軌道交通高架混凝土結(jié)構(gòu)表面涂裝方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

李明濤

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

目前，引導(dǎo)城市周邊及衛(wèi)星城區(qū)發(fā)展的需求日益旺盛，使得軌道交通線路越來越多地向城市周邊延伸，高架線路由于其在建設(shè)工期、工程投資、運(yùn)營費(fèi)用上的優(yōu)勢，尤其適用于城市周邊和山區(qū)城市的軌道交通建設(shè)。高架線路由于其主體結(jié)構(gòu)位于地面以上，對周邊環(huán)境影響較大，需要考慮其城市景觀效果，另外軌道交通作為百年工程，其上部結(jié)構(gòu)長期處于露天環(huán)境，需要保證其耐久性。本文從耐久性及景觀需求出發(fā)，對高架結(jié)構(gòu)表面涂裝的必要性、常用做法及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析，并列舉了成都地鐵2號線東延線、西安地鐵3號線的涂裝工程實(shí)踐，為今后類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 表面涂裝的必要性分析

涂裝是現(xiàn)代工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要制造工藝，是指將涂層涂覆于物體表面上干燥成膜的工藝，其作用主要包括表層保護(hù)作用、裝飾作用、特種用途（如吸聲、發(fā)光、超長隧道駕駛心理調(diào)節(jié)作用）[1-2]。軌道交通高架結(jié)構(gòu)表面涂裝的主要作用為表面防護(hù)及裝飾，其中表面防護(hù)用于提高結(jié)構(gòu)的耐久性，裝飾用于區(qū)分軌道交通不同線路和提升軌道交通景觀效果。下面分別從上述兩方面對涂裝的必要性做進(jìn)一步分析。

1.1 耐久性要求

現(xiàn)行規(guī)范一般均要求進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)，耐久性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限和環(huán)境類別對混凝土材料、構(gòu)件中鋼筋混凝土保護(hù)層厚度、裂縫控制、附加防護(hù)措施、施工質(zhì)量、使用階段檢測維護(hù)等提出具體要求?；炷帘韺油垦b是利用涂層在混凝土表面形成保護(hù)膜，堵塞混凝土結(jié)構(gòu)的孔隙和微細(xì)裂縫，防止自然環(huán)境對混凝土結(jié)構(gòu)造成危害，屬于附加防護(hù)措施。下面以西安市、成都市為例，梳理現(xiàn)行規(guī)范[3～9]中對軌道交通高架結(jié)構(gòu)的環(huán)境作用、涂裝的具體要求，如表1～2所示。

表1 西安市軌道交通高架結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)要求Tab. 1 Durability requirements of elevated concrete structure of rail transit in Xi’an

從表中梳理結(jié)果可以看出，通過控制混凝土材料、鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度、構(gòu)件裂縫、施工質(zhì)量，采取結(jié)構(gòu)構(gòu)造和防排水構(gòu)造措施，加強(qiáng)使用階段的檢測及維護(hù)，可以保證軌道交通高架結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范的耐久性設(shè)計(jì)要求，規(guī)范沒有把附加表面防護(hù)作為必要措施?；炷两Y(jié)構(gòu)耐久性取決于混凝土結(jié)構(gòu)自身特性和外部環(huán)境的侵蝕性，其破壞本質(zhì)為混凝土結(jié)構(gòu)材料與使用環(huán)境或結(jié)構(gòu)自身中某些物質(zhì)相互作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化。軌道交通高架段的橋墩、箱梁均暴露于大氣中，其混凝土?xí)馐苡晁?、紫外線、汽車尾氣等侵蝕，會(huì)發(fā)生碳化現(xiàn)象，碳化作用引起的混凝土疏松、剝落、開裂以及鋼筋銹蝕，會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用壽命、城市美觀和交通安全。通過對河南、浙江、山東、上海等地的公路橋梁以及重慶輕軌橋梁[14-18]進(jìn)行耐久性調(diào)查，分析和檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些橋梁結(jié)構(gòu)普遍存在碳化、鋼筋銹蝕、氯離子侵蝕等耐久性病害，且越靠近城市，城市工業(yè)和汽車廢氣引起的碳化速度越快、碳化深度越深，而考慮我國目前的城市能源結(jié)構(gòu)，隨著城市工業(yè)發(fā)展和機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增加，汽車尾氣、工業(yè)廢氣的排放量還會(huì)增加，軌道交通高架結(jié)構(gòu)將長期面臨廢氣侵蝕和由此帶來的酸雨侵蝕。國外學(xué)者曾用“五倍定律”描述混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要性，即設(shè)計(jì)階段節(jié)省的耐久性防護(hù)費(fèi)用，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)耐久性病害時(shí)，隨著病害程度的不同，維修費(fèi)用將相應(yīng)遞增5倍。因此，考慮軌道交通工程作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，建議采用涂裝作為補(bǔ)充措施，以提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，避免使用一定年限后再進(jìn)行耐久性評估修復(fù)與防護(hù)[19-20]。

