京沪高铁混凝土桥面聚脲防护材料选择

京沪高铁混凝土桥面聚脲防护材料选择

随着中国高铁的快速发展，北京高铁开通，整个省份都受到了挤压，这在中国引起了聚集。京沪高铁全线防护面积1000多万m2,需用聚脲2万多t,高铁最高运行速度达380km/h,它是世界上技术水平最高、工程量最大的聚脲防护工程。如何保证工程质量,创时代精品,全国关注。京沪高铁混凝土桥面聚脲防护工程要创一流工程质量,材料选择和结构层次设计是前提,施工是关键,监理和管理是保证。京沪高铁聚脲防护暂行技术条件已经出台,工程招标已经完成,开工在即。当前合理地选择聚脲防护材料是保证工程质量的第一步。1京沪高速铁路桥混凝土桥面的工作环境和聚防护材料的性能1.1高铁聚蝽防护层的特征分析⑴京沪高速铁路桥梁混凝土桥面承受的是高速、重载、交变负荷,与一般建筑物承受的静负荷不同,聚脲防护层的破坏是疲劳失效,对疲劳破坏的材料要选取较大的安全系数,故对聚脲材料的性能、可靠性及耐久性要求提高。⑵京沪高铁Ⅱ型轨道板和聚脲防护层是在重载、振动、高频次、强力水平剪切状态下的磨损,磨损严重。聚脲涂层要承受施工过程中运梁车、龙门吊、运轨车等施工机械的反复碾压,承受施工材料、工具的冲击和穿刺。故要求聚脲涂层的耐磨性、耐冲击性、耐碾压性和耐穿刺性优异。⑶高铁混凝土桥面在高速、重载、高频次的振动负荷作用下,加剧了桥面裂缝的扩展,对聚脲防护层的抗渗透性、抗混凝土桥面的开裂性及对桥面裂缝追随性要求极高。要求聚脲涂层是强度高、断裂伸长率大、黏结力强、整体无缝的“皮肤式”防水。⑷高铁聚脲防护层与Ⅱ型板配合使用,不加防护层暴露于外界环境中,故耐紫外线老化是关键指标。综合所述京沪高铁的聚脲防护材料应是高性能的、多功能的、高耐久性的,它集防水、防腐、耐磨耐碾压和表面装饰的最高要求于一身,仅说“防水”材料是不科学、不恰当的。据笔者所见,将“京沪高速铁路桥梁混凝土桥面喷涂聚脲防水层暂行技术条件”改为“京沪高速铁路桥梁桥面喷涂聚脲防护层暂行技术条件”更合适,“防水”变“防护”一字之差,就能更科学地反映京沪高铁防护的实质,也能更好、更有效地使用我国聚脲的人力资源,用于京沪高铁的聚脲防护工程。我国聚脲行业经过10年磨砺和发展,取得了举世瞩目的成就,但毕竟还是“幼年”,要在短时间完成京沪高铁防护这样世界技术水平最高、工程量最大的工程,确实存在巨大的差距,面临严峻的挑战。再看看投标的60多家材料企业,几乎是清一色的防水企业,其中多数是今年因京沪招标才进入聚脲行业,再加上低价中标的原则,工程质量确实令人担忧。我国聚脲的人力、设备、资源主要分布在防腐、防水、耐磨等领域,其中防腐行业约占2/3,为什么把它们排斥在外,不把这样庞大的资源利用起来呢?1.2施工技术、材料⑴优良的防水渗透性、极低的吸水率,能有效屏蔽水的渗透。组织致密、性能强韧、黏结力强、整体无缝的“皮肤式”防水是最佳选择;⑵良好的防腐性,耐酸、碱、盐(氯离子)等腐蚀介质的侵蚀;⑶与混凝土基材黏结强度高,防止脱层和窜水;⑷良好的耐久性、耐紫外线老化、冷热冲击和冻融循环;⑸优良的耐磨、耐冲击、抗穿刺、抗碾压性,以适应高速、重载、强振动、高冲击环境;⑹优异的抗混凝土基材开裂性、对基材开裂的防护性(追随性)及对基材的修复和补强性。要求涂层有优异的综合力学性能,抗拉强度高、断裂伸长率大、黏结强度高;⑺良好的耐高低温性、高耐热性及低温韧性,适应不同使用环境;⑻环保性好,有机挥发物(VOC)符合国家环保规定;⑼工艺性好,施工速度快、周期短、效率高、质量好;可在复杂型面上施工,可在迎水面防水,亦可在背水面防水,可在潮湿基面施工;节点细部施工性好、质量高;⑽外观装饰性好,使桥梁、隧道成为优美景观;(11訜可靠性、耐久性好,使用寿命长,与桥梁使用寿命相匹配;(12訜高的性能价格比,寿命周期费用最低,年均防护成本低。2个人提出建议方面,我国在文化领域的宣自2008年年底以来,笔者多次与铁道部的科研和设计院的技术人员进行交流,提出了个人的建议。