(xiàn)有技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)的5倍以上

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)充分利用石墨烯材料,，對(duì)傳統(tǒng)涂裝體系進(jìn)行改性,，利用片狀鋅粉、石墨烯,、片狀云母的鱗片型涂層結(jié)構(gòu),，大幅提升了涂裝體系的防腐防護(hù)性能。

這個(gè)“石墨烯重防腐涂裝體系”的真容是什么,？“是石墨烯納米材料改性鱗片型醇溶無(wú)機(jī)富鋅底漆和超耐候氟碳面漆,。”嚴(yán)愛(ài)國(guó)解釋道,，耐鹽霧性能檢測(cè)試驗(yàn)報(bào)告表明,，70微米底漆涂層的耐鹽霧性能達(dá)到1萬(wàn)小時(shí)以上，耐鹽霧性為現(xiàn)有技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)的5倍以上,，耐人工加速老化性可達(dá)現(xiàn)有技術(shù)的3倍以上,。

仿真計(jì)算及試驗(yàn)表明，創(chuàng)新研究的“石墨烯重防腐涂裝體系”可實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)在海洋腐蝕大氣環(huán)境下30年及以上的超長(zhǎng)壽命耐久目標(biāo),。

“石墨烯重防腐涂裝體系”將為跨海大橋建設(shè)帶來(lái)顯著效益,。以泉州灣跨海高鐵大橋?yàn)槔兹A說(shuō),，采用“石墨烯重防腐涂裝體系”,，按照30年的設(shè)計(jì)涂裝壽命,，100年內(nèi)只需涂裝4次，可節(jié)約投資45%以上,，近5000萬(wàn)元,。

專家認(rèn)為，“石墨烯重防腐涂裝體系”實(shí)現(xiàn)了各類大氣環(huán)境下長(zhǎng)效防腐和功能化,、輕量化及環(huán)保性的統(tǒng)一,，較傳統(tǒng)重防腐涂料防腐性能提高3倍以上，是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代重防腐涂料的發(fā)展方向,，并有助于打破國(guó)外諸多涂料巨頭對(duì)我國(guó)80%重防腐涂料市場(chǎng)的壟斷,。

“目前，技術(shù)團(tuán)隊(duì)已編制出《泉州灣跨海大橋,、安海灣特大橋鋼梁超長(zhǎng)壽命耐久防腐涂裝體系技術(shù)條件及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》和《鱗片型鋅粉底漆》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),。涂裝體系也已應(yīng)用于泉州灣跨海高鐵大橋、安海灣跨海大橋的鋼結(jié)構(gòu),，涵蓋鋼箱梁,、鋼桁梁和附屬鋼構(gòu)件（欄桿）等各類鋼結(jié)構(gòu)，并擬推廣應(yīng)用到廣州至湛江高速鐵路的橋梁鋼結(jié)構(gòu),?！眹?yán)愛(ài)國(guó)說(shuō)。