基于减少混凝土桥梁温度效应的热反射型涂料应用技术分析

徐景江　杨坚强　钟媛

【摘 要】随着科技的发展与预防性养护理念在工程界得到了广泛认可共识，一些新技术、新材料与新工艺显示出了明显的优势，并在工程建设中得到了广泛应用。论文对热反射型涂料在降低桥梁混凝土温度中应用相关技术问题进行分析，为该类功能性材料的推广应用提供参考。

【Abstract】With the development of science and technology， and the preventive maintenance concept is widely recognized in engineering， some new technologies， new materials and new processes have shown a clear superiority， and have been widely used in the engineering construction. In this paper， we analyze the technology problems of heat reflective coatings applied in reducing the temperature of bridge concrete， hoping to provide a reference for the popularization and application of this kind of functional material.

【关键词】热反射型涂料；桥梁混凝土；温度效应

【Keywords】heat reflective coating； concrete bridge ； temperature effect

【中图分类号】U445.57 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）05-0162-02

1 引言

混凝土材料自身具有熱惰性，当混凝土内部温度较高，外部温度较低时，受内外温差的影响，混凝土表面将会产生较大的表面应力，严重时会产生表面裂缝[1]。如美国ChamPigny箱梁桥的支座反力由于受一天内的温差变化影响，其变化达到了26%，顶板拉应力也是达到了2.7MPa[2]。德国Jagst厚腹板箱梁桥在运营第五年发生了严重的裂缝，经过估算，其因温度作用产生的拉应力约为2.6Mpa[3]。在温度荷载及环境因素的共同影响下，混凝土桥梁结构耐久性降低，最终导致混凝土桥梁养护维修次数增加，甚至缩短其使用年限，这无疑会造成经济损失，并影响社会效益。随着预防性养护理念在工程界得到了广泛认同，如何在养护工作中通过主动降低既有混凝土桥梁结构的温度效应，为其结构安全与防护提供进一步保障，成为值得公路养护与管理工作者思考的问题。

热反射型涂料作为一种新型功能性材料，主要对400nm～2500nm范围内的太阳红外线和紫外线进行高反射，从而减少太阳的热量在受照物体表面的累计升温，同时又可自主进行热量辐射散热降温，将物体表面的热量辐射到太空中去，从而达到降低物体温度的效果。其在石油化工、军事装备及建筑工程等领域中得到了广泛应用，并取得了良好的效果。本文主要结合云南交通技师学院所承担的关于热反射型涂料在桥梁混凝土中应用技术方面的科研课题，对该类材料在实际养护工作应用中所存在的技术问题进行分析与讨论，为该类材料在云南地区的应用提供相关参考。

2 热反射型涂料技术的特点及应用优势

根据传热学基本原理，热量的传递主要分为热辐射、热传导以及对流换热。从理论上说，降低热辐射的吸收、减少热传导吸收以及增大换热都对降温起到积极作用，因此，理想的反射隔热涂层应具有高反射率、低导热系数和高发射率的特点。将热反射型涂料用于混凝土桥梁降温具有以下显著优势：

①具有明显的降温隔热能力，可减小太阳辐射和温度骤降对桥梁温度应力的影响；

②涂层的形成具有良好的防护效果，可减少水及其他腐蚀介质（CO2、Cl-等）对混凝土桥梁结构的侵蚀；

③涂膜性能便于监测，可以及时提高其防护与降温性能；此外，热反射涂料还可以满足实际工程对不同颜色的需求，使涂刷后既美观又兼具隔热功能，经济效益和社会效益将大大增加。

3 热反射型涂料在混凝土桥梁中的应用技术分析

3.1 基本性能要求

通过对云南混凝土桥梁所处的腐蚀环境（大气、水、氯盐及日照）和腐蚀特点进行分析，可知其属于内陆高原山区，虽然氯盐以及工业污染物（CO2，SO2）等相对少见，但大气降水较为集中、太阳辐射量大、昼夜温差大等较为突出，因此，在此地区选用的热反射型涂料不仅要能对桥梁混凝土材料起到防护作用，自身也应具有抗腐蚀。将降温效果、耐冲刷性以及抗老化等作为评价指标对热反射型涂料进行筛选与研制，此外，也应将混凝土的随从性、粘接性作为重点技术指标进行考察，以保障涂层的耐久性。

3.2 涂装部位的筛选

热反射型涂料作为一种新型功能性材料，造价要比其他防水、防腐等涂料的造价高。因此，从工程经济性方面考虑，应结合混凝土桥梁温度差对重点降温部位进行筛选，从而保障效益最大化。

计算分析结果表明：混凝土桥梁所受最大拉应力一般发生在桥面板顶面，最大拉应力发生在距离桥面板0.2m处，即翼缘下方0.1m范围内的拉应力均偏大，是裂缝产生的潜在区域，而沿梁高竖向温差变化相对较小。通过对箱梁截面横向温度应力与竖向温度应力的分析，显示箱梁顶板下侧存在较大的横向温度应力，极易导致顶板沿桥纵向开裂；腹板上部内侧竖向拉应力和纵向拉应力都比较大，处于双向拉应力状态，如不采取适当的措施则可能在腹板上部出现斜裂缝。若这些裂纹（尤其是纵向裂缝）首尾相接，就会形成一些长度很长的裂纹，在交变的温度应力作用下，这些长裂纹有可能继续扩张并贯穿墩体，甚至将整个桥墩劈裂成若干柱形体，这样桥墩就有失稳破坏的危险。

结合上述分析，受日照辐射的梁式上部结构的边梁侧面均需涂刷，这样可减少沿梁高竖向温差，如若有条件（涂层不影响行车制动、不引起眩光等），可以考虑在桥面铺装上也进行热反射型涂料的涂装，这将对诸如箱型梁、空心板等形式的梁体结构的顶板上侧和腹板上部的外裂缝控制起到较好作用；可在拱箱顶部和拱上主梁上下表面涂刷降温材料来降低温差。另外，对于下部结构桥墩、盖梁等受到太阳辐射的地方，均有必要采取热反射型涂料进行降温，但具体选择与否，要根据具体日照情况及受力分析后进行确定。

3.3 质量评定

基层的处理、施工环境以及涂刷人员的安排等都会对涂层质量产生影响。涂层的质量关系到后期对混凝土的防护及自身性能的长期发挥，因此有必要对施工质量的控制及其评价方法进行讨论，其控制指标主要包括涂膜厚度、降温效果、粘结强度等。涂膜厚度是判断混凝土涂层涂装质量和涂层劣化程度的重要指标，结合室内试验，提出了应用超声波检测涂层厚度的方法，其主要用于工程现场无损检测混凝土桥梁结构涂层厚度；降温效果的评定可利用红外热成像仪进行；粘结强度的评定可以采用托拉法进行，并应在施工之前对施工方案进行试验，然后确定施工方案，以保证粘结强度。

4 结语

随着科技的发展与预防性养护理念得到广泛的共识，越来越多新材料在工程中得到应用。本文从热反射型涂料技术特点、应用于混凝土桥梁的优势、基本性能要求以及涂刷部位的确定进行了分析，希望能为该类材料的研发与应用提供参考。

【参考文献】

【1】胡平，杨萍，吴志朋，等.环境温度条件对混凝土坝长期运行的影响[J].水利水电技术，2012，43（9）：26-29.

【2】李伟.太阳辐射作用下混凝土箱梁桥温度分布和温度应力的研究[D].天津：天津大学，2013.

【3】褚强.自然环境下混凝土箱梁桥温度分布及温度应力研究[D].江西：华东交通大学，2011.