还多次在聚脲技术研讨会上阐明自己的观点。现做些修改,公开发表以供参考,希望对保证京沪高铁聚脲防护工程的质量和聚脲技术的健康发展有益,有错误之处请批评指正!2.1高连接一般物理力学能通用物理力学性能见表1。2.2型板、聚脲和聚脲材料的选用⑴鉴于京沪高铁防护的重要性,其聚脲防护指标应参照《喷涂聚脲防水涂料》国标,在关键指标上又高于国标。⑵京沪高铁桥面承受的是高速、重载、交变负荷,聚脲防护层的破坏是疲劳失效,对聚脲防水材料的性能、可靠性及耐久性要求较高,故拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度、黏结强度、硬度、耐磨性及耐冲击性等7项主要性能指标的要求高于国家聚脲标准,其余指标与国家聚脲标准相同。在聚脲的物理性能中有两类指标,一是强度和刚性(如拉伸强度、撕裂强度和硬度),二是柔韧性(如断裂伸长率和低温弯折性)。就耐疲劳来说,柔韧性显得更重要,如钢丝反覆弯折则折断,而橡皮筋则不能。故7项指标中断裂伸长率最重要,因材料的柔韧性好,材料的抗疲劳性就好。⑶高速铁路要求聚脲涂层的耐磨性、耐冲击性、耐碾压性和耐穿刺性优异,而高的抗拉强度和撕裂强度、高的硬度,同时又有高的断裂伸长率是实现上述性能的优异条件,其中断裂伸长率是最关键指标,断裂伸长率大,柔韧性好,可以柔克刚。Ⅱ型板和聚脲防护层是在重载、振动和小幅水平振荡状态下的磨损,Ⅱ型板的设计寿命是60年,故只有通过提高抗拉强度、撕裂强度、硬度、断裂伸长率,从而大幅度提高耐磨性,使涂层的耐磨损寿命也达60年,才能与Ⅱ型板的寿命相匹配,使高铁的维修费用和间接损失降至最低。⑷高铁桥面的高速重载、振动负荷,加剧了桥面混凝土裂逢的扩展,故要求聚脲涂层有优良的抗渗性,抗混凝土桥面开裂性、对桥面裂缝极佳的追随性。聚脲抗拉强度高、断裂伸长率大、黏结强度高、整体无缝,是真正的“皮肤式”防水材料,它的抗渗、防水性、抗开裂性、裂缝的追随性优异,断裂伸长率指标又最重要。⑸客运专线Ⅰ型聚脲适用于一般客运专线的桥面防护,客运专线Ⅱ型聚脲适用于运行速度更高、使用条件恶劣、要求使用寿命更长的重要高速铁路无碴桥面,如京沪高铁的桥面防护。⑹拉伸强度、断裂伸长率、黏结强度和耐磨性是最关键的4项指标,这4项指标可以作为检验聚脲性能优劣的尺度,可在现场抽样检验中抽检这4项指标,指标达不到要求的为不合格,不得在工程中使用。⑺聚脲的抗拉强度和涂层厚度的乘积决定了涂层的抗拉能力。故在防护涂层中以涂层的抗拉能力代替涂层厚度更科学。若涂层的厚度相同(如2mm),则抗拉强度高的材料的抗拉能力强。如客运专线Ⅱ型材料的抗拉强度为16MPa,Ⅰ型为12MPa,京津城铁聚脲为10MPa,则Ⅱ型的抗拉能力为:16×2=32;Ⅰ型的抗拉能力为:12×2=24;京津城铁的抗拉能力为:10×2=20;Ⅱ型的抗拉能力远高于Ⅰ型和京津城铁聚脲。若要求涂层的抗拉能力相同,则抗拉强度高的材料可采用较薄的涂层。如客运专线Ⅱ型的涂层厚度为2mm,其抗拉能力为:16×2=32;Ⅰ型的厚度为2.5mm时,其抗拉能力为:2.5×12=30;京津城铁聚脲的厚度为3mm时,其抗拉能力为3×10=30;即Ⅱ型聚脲厚2mm略大于Ⅰ型厚2.5mm和京津城铁聚脲3mm的抗拉能力。还应特别指出的是2mm的Ⅱ型聚脲比2.5mm的Ⅰ型聚脲和3mm的京津城铁聚脲有更好的综合物理性能,因为Ⅱ型的断裂伸长率、黏结强度、耐磨、耐冲击等都高于Ⅰ型和京津城铁聚脲,特别是断裂伸长率是混凝土基材抗开裂最重要的指标。故客运专线Ⅰ型的推荐涂层厚度2.5mm,Ⅱ型为2mm,京津城铁聚脲应为3mm。⑻京津城铁和客运专线Ⅰ型聚脲单位质量的价格低于Ⅱ型聚脲,但在相同防护性能条件下,Ⅱ型聚脲单位面积(m2)的造价却低于京津城铁和Ⅰ型聚脲,即Ⅱ型聚脲有较好的性价比。因为Ⅱ型聚脲的使用性能、可靠性和耐久性远高于Ⅰ型和京津城铁聚脲,而单位质量的价格只比Ⅰ型和京津城铁聚脲略高一点。