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桥梁下部结构防腐施工及质量控制
刘传勇 中交二航局第六工程有限公司
摘要：本文简要的阐述了高寒地区高速铁路桥梁下部结构防腐的新技术、新材料以及施工的新工艺，为高寒防腐施工积累了经验。
关键词：防腐 聚脲 耐久
工程概况：新建大连至哈尔滨铁路客运专线哈前公路立交特大桥，设计时速350公里，设计使用寿命为100年，设计标准高，质量控制严格。哈前公路立交特大桥因30#墩至38#墩跨越垃圾场，并且下部结构完成后垃圾需回填，因垃圾长期存放产生对混凝土有腐蚀作用的化学成分，故设计要求承台墩身混凝土采用添加防腐剂处理，混凝土表面涂刷沥青涂层和聚脲涂层处理。
一、沥青涂层和聚脲涂层的优点：
沥青涂层具有适用范围广、寿命长，耐候性、抗变形、拉伸强度高、延伸率大，对基层收缩和开裂变形适应性强、抗酸性、抗碱性、防腐防水性能优越、任何复杂部位都容易施工，解决了传统防腐防水材料，如涂料立面下滑、卷材空鼓，以及复杂部份操作难的难题。完全取代于传统防腐防水材料。有着比之更好的防腐、防水、绝缘性能。
喷涂聚脲弹性体(Spray Polyurea Elastomer简称SPUA)技术是国外近十年来，为适应环保需求而研制、开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术，特别针对于聚氨酯涂料的施工，在建筑、舰船、水利、交通、机械、化工等行业具有广阔的应用前景。该技术与传统涂装及喷涂聚氨酯技术相比，具有以下优点：（1）不含催化剂，快速固化，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，不产生流挂现象，5秒钟凝胶，1分钟即可达到步行强度；（2）对水分、潮气不敏感，施工时不受环境温度、湿度的影响；（3）双组分，100%固体含量，对环境有益；可以1比1体积比进行喷涂或浇注，一次施工达到厚度要求，克服以往多层施工的弊病；（4）所形成的涂层具有优异的物理机械性能及良好的热稳定性，可在150℃下长期使用，可承受350℃的短时热冲击；（5）可加入各种颜、填料，制成不同颜色的制品。配方体系任意可调，手感从软橡皮到硬弹性体，并可引入短切玻璃纤维对材料进行增强；（6）使用成套喷涂、浇注设备，施工方便，效率高。和其他的防腐涂装材料相比如表一：
项目 材料
SPUA
渗透性保护液
纤维增强型材料
热喷涂锌、铝
组成
纯聚脲弹性体
有机硅乳液
玻璃纤维增强丙烯酸树脂
金属锌、铝
提高耐久性途径
表面形成高弹性、高强度、连续的保护层
表面形成密实的保护层
表面形成高弹性、高强度、连续的保护层
牺牲阳极
防止结构开裂
好
差
好
一般
使用寿命
大于20年
大于10年
大于20年
大于20年
施工方法
喷涂
喷涂或刷涂
刮涂
高温熔融喷涂
施工周期，10000㎡
1个工作日
2-3个工作日
7个工作日
15-20个工作日
SPUA材料能在混凝土表面形成高弹性、高强度、连续的保护层，防止结构开裂，从而提高防腐和耐久性的效果。而且采用专门的设备进行喷涂，施工效率更高。
二、桥梁下部结构涂装工艺
1、施工前准备：
对于新建水机混凝土桥梁其混凝土的期龄不应少于28d，并应通过验收合格。如混凝土的期龄少于28d需要涂装时，需通过试验确定。若混凝土表面存在的因设计要求设置的金属预埋件（如接地端子，电力信号通信预埋，测试端子等），其裸露面可采用涂层保护防腐处理。对新建水泥混凝土桥表面存在的说有非设计要求设置的外露铁件（如钢筋头，钢板，型钢，铁丝头，铁钉等），均应该凿去铁件周围的混凝土不少于60mm深度，出去铁件后，用饮用水清洗混凝土表面，涂刷一道环氧类混凝土表面处理剂，并用不低于原有混凝土质量等级的水泥砂浆修补平整。对于少量的蜂窝麻面做同样的处理。因施工原因存在于混凝土表面层的金属焊渣，绑扎线头，铁钉头应清楚干净，当影响混凝土表面平整度时，宜使用不低于原有质量等级的水泥砂浆修补平整。引用水冲洗后残留在混凝土表面的水珠水迹，可用棉布等吸湿工具抹去，或用压缩空气机吹干，涂装前混凝土表面应无明显的流水渗水现象，尽量使混您图表面处于表干状态。
2、防腐涂层施工
