反射隔热型涂料在高原山区混凝土桥梁上的应用

程承 ，赵双，钟媛，严周，杨坚强

（1.西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224；2.贵州宏信创达工程检测咨询有限公司，贵州 贵阳 550014；3.云南交通运输职业学院公路学院，云南 昆明 650224）

公路桥梁建造在自然环境中不可避免地会受到大气环境、水、氯盐及日照的影响，引起混凝土劣化，最终导致结构的耐久性失效[1]。尤其是大气中CO2、SO2等酸性气体，易使混凝土内部环境由碱性降至中性，破坏钢筋表面的钝化膜而引发电化学腐蚀，导致钢筋混凝土锈胀开裂[2-3]。在有水溶液，特别是含氯盐的情况下，混凝土易发生溶蚀、粘连等现象，而处于沿海及高寒地区的桥梁混凝土还会发生冻融循环或腐蚀破坏[4-6]。研究[7-9]表明，对混凝土桥梁影响最大的是太阳辐射引起的升温及温度骤降，这会使桥梁混凝土产生温度疲劳裂缝，为腐蚀介质加速进入混凝土提供了通道。针对混凝土桥梁结构耐久性问题，目前最有效的方法是涂层防护[10-13]。然而传统涂料大多以防水防腐为主，并未考虑有效地控制温度及降低温度梯度，从而避免裂缝产生。热反射隔热涂料是一种能够增强结构物表面对太阳光反射能力、降低太阳辐射吸收系数的新型复合材料[14-17]，因具有良好的适应性和降温隔热的特性，在建筑节能[18]、油气储存罐[19]、钢结构建筑[20]、热网管道[21]、桥梁桥墩[22]、无砟轨道[23-24]等领域得到了广泛的应用。

云南省地处低纬高原山区，日辐射量大，昼夜温差大且降雨集中[25-27]。本文以环氧树脂为基料，金红石型二氧化钛为热反射材料，空心玻璃微珠及灰色空心陶瓷微珠为颜料，自制了一种双组分太阳热反射隔热型灰色防护涂料，并选取太阳热辐射较为有代表性的元磨高速公路普洱段桥梁进行实际施工，以验证其降温效果，为在云南地区耐久性涂层技术的选择与推广提供依据。

1 灰色太阳热反射隔热型防护涂料的设计

根据热反射隔热性防护涂料的选材研究[28-31]，若某种材料的禁带宽度(Eg)在1.8～3.1 eV的范围内，则该材料吸收可见光；若某种材料的Eg在0.5～1.8 eV的范围内，它就吸收近红外辐射。因此所选材料的Eg应避开0.5～3.1 eV，并且折射率较高。本文选用的金红石型钛白粉的折射率为2.8，Eg为6.0，满足作为热反射填料的要求。为进一步增强隔热性能，选用了导热系数较低的空心玻璃微珠。另外，考虑到防护涂料涂覆于桥梁表面，为避免因涂层色泽浅、亮度高而产生“眩光”现象，选用具有中空结构的黑色空心陶瓷微珠为颜料，令涂层颜色更接近混凝土，利于行车安全。

鉴于树脂对涂层热反射性能的影响不大，着重考虑树脂与混凝土结构面的粘结性，以确保涂层在长期使用过程中不发生鼓泡、剥落等现象，保证其使用寿命。本文选用了一种市售低黏度改性液体环氧树脂，是无色至浅黄色的透明液体，25 °C下的密度为1.06～1.10 g/mL，25 °C下的黏度为0.5～0.7 Pa·s，环氧当量195～215。

为控制树脂的固化时间，选用了2种固化剂复配使用。一种为低黏度的改性脂肪胺类液体固化剂G1，另一种为特种复合材料环氧树脂固化剂G2。它们的技术参数见表1。

表1 2种固化剂的性能参数Table 1 Properties of two curing agents

在前期试验[32-33]的基础上，确定灰色热反射型隔热防护涂料的配方为：环氧树脂100 份，固化剂(G1与G2的质量比为1∶4)20 份，金红石二氧化钛25 份，空心玻璃微珠4 份，黑色空心陶瓷微珠15 份。

如图1所示，将树脂与二氧化钛倒入瓷杯，利用立式行星球磨机进行研磨，通过正转10 min、反转10 min以保证反射材料在树脂中分散均匀。然后在所得白色浆料中分批次加入玻璃微珠和无机黑颜料，利用精密增力电动搅拌器在2 000 r/min下进行搅拌，最终得到所用隔热涂料。

图1 反射隔热型涂料的制备过程Figure 1 Process for preparing reflective and heat insulation coating

2 防护涂料的实际工程应用

2.1 工程概况

选取元磨高速公路普洱段K331+814桥梁作为项目试验桥。该桥位于普洱市宁洱县磨黑镇把边村(北纬N23°15′，东经E101°14′)，处于北回归线附近，年平均气温22.3 °C，年降水量1 700 mm。桥面总宽24 m，上部构造形式为钢筋混凝土简支I型梁，跨径为6 × 29 m，如图2所示。

图2 桥梁的照片Figure 2 Photos of the bridge

2.2 温度采集位置的确定及施工流程

选取试验桥某一跨一侧的 1/2桥梁长度范围内进行涂刷，另一侧不涂刷以便对比，温度传感器的具体埋置位置如图3所示。施工流程见图4。

图3 温度传感器的埋置位置Figure 3 Buried positions of temperature sensors

图4 施工流程图Figure 4 Process flow chart for construction

2.3 施工准备

2.3.1 人员

对从事涂装的施工人员进行技术交底。施工人员应了解热反射型防护涂料的基本组成，掌握其性能及施工方法，必要时需进行实际操作培训，无误后方可施工。

2.3.2 热反射型防护涂料

应检查所备涂料是否满足施工所需用量；双组分或多组分涂料使用前必须将涂料与固化剂搅匀后再按比例混合均匀。如发现漆皮或颗粒，应以80～120目筛网过滤；如存在变质现象，则不能使用。