要改变崇尚低质量低价格,仅以价格高低论输赢的恶习,抵制造假的歪风,走出恶性竞争的怪圈。以质量科学和创新为发展的根本,京沪高铁“低价中标”的原则值得商榷。2.3低聚合层设计的耐久性聚脲的耐久性能见表2。2.4聚蝽在制作基础中的性能测试(1)国家标准人工气候老化的非外露型:试验累计辐照能量为1500MJ(约合720h);人工气候老化的外露型试验累计辐照能量为3150MJ(约合1512h)。(2)高速铁路聚脲防护层与Ⅱ型板配合使用,不加保护层,暴露于外界环境,故耐紫外线老化是关键指标,需耐3000h紫外线老化合格方可使用。芳香族聚脲因含苯环,暴露于紫外线下表面层会失光和变色,但这种作用只是对聚脲表面层起作用,优质聚脲材料从整体上来看性能的保持性较好。如BASF优质半聚脲不但拉伸强度高,断裂伸长率高,经过1512h紫外线老化后拉伸强度保持率达109%,断裂伸长保持率106%,-35℃低温弯折无裂纹;即拉伸强度和断裂伸长率比未经紫外线老化前还高,其性能不但未劣化,反而有所改善。从上述检测结果看到了优质半聚脲直接用于高速铁路防护的可能性,如能实现此方案,则是最经济和施工最快捷的选择。建议聚脲颜色采用深绿或褐色,以减少聚脲涂层黄变对桥面外观的影响。京沪高铁对抗黄变要求高,可增加0.2mm的丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆层,以改善表面装饰性。(3)鉴于客运专线聚脲的抗拉强度和断裂伸长率及黏结强度指标比国标的相应指标已经提高,故其耐久性比国标聚脲的耐久性要好。(4)抗拉强度和断裂伸长率高的聚脲材料(特别是断裂伸长率)其耐久性就好,Ⅱ型聚脲的耐久性、使用寿命比Ⅰ型或京津城铁聚脲要长。(5)高速铁路的使用寿命是100年,与此相匹配就要求聚脲涂层为高性能、高可靠性、高耐久性。高速铁路是难维修,甚至不可维修的,间接损失非常惊人,故提高高速铁路的耐久性至关重要。聚脲老化处理(热、酸、碱、盐、紫外线)后,拉伸强度将增加,断裂延伸率将减少,老化失效为脆性失效,故高断裂伸长率对保证涂层耐久性极为重要。高断裂伸长率的材料老化处理后涂层的劣化程度小。以聚脲国标样品检验结果为例,国标Ⅰ型(低档聚脲断裂伸长率不小于300%)有10个样品,其中有8个样品因柔韧性差,其耐久性不合格;而国标Ⅱ型(高档聚脲断裂伸长率不小于450%)的3个样品,耐久性全部合格。另外,断裂伸长率高的材料,即使随使用年限的增长断裂伸长率有所降低,但仍有较大宽裕度,安全系数较大。如客运专线Ⅱ型的断裂伸长率为500%,紫外线老化处理的保持率为80%,仍有400%的断裂伸长率;京津城铁聚脲断裂伸长率为250%,老化处理后只有200%,故客运专线Ⅱ型的耐久性好。2.5技术方面主要技术指标飞机是高性能、高可靠性、高耐久性的,在设计定型前要做空气动力试验、飞行模拟试验等。建议铁道科研设计院做4项前瞻性试验,通过模拟试验验证高速铁路聚脲防护技术指标的可行性。(1)Ⅱ型板(博各板)与聚脲涂层做耐磨性模拟试验,保证使用寿命60年。(2)断梁裂缝追随性、振动疲劳试验,确保使用的安全可靠性。(3)低温及冻融循环条件下的黏结强度试验及疲劳试验。(4)3000h以上耐紫外线老化试验。综上所述,京沪高铁桥梁混凝土桥面聚脲防护层的主要技术指标有下列5项:(1)抗拉强度不小于16MPa;(2)断裂伸长率不小于500%,笔者认为“暂行技术条件”不小于400%的断裂伸长率要求太低值得商榷;(3)黏结强度不小于3MPa或底材破环;(4)耐磨性不大于15mg;(5)耐紫外线老化(3000h):拉伸强度保持率不小于80%,断裂伸长保持率不小于80%;低温弯折性低于-35℃无裂纹。5项指标中断裂伸长率指标最重要,它是京沪高铁桥面聚脲防护材料的第一指标。3聚乙烯材料性能的加权评价方法为了用数据综合评价聚脲材料的综合理化性能的高低,推出了6项主要性能指标加权评价法,作为综合判断聚脲材料优劣的准则。3.1采用6个