轨道交通高架混凝土结构表面涂装方案的经济技术分析

李明涛

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

目前，引导城市周边及卫星城区发展的需求日益旺盛，使得轨道交通线路越来越多地向城市周边延伸，高架线路由于其在建设工期、工程投资、运营费用上的优势，尤其适用于城市周边和山区城市的轨道交通建设。高架线路由于其主体结构位于地面以上，对周边环境影响较大，需要考虑其城市景观效果，另外轨道交通作为百年工程，其上部结构长期处于露天环境，需要保证其耐久性。本文从耐久性及景观需求出发，对高架结构表面涂装的必要性、常用做法及经济性进行对比分析，并列举了成都地铁2号线东延线、西安地铁3号线的涂装工程实践，为今后类似工程提供一定的借鉴和参考。

1 表面涂装的必要性分析

涂装是现代工程领域的一项重要制造工艺，是指将涂层涂覆于物体表面上干燥成膜的工艺，其作用主要包括表层保护作用、装饰作用、特种用途（如吸声、发光、超长隧道驾驶心理调节作用）[1-2]。轨道交通高架结构表面涂装的主要作用为表面防护及装饰，其中表面防护用于提高结构的耐久性，装饰用于区分轨道交通不同线路和提升轨道交通景观效果。下面分别从上述两方面对涂装的必要性做进一步分析。

1.1 耐久性要求

现行规范一般均要求进行混凝土结构耐久性设计，耐久性设计的主要内容是根据设计使用年限和环境类别对混凝土材料、构件中钢筋混凝土保护层厚度、裂缝控制、附加防护措施、施工质量、使用阶段检测维护等提出具体要求。混凝土表层涂装是利用涂层在混凝土表面形成保护膜，堵塞混凝土结构的孔隙和微细裂缝，防止自然环境对混凝土结构造成危害，属于附加防护措施。下面以西安市、成都市为例，梳理现行规范[3～9]中对轨道交通高架结构的环境作用、涂装的具体要求，如表1～2所示。

表1 西安市轨道交通高架结构的耐久性设计要求Tab. 1 Durability requirements of elevated concrete structure of rail transit in Xi’an

从表中梳理结果可以看出，通过控制混凝土材料、钢筋的混凝土保护层厚度、构件裂缝、施工质量，采取结构构造和防排水构造措施，加强使用阶段的检测及维护，可以保证轨道交通高架结构满足规范的耐久性设计要求，规范没有把附加表面防护作为必要措施。混凝土结构耐久性取决于混凝土结构自身特性和外部环境的侵蚀性，其破坏本质为混凝土结构材料与使用环境或结构自身中某些物质相互作用导致结构性能劣化。轨道交通高架段的桥墩、箱梁均暴露于大气中，其混凝土会遭受雨水、紫外线、汽车尾气等侵蚀，会发生碳化现象，碳化作用引起的混凝土疏松、剥落、开裂以及钢筋锈蚀，会严重影响结构的使用寿命、城市美观和交通安全。通过对河南、浙江、山东、上海等地的公路桥梁以及重庆轻轨桥梁[14-18]进行耐久性调查，分析和检测结果发现这些桥梁结构普遍存在碳化、钢筋锈蚀、氯离子侵蚀等耐久性病害，且越靠近城市，城市工业和汽车废气引起的碳化速度越快、碳化深度越深，而考虑我国目前的城市能源结构，随着城市工业发展和机动车数量的增加，汽车尾气、工业废气的排放量还会增加，轨道交通高架结构将长期面临废气侵蚀和由此带来的酸雨侵蚀。国外学者曾用“五倍定律”描述混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段节省的耐久性防护费用，当结构出现耐久性病害时，随着病害程度的不同，维修费用将相应递增5倍。因此，考虑轨道交通工程作为重要的基础设施，建议采用涂装作为补充措施，以提高混凝土结构的耐久性，避免使用一定年限后再进行耐久性评估修复与防护[19-20]。

表2 成都市轨道交通高架结构的耐久性设计要求Tab. 2 Durability requirements of elevated concrete structure of rail transit in Chengdu

1.2 景观要求

轨道交通高架结构一般绵延数公里，体量较大，改变了城市街道的原有比例，在某种程度上割裂了城市空间，对城市景观产生较大影响。目前整个社会对人居环境提出了更高的要求，人们越来越关注城市景观，高架轨道交通逐渐演变为城市名片，成为人们了解一座城市、领略城市风光的重要窗口，因此高架景观设计也越来越受到重视[21-24]，色彩肌理作为景观设计的重要因素，在轨道交通景观评价中权重值很大[25-28]。