2.3.3 施工机具

主要包括混凝土桥梁结构表面处理工具、涂料涂装工具及劳保用品。应根据工程项目具体涂装部位、面积等确定涂刷方法与工具。

2.4 涂装及注意事项

以“保证涂装质量，兼顾涂装效率”为基本原则，根据混凝土桥梁结构选取涂装方法：面积较大的部位可采用滚涂或喷涂；小面积或局部修补采用涂刷。在第一遍涂料施工时，应按自上而下(从左至右)的顺序，以从左向右(自上而下)为前进方向依次进行，相邻部分应有一定的搭接，且搭接宽度需保持一致，禁止走“W”“Z”字形；涂刷厚薄要均匀，不能出现漏刷、刷纹等现象。

第一遍涂刷完成后便可开始第二遍涂料施工。为保证涂刷均匀，可与第一遍涂刷的顺序和方向相反，但其他涂刷要求与第一遍相同。对于滚筒不容易滚到的部位或转角，可以使用板刷进行细部修整，修整部位与滚涂部位应平滑过渡，不应出现明显的修补痕迹，直至将规定的用量均匀涂刷在桥梁表面。为获得厚薄均匀、平整光洁的表面，应进行分块涂刷，规定每平方米刷350 g涂料，膜厚约为900 μm。

2.5 施工效果

涂刷与未涂刷部分的对比如图5所示。除原混凝土表面存在的较大孔洞(见图6)无法被涂层遮盖，其他地方均达到了预期效果。

图5 覆盖与未覆盖涂层的桥面Figure 5 Coated and uncoated surface on the bridge

图6 涂层表面的孔洞Figure 6 Holes on the surface of coating

3个月后又一次检查桥面涂层的外观。从图7可见涂层表面除有少量污渍外，未发现泛黄、脱落、鼓泡等现象。原露筋部位的涂层仍覆盖完好，未发生脱皮，表明涂层在防水、防锈方面起到了良好作用。利用透明胶带对涂层的耐污性进行定性评价(见图8)。经过胶带3次粘贴后，胶带表面也没有明显的物质，说明涂层表面污染物较少，具有一定的耐污性。

图7 露筋部位涂刷前(a)后(b)对比Figure 7 Comparison of exposed tendons before and after being brushed

图8 用胶带检测耐污性Figure 8 Test of stain resistance using tape

2.6 降温效果

统计涂刷后3个月内各测点的温度，以未涂刷区混凝土测点达到的最高和最低温度为标准，计算涂刷区和未涂刷区各测点的温差用于评价涂层的降温效果。由表2可知，未涂刷区各测点的最高温度均高于涂刷区域，涂刷区最高温度可降低0.9～7.3 °C，表明涂层对混凝土桥梁的降温作用显著。然而不论涂覆涂层与否，各测点最低温度的温差相差不大，但涂刷区域的最低温度略高于未涂刷区域，表明涂层同时具有保温性。为进一步明确各测点温度变化与太阳辐射量之间的关系，根据统计期间的气象数据资料，选取辐射量最高与最低的5天的温度数据分析不同太阳辐射量下涂层对混凝土温度的影响，结果如图9所示。可见不论混凝土桥梁涂刷与否，各测点温度与辐射强度正相关。

图9 太阳辐射量较高(a)和较低(b)情况下各测点的温度和辐射强度Figure 9 Temperature and radiation intensity of each measuring point under high (a) and low (b) solar radiation

表2 各测点的温度及温差Table 2 Temperature and temperature difference of each measuring point

从表3可知，太阳辐射强度高的期间，涂层的降温效果大于太阳辐射强度低的期间，日间抑制混凝土桥梁的升温效果较好。这主要是因为经涂刷后混凝土桥梁表面的太阳热反射吸收降低[17]起到了降温作用。在辐射量低的情况下涂刷区与未涂刷区最低温度基本一致，说明在辐射量小的阴雨天或夜晚，涂层还能起到良好的保温作用，从而降低了混凝土桥梁因大气温度骤降或季节变换而产生裂缝的风险。在测点1、2处涂层的温差远大于其他测点。这是因为在同一地点，桥梁的走向也会影响腹板所受太阳直接辐射时间及各时刻腹板阴影部分的高度。翼缘对腹板所受太阳辐射有明显的遮蔽作用，较长的悬臂能显著减小腹板温度，使得翼缘板达到的最大温度要高于腹板[34]。因此可根据桥型合理选用涂料。建议对于混凝土桥梁的边梁、防撞护栏，斜拉桥或悬索桥的桥塔，以及桥梁下部结构的盖梁、墩柱等因受阳光照射而有产生温度应力破坏风险的桥梁构件，宜采用热反射隔热型防护涂料进行重点防护，其他部位选择普通防腐涂料即可。

表3 不同太阳辐射量下涂刷与未涂刷区各测点的温差Table 3 Temperature difference between the coated and uncoated areas under different solar radiation

3 结论

选用低黏度改性液体环氧树脂、功能性颜料及复配固化剂制备了灰色太阳热反射隔热型防护涂料。该涂料能较好地保护混凝土桥梁，令刷涂区温度在高温时段(日间)显著低于未涂刷段，在低温时段(夜间)则表现出温差不大或部分高于未涂刷段的现象，可有效降低混凝土桥梁日温差，有助于避免桥梁产生裂缝，适合在辐射强的低纬度地带推广。