哈前公路立交特大桥31#～38#墩范围内要进行垃圾回填，要求垃圾回填线下1m 墩身及承台基坑回填素混凝土，顶面涂刷1cm沥青涂层，工程量为4766 m2。回填线上下1m范围内墩身涂刷1cm厚聚脲涂层，工程量为428 m2。
（1）沥青涂层施工：承台及基坑回填素混凝土顶面在涂刷之前进行清理，将泥土和各种废弃物清扫干净,然后用清水冲洗，等干燥后刷第一层，以保证沥青和混凝土之间的粘结质量。承台及回填部分涂刷完成后禁止人及机械在上面行走。墩身涂刷难度较大，可以分2～3层涂刷，每层之间可以间隔1～2天，涂刷后要保证表面光滑平整。沥青根据需要用稀料稀释，当温度较低时，可以加热融化。整体要求粉刷均匀，厚度不能少于1cm，不能出现漏刷、少刷情况。不宜在阴雨天气进行施工，如果阴雨天气施工，施工完成后要采取措施进行遮挡，防止被雨水冲刷。等最后一层施工完毕，达到强度和平整度要求验收通过后方可拆除操作平台。
（2）聚脲涂层施工：施工中关键问题是根据现场需要调整聚脲各个组分的配比，喷 涂 聚 脲 弹 性 体 技 术 中 ，Ａ 组 分 又 称 为 半 预 聚体（ｑｕａｓｉ－ｐｒｅｐｏｌｙｍｅｒ），它是由 ＭＤＩ 或 ＭＤＩ 的改性物与聚合物二元或三元醇反应制得；Ｒ 组分又称为色浆，它是由　ＪＥＦＦＡＭＩＮＥ®系列聚醚、液体胺类扩链剂、颜填料、助剂等组成。因此，可根据用户的需要，通过调整 Ａ、Ｒ组分中得软、硬段的比例，制得不同弹性、抗张强度及硬度的 ＳＰＵＡ 材料。表２ 是一个典型硬质 ＳＰＵＡ 材料的配方：
表 ２　　典型硬质 ＳＰＵＡ 材料配方
Ａ 组分　
Ｒ 组分　
改性 ＭＤＩ　
６０　
JEFFAMINE®聚醚 JUJEFFAMINE
６１．１　
ＰＰＧ－２０００　
４０　
胺扩链剂　
２８．２　
ＮＣＯ％　
１６　
颜、填料　
１０．２　
注：　Ａ／Ｒ 体积比为 １．０，Ａ／Ｒ 重量比为 １．０４，弹性体指数为 １．０５。
在 Ｒ 组分中，液态胺扩链剂中最常用的是二乙基甲苯二胺英文缩写 ＤＥＴＤＡ，制造商有美国Ａｌｂｅｍａｒｌｅ™公司（商品牌号　ＥＴＨＡＣＵＲＥ®100）和 Ｌｏｎｚａ 公司（商品牌号　ＤＥＴＤＡ80）。ＤＥＴＤA是一种芳香族伯胺，其化学活性非常高，与 Ａ 组分的反应速度极快，习惯上称之为“快体系”（ｆａｓｔ－ｓｙｓｔｅｍ），该体系因凝胶时间非常短。
因此，如果现场施工底面粘结性小及相对湿度大于60%，可增加R组分的用量，将A、R组配比调整为1:1.04-1:1.05，减缓反应时间，提高弹性体生成的质量。当喷涂到棱角等难以施工的地方，适当减少R组分的用量，加快凝聚速率。如果发现粘度很大，影响施工，可以减小A组分的用量或用稀释剂如，碳酸乙烯脂、碳酸丙烯脂等。
喷涂聚脲弹性体的方法：①选择合适的工作压力，一般控制在24MPa，气压越小，A组分的粘度很大，施工难度相当大，气压大于30MPa时，喷枪难以承受，而且两只喷枪气压相等。由于物料的反应速率极快，因此，采用高温高压撞击式混合十分必要。 ②确定一定的工作环境温度，一般要求施工温度不低于19℃，因为A组分原料在小于19℃时粘度很大，几乎处于冻结状态，根据哈尔滨的气温情况选择在夏季9:00—15:00之间施工，哈尔滨夏季（6月～8月）一天中温度变化如下表：
时段
00:00-05:00
05:00-09：00
09:00-15:00
15:00-20:00
20:00-24:00
温度
5-9℃
8-15℃
15-35℃
10-16℃
6-12℃
除高压外，将温度升高到40℃-60℃对改善喷涂效果有利。由于聚脲反应速率常数的温度敏感性低，升温不会引起反应速率的急剧加快，反而会由于物料粘度的明显下降，使A、R组分的混合及流动性能得以改善。
三、施工质量控制
桥梁下部结构防侵蚀涂层涂装从原材料进场，涂料的配制，表面处理及涂装过程中对施工环境监测，湿膜厚度和用量的控制，涂层和混凝土表面的附着力，以及外观监测都要严格控制。必须制定专门的施工记录表格，每道工序验收合格后才能进入下一道工序施工。