混凝土作为人造材料，本身颜色简朴、自然，在轨道交通、高速铁路项目均有应用[29-30]，但由于其对混凝土外观质量要求很高，很多工程施工质量难以达到，拆模后都存在表面缺陷和色差，需进行表面修补以达到理想效果，另外清水混凝土本身吸水后还会发生变深和变脏现象。而通过涂料色彩的选择和设计，涂装可实现丰富的配色、良好的光泽度和平滑性，让结构披上美观的外衣，可取得轨道交通与周边环境的良好协调，在重庆轨道交通、南京地铁、无锡地铁、上海地铁中已有应用，如图1～4。

图1 重庆轨道交通3号线高架桥涂装效果Fig. 1 Coating application of viaduct in Chongqing Rail Transit Line 3

图2 南京S1号线高架桥涂装效果Fig. 2 Coating application of viaduct in Nanjing Metro Line S1

图3 无锡地铁2号线高架车站涂装效果Fig. 3 Coating application of elevated station in Wuxi Metro Line 2

通过上述分析可知，表面涂装不是轨道交通高架混凝土结构耐久性设计的必要手段，但表面涂装是提高混凝土结构耐久性、提升高架结构景观效果的简单且行之有效的手段。为保证涂装方案的经济合理性、美化桥梁外观、实现高架结构与周围人文景观的协调一致，建议设计阶段将其纳入景观专题研究，组织专家评审，向社会公示和征求意见，实现社会效益最大化。

图4 上海地铁5号线高架车站涂装效果Fig. 4 Coating application of elevated station in Shanghai Subway Line 5

2 涂装做法及经济技术分析

混凝土的表面涂装根据作用原理不同可分为表面渗透处理和表面涂层防护。

2.1 表面渗透处理

表面渗透处理就是通过渗透性涂料渗入混凝土内部发生物理化学反应以提高混凝土的致密性和防水性或憎水性，阻止以水为载体的腐蚀性介质侵入，达到混凝土免受腐蚀的目的。目前常用表面渗透处理技术主要采用水泥基渗透结晶型涂层材料和硅烷浸渍材料，水泥基渗透结晶型涂层材料是通过提高混凝土表面结构的致密性和防水性，阻止水分子和有害物质的侵入，硅烷渗透型浸透材料是通过赋予混凝土表面微观结构长期的憎水性降低水和有害氯离子等介质的侵入。表面渗透处理的施工工艺流程一般为：基层处理→涂料制备→涂刷（喷涂）→养护→验收。

2.2 表面涂层防护

表面涂层防护通过在混凝土表面涂覆一定厚度的涂料，形成一层隔离层制止氯离子、氧、水等介质渗入混凝土，达到提高混凝土耐久性和景观装饰的效果[31]。表面防护涂层根据材料性质可划分为无机类、有机类和混合类，无机类主要为聚合物水泥涂层，有机类主要包括氯化橡胶涂料、聚氨酯涂料、丙烯酸涂料、有机硅涂料等，其施工工艺流程一般为：基层处理→涂料制备→底漆→中间漆→面漆→养护→验收。表面涂装方案比较见表3，造价分析见图5。

表3 轨道交通高架结构表面涂装方案比较Tab. 3 Comparison of surface coating for elevated concrete structure of rail transit

图5 涂装方案造价分析Fig. 5 Comparative analysis of costs of coating schemes

表3中列出了表面渗透及涂装防护的常用方案，技术经济对比分析如下：

1）从防护效果及装饰效果看，表面涂层对耐久性和景观效果均有较大提升，而表面渗透技术仅通过防止水分渗透和转移以提高混凝土的耐久性，对于空气、汽车废气渗透引起的混凝土劣化防护效果不明显，可采用表面渗透+涂层复合涂装方案完善防护效果，但造价会相应增加很多，因此适用于空气潮湿且采用清水混凝土景观效果的工程。