表2 成都市軌道交通高架結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)要求Tab. 2 Durability requirements of elevated concrete structure of rail transit in Chengdu

1.2 景觀要求

軌道交通高架結(jié)構(gòu)一般綿延數(shù)公里，體量較大，改變了城市街道的原有比例，在某種程度上割裂了城市空間，對城市景觀產(chǎn)生較大影響。目前整個(gè)社會(huì)對人居環(huán)境提出了更高的要求，人們越來越關(guān)注城市景觀，高架軌道交通逐漸演變?yōu)槌鞘忻?，成為人們了解一座城市、領(lǐng)略城市風(fēng)光的重要窗口，因此高架景觀設(shè)計(jì)也越來越受到重視[21-24]，色彩肌理作為景觀設(shè)計(jì)的重要因素，在軌道交通景觀評價(jià)中權(quán)重值很大[25-28]。

混凝土作為人造材料，本身顏色簡樸、自然，在軌道交通、高速鐵路項(xiàng)目均有應(yīng)用[29-30]，但由于其對混凝土外觀質(zhì)量要求很高，很多工程施工質(zhì)量難以達(dá)到，拆模后都存在表面缺陷和色差，需進(jìn)行表面修補(bǔ)以達(dá)到理想效果，另外清水混凝土本身吸水后還會(huì)發(fā)生變深和變臟現(xiàn)象。而通過涂料色彩的選擇和設(shè)計(jì)，涂裝可實(shí)現(xiàn)豐富的配色、良好的光澤度和平滑性，讓結(jié)構(gòu)披上美觀的外衣，可取得軌道交通與周邊環(huán)境的良好協(xié)調(diào)，在重慶軌道交通、南京地鐵、無錫地鐵、上海地鐵中已有應(yīng)用，如圖1～4。

圖1 重慶軌道交通3號線高架橋涂裝效果Fig. 1 Coating application of viaduct in Chongqing Rail Transit Line 3

圖2 南京S1號線高架橋涂裝效果Fig. 2 Coating application of viaduct in Nanjing Metro Line S1

圖3 無錫地鐵2號線高架車站涂裝效果Fig. 3 Coating application of elevated station in Wuxi Metro Line 2

通過上述分析可知，表面涂裝不是軌道交通高架混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的必要手段，但表面涂裝是提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、提升高架結(jié)構(gòu)景觀效果的簡單且行之有效的手段。為保證涂裝方案的經(jīng)濟(jì)合理性、美化橋梁外觀、實(shí)現(xiàn)高架結(jié)構(gòu)與周圍人文景觀的協(xié)調(diào)一致，建議設(shè)計(jì)階段將其納入景觀專題研究，組織專家評審，向社會(huì)公示和征求意見，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益最大化。

圖4 上海地鐵5號線高架車站涂裝效果Fig. 4 Coating application of elevated station in Shanghai Subway Line 5

2 涂裝做法及經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

混凝土的表面涂裝根據(jù)作用原理不同可分為表面滲透處理和表面涂層防護(hù)。

2.1 表面滲透處理

表面滲透處理就是通過滲透性涂料滲入混凝土內(nèi)部發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)以提高混凝土的致密性和防水性或憎水性，阻止以水為載體的腐蝕性介質(zhì)侵入，達(dá)到混凝土免受腐蝕的目的。目前常用表面滲透處理技術(shù)主要采用水泥基滲透結(jié)晶型涂層材料和硅烷浸漬材料，水泥基滲透結(jié)晶型涂層材料是通過提高混凝土表面結(jié)構(gòu)的致密性和防水性，阻止水分子和有害物質(zhì)的侵入，硅烷滲透型浸透材料是通過賦予混凝土表面微觀結(jié)構(gòu)長期的憎水性降低水和有害氯離子等介質(zhì)的侵入。表面滲透處理的施工工藝流程一般為：基層處理→涂料制備→涂刷（噴涂）→養(yǎng)護(hù)→驗(yàn)收。