1.原材料检测：包括原材料的外观检查和性能检查，如沥青试验仪测得沥青的延性为6、在25℃时5秒100克荷重下得到针如度为30-50 ；聚脲弹性体的胶凝时间测试：实验前，需将待测样品在25℃±0.5℃放置8h以上。实验时，称取大约50gR料放于100mL一次性塑料杯中，按A/R=1.05用减量法称取适量A料加入上述塑料杯中，用调刀迅速搅拌混合物，在搅拌时即开始计时，至混合物不再流动时的时间即为凝胶时间，得到胶凝时间为（5-10s）。
2.附着力的测定：在实验室中，测定聚脲涂层对混凝土底材则按照GB/T16777所述的八字法进行。而在现场测试中通常采用的是英国Elcometer公司的F106型附着力测量仪测量聚脲涂层与底材（或基层）的附着力，该仪器适用于各种底材。其原理是先把仪器的垫盘用胶水接合于被测涂层上，然后用仪器把垫盘从底材“撕开”，所需的力度可从仪器的刻盘上看到（单位是N/mm2或1b/㎡，也可用MPa表示）。依据ASTM D4541的测定方法，即先用专用的混合胶把仪器的垫盘（表面面积约1/2in2或3. 23㎝2）跟被测量的涂层面接合，待接合面完全凝固后（约24h），用仪器切刀把垫盘接合面与垫盘外的涂层切开，这样便可确定所测范围只限于垫盘面积内，而不会被其他涂层的黏力所影响。完成以上步骤后，将仪器刻盘调整至零点，把仪器和垫盘连接，慢慢转动仪器手盘（如用3号或4号刻度的仪器，可用工具转动时，F108型则采用的是液压拉拔式），令加于垫盘的力度增加。当垫盘离开底材时，仪器的刻盘上所指示的读数即为最大的拉力（附着力），测得附着力为9.0MPa±1.0MPa。
3.硬度的测定：采用邵尔硬度计测定，按照ASTM D2240的测定步骤，首先将试样放置在坚固的平面上，拿住硬度计，压足中孔的压针距离试样边缘至少12mm，平稳地把压足压在试样上，不能有任何振动，并保持压足平行于试样表面，以使压针垂直地压入试样。所施加的力要刚好足以使压足和试样完全接触，除非另有规定，必须在压足和试样完全接触后1s内读数，如果是其他间隔时间读数必须说明。在试样相距至少6mm的不同位置测量硬度值5次，取中位数。使用邵尔硬度计时，当A型硬度计测量值超过90时则可改用D型硬度计，当D型硬度计（邵D）测量值低于20时则改用A型硬度计，若A型硬度计（邵A）示值低于10时是不准确的，测量结果不可用，测得为邵A 85-95 HA。
4.表干混凝土表面检测：检测混凝土表面的PH值、含水率、平整度、表面污浊清除等。PH值可以用PH试纸，保证测试值在6.7-8.5之间；含水率小于5%；平整度使用平整度尺测试，平整度小于5mm。
（1） 涂装过程环境检测和用量检测：温度（19℃—40℃），湿度（相对湿度30%左右），现场用量根据当天施工面积确定。
（2） 涂装的厚度及外观检测：涂装厚度必须达到设计厚度（10mm），表面平整无堆积，流痕等。
（3） 涂装过程中对于漏涂，流挂，变色，针孔，裂纹等情况时，应及时修复，将需要修复的位置用刀片刮开至少5cm×5cm的缺口，将缺口底面平整，然后喷涂或刷涂同种配比的涂料，直到表面平整。
四、施工注意的事项：
1）施工过程中操作人员须穿防护服，戴护目镜、手套、防毒面具等劳保用品。 
2）严禁没有专业人员在场时向聚脲的A、R组分中加入任何稀释剂。
3）施工前需将各个组分充分搅拌至完全均匀。
4）喷涂间隔最短时间不限，最长不宜超过3小时。
5）聚脲弹性体施工未用完的A组分剩余材料应充氮气后密封保存，R组分未用完作废处理。
6）虽然聚脲弹性体对温度不太敏感，但是最宜在20℃-40℃时施工，沥青涂层施工选择在夏季中午。
五、结 语
桥梁下部结构防腐处理根据当地环境选择适当涂层，有利于增强桥梁的抗腐蚀性和耐久性，提高使用年限。因此借鉴国外先进的技术和经验，使用液态涂料进行防腐，能减少使用重防腐（如热喷涂锌、铝等）等耗材量大的防腐形式的使用，节约金属矿产。另外，聚脲弹性体的喷涂使用专门设备，施工效率很高，喷涂质量能有较好保证，避免短期内维修，而且是一种无溶剂的绿色无污染的技术。具有很大的社会效益和经济效益，值得大力推广和使用。可以展望，在未来几年或几十年，随着先进工业的发展，此类材料的生产技术提高，生产规模扩大，生产成本下降，它在各类建筑防腐中的应用规模不大扩大，并必定把桥梁防腐工程提高到一个崭新的水平。
参考文献：
1. 知网关于《聚脲弹性体施工工艺》等。
2. 客运专线铁路路桥梁基工程施工质量控制手册。
3. 化工部海洋化工研究院《喷涂聚脲弹性体技术》。