2）在造价方面，聚合物水泥涂层及硅烷浸透涂装造价最高，水泥渗透结晶型涂装价格最低，其他涂层费用相差不大，涂层设计使用年限越长、环境腐蚀程度越严重，工程造价越高；从图5中可看出，直接材料费用占涂层总造价的40%～50%，人工、机械等费用占比较高，因此，投入运营后再进行防护涂装或修补维护不经济，需要重新考虑施工场地、交通疏解等，施工费用还会进步一增加。以采用11.5 m墩高、30 m跨简支预制箱梁、沿路中绿化带行走的区间桥梁为例，采用丙烯酸涂料进行表面涂装，使用年限为10年时，每千米造价约 87万元，占高架区间每延米造价约1.2%，桥梁使用年限内总造价约870万元，其中材料费用约460万元，410万元为人工、机械等费用，使用年限为20年时，每千米造价约121万元，占高架区间每延米造价 1.7%左右，桥梁使用年限内总造价约605万，其中材料费用约266万元，339万元为人工、机械等费用，显然考虑一次性投入占总造价的比例及高架结构的全寿命周期的投入，土建工程完工后直接进行涂装且采用使用年限较长的涂装方案会比较经济。

3）在施工和修复难易程度上，硅烷浸透涂装与聚合物水泥涂层最为简单，其他表面涂层防护均比较复杂，其中表面涂层体系又可分为溶剂型和水性涂料，溶剂型涂料一般为双组分材料，涂料需现场调配，对施工环境温度、工艺及质量控制要求较高，且挥发性有机化合物（VOC）含量高，不利于环保；水性涂料用水代替有机溶剂，绿色环保，一般为单组份材料，施工简单安全，对施工环境温度要求低，目前水性涂料体系种类较多且技术成熟，已列入规范作为混凝土结构表面防护及装饰使用，实际工程中应根据具体环境采用相应的水性涂层体系，以达到环保、经济、使用寿命长的目的。

4）从耐久使用年限上看，聚氨酯涂料、丙烯酸涂料与氟碳涂料涂装体系理论使用年限最长，可达20年，考虑表面涂装修复施工难度大且造价高，涂装方案应优先使用上述三种涂装体系，选择科学合理的配套体系，保证涂层具有足够的抗渗透能力、防碳化能力、适应混凝土形变的能力以及耐候性能，严格控制施工质量，以延长涂装的使用寿命。

3 工程实践

成都地铁2号线东延线工程线路全长11.116 km，其中高架线5.357 km，沿路中敷设，共设 3座高架站，已于2014年10月开通运营。该工程为修补混凝土外观质量缺陷、提升高架段混凝土外观效果，对全线高架车站及区间所有桥梁进行了涂装处理，涂装方案[32]为：整个高架段采用混凝土本色，高架车站及跨线连续梁桥采用自洁型氟碳漆，其余部分均采用水泥漆（清水混凝土颜色调节剂），涂装后实际效果如图6～7所示。

图6 成都地铁2号线高架桥涂装效果Fig. 6 Coating application of elevated station in Chengdu Metro Line 2

图7 成都地铁2号线高架车站涂装效果Fig. 7 Coating application of viaduct in Chengdu Metro Line 2

西安地铁3号线高架段位于东北部的浐灞生态园区、国际港务区，线路长约13.053 km，设7座高架车站，其中高架桥长10.668 km，U型槽长0.507 km，地下区间长1.051 km，已于2016年11月通车运营。3号线作为西安市轨道交通的第一条部分采用高架敷设的骨干线路，为提高高架段混凝土结构耐久性、美观性及使用性能，确定了对桥体外露面按使用年限20年进行涂装[33]，其中对于桥墩2 m以下部分（除水中墩外）及U型槽外侧采用溶剂型氟碳漆，对于水中及地面桥墩2 m以上部分、梁部及栏板采用水性有机硅丙烯酸漆，涂装后实际效果见图8。

图8 西安地铁3号线高架结构涂装效果Fig. 8 Coating application of viaduct in Xi’an Subway Line 3

4 结语

综上所述，通过对轨道交通混凝土构件表面涂装进行技术分析，得出以下结论：

1）轨道交通高架混凝土结构不采取附加防护措施可满足规范中的耐久性设计要求，混凝土构件表面涂装具有提高混凝土桥梁耐久性、美化桥梁外观、与周围的人文景观协调一致的作用。

2）表面涂装的工程造价中人工、机械等费用占比较高，考虑涂装工程一次性投入占总造价的比例及高架结构全寿命周期内涂装造价，土建工程完工后直接进行涂装且采用使用年限较长的涂装方案会比较经济。

3）聚氨酯涂料、丙烯酸涂料与氟碳涂料涂装体系理论使用年限最长，建议根据工程实际使用环境科学选用相应的水性涂层体系，以达到施工简单、安全环保、经济、使用寿命长的目的。

4）各个城市地理人文及经济条件环境存在差异，表面防护材料种类及厂家繁多，性能及造价具有差异，建议实际工程建设中将表面涂装纳入景观专题研究以选择最优方案。

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