2.2 表面涂層防護(hù)

表面涂層防護(hù)通過在混凝土表面涂覆一定厚度的涂料，形成一層隔離層制止氯離子、氧、水等介質(zhì)滲入混凝土，達(dá)到提高混凝土耐久性和景觀裝飾的效果[31]。表面防護(hù)涂層根據(jù)材料性質(zhì)可劃分為無機(jī)類、有機(jī)類和混合類，無機(jī)類主要為聚合物水泥涂層，有機(jī)類主要包括氯化橡膠涂料、聚氨酯涂料、丙烯酸涂料、有機(jī)硅涂料等，其施工工藝流程一般為：基層處理→涂料制備→底漆→中間漆→面漆→養(yǎng)護(hù)→驗(yàn)收。表面涂裝方案比較見表3，造價(jià)分析見圖5。

表3 軌道交通高架結(jié)構(gòu)表面涂裝方案比較Tab. 3 Comparison of surface coating for elevated concrete structure of rail transit

圖5 涂裝方案造價(jià)分析Fig. 5 Comparative analysis of costs of coating schemes

表3中列出了表面滲透及涂裝防護(hù)的常用方案，技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析如下：

1）從防護(hù)效果及裝飾效果看，表面涂層對耐久性和景觀效果均有較大提升，而表面滲透技術(shù)僅通過防止水分滲透和轉(zhuǎn)移以提高混凝土的耐久性，對于空氣、汽車廢氣滲透引起的混凝土劣化防護(hù)效果不明顯，可采用表面滲透+涂層復(fù)合涂裝方案完善防護(hù)效果，但造價(jià)會(huì)相應(yīng)增加很多，因此適用于空氣潮濕且采用清水混凝土景觀效果的工程。

2）在造價(jià)方面，聚合物水泥涂層及硅烷浸透涂裝造價(jià)最高，水泥滲透結(jié)晶型涂裝價(jià)格最低，其他涂層費(fèi)用相差不大，涂層設(shè)計(jì)使用年限越長、環(huán)境腐蝕程度越嚴(yán)重，工程造價(jià)越高；從圖5中可看出，直接材料費(fèi)用占涂層總造價(jià)的40%～50%，人工、機(jī)械等費(fèi)用占比較高，因此，投入運(yùn)營后再進(jìn)行防護(hù)涂裝或修補(bǔ)維護(hù)不經(jīng)濟(jì)，需要重新考慮施工場地、交通疏解等，施工費(fèi)用還會(huì)進(jìn)步一增加。以采用11.5 m墩高、30 m跨簡支預(yù)制箱梁、沿路中綠化帶行走的區(qū)間橋梁為例，采用丙烯酸涂料進(jìn)行表面涂裝，使用年限為10年時(shí)，每千米造價(jià)約 87萬元，占高架區(qū)間每延米造價(jià)約1.2%，橋梁使用年限內(nèi)總造價(jià)約870萬元，其中材料費(fèi)用約460萬元，410萬元為人工、機(jī)械等費(fèi)用，使用年限為20年時(shí)，每千米造價(jià)約121萬元，占高架區(qū)間每延米造價(jià) 1.7%左右，橋梁使用年限內(nèi)總造價(jià)約605萬，其中材料費(fèi)用約266萬元，339萬元為人工、機(jī)械等費(fèi)用，顯然考慮一次性投入占總造價(jià)的比例及高架結(jié)構(gòu)的全壽命周期的投入，土建工程完工后直接進(jìn)行涂裝且采用使用年限較長的涂裝方案會(huì)比較經(jīng)濟(jì)。

3）在施工和修復(fù)難易程度上，硅烷浸透涂裝與聚合物水泥涂層最為簡單，其他表面涂層防護(hù)均比較復(fù)雜，其中表面涂層體系又可分為溶劑型和水性涂料，溶劑型涂料一般為雙組分材料，涂料需現(xiàn)場調(diào)配，對施工環(huán)境溫度、工藝及質(zhì)量控制要求較高，且揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）含量高，不利于環(huán)保；水性涂料用水代替有機(jī)溶劑，綠色環(huán)保，一般為單組份材料，施工簡單安全，對施工環(huán)境溫度要求低，目前水性涂料體系種類較多且技術(shù)成熟，已列入規(guī)范作為混凝土結(jié)構(gòu)表面防護(hù)及裝飾使用，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)具體環(huán)境采用相應(yīng)的水性涂層體系，以達(dá)到環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、使用壽命長的目的。

4）從耐久使用年限上看，聚氨酯涂料、丙烯酸涂料與氟碳涂料涂裝體系理論使用年限最長，可達(dá)20年，考慮表面涂裝修復(fù)施工難度大且造價(jià)高，涂裝方案應(yīng)優(yōu)先使用上述三種涂裝體系，選擇科學(xué)合理的配套體系，保證涂層具有足夠的抗?jié)B透能力、防碳化能力、適應(yīng)混凝土形變的能力以及耐候性能，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，以延長涂裝的使用壽命。

3 工程實(shí)踐

成都地鐵2號線東延線工程線路全長11.116 km，其中高架線5.357 km，沿路中敷設(shè)，共設(shè) 3座高架站，已于2014年10月開通運(yùn)營。該工程為修補(bǔ)混凝土外觀質(zhì)量缺陷、提升高架段混凝土外觀效果，對全線高架車站及區(qū)間所有橋梁進(jìn)行了涂裝處理，涂裝方案[32]為：整個(gè)高架段采用混凝土本色，高架車站及跨線連續(xù)梁橋采用自潔型氟碳漆，其余部分均采用水泥漆（清水混凝土顏色調(diào)節(jié)劑），涂裝后實(shí)際效果如圖6～7所示。

圖6 成都地鐵2號線高架橋涂裝效果Fig. 6 Coating application of elevated station in Chengdu Metro Line 2

圖7 成都地鐵2號線高架車站涂裝效果Fig. 7 Coating application of viaduct in Chengdu Metro Line 2

西安地鐵3號線高架段位于東北部的浐灞生態(tài)園區(qū)、國際港務(wù)區(qū)，線路長約13.053 km，設(shè)7座高架車站，其中高架橋長10.668 km，U型槽長0.507 km，地下區(qū)間長1.051 km，已于2016年11月通車運(yùn)營。3號線作為西安市軌道交通的第一條部分采用高架敷設(shè)的骨干線路，為提高高架段混凝土結(jié)構(gòu)耐久性、美觀性及使用性能，確定了對橋體外露面按使用年限20年進(jìn)行涂裝[33]，其中對于橋墩2 m以下部分（除水中墩外）及U型槽外側(cè)采用溶劑型氟碳漆，對于水中及地面橋墩2 m以上部分、梁部及欄板采用水性有機(jī)硅丙烯酸漆，涂裝后實(shí)際效果見圖8。

圖8 西安地鐵3號線高架結(jié)構(gòu)涂裝效果Fig. 8 Coating application of viaduct in Xi’an Subway Line 3

4 結(jié)語

綜上所述，通過對軌道交通混凝土構(gòu)件表面涂裝進(jìn)行技術(shù)分析，得出以下結(jié)論：

1）軌道交通高架混凝土結(jié)構(gòu)不采取附加防護(hù)措施可滿足規(guī)范中的耐久性設(shè)計(jì)要求，混凝土構(gòu)件表面涂裝具有提高混凝土橋梁耐久性、美化橋梁外觀、與周圍的人文景觀協(xié)調(diào)一致的作用。

2）表面涂裝的工程造價(jià)中人工、機(jī)械等費(fèi)用占比較高，考慮涂裝工程一次性投入占總造價(jià)的比例及高架結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)涂裝造價(jià)，土建工程完工后直接進(jìn)行涂裝且采用使用年限較長的涂裝方案會(huì)比較經(jīng)濟(jì)。

3）聚氨酯涂料、丙烯酸涂料與氟碳涂料涂裝體系理論使用年限最長，建議根據(jù)工程實(shí)際使用環(huán)境科學(xué)選用相應(yīng)的水性涂層體系，以達(dá)到施工簡單、安全環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、使用壽命長的目的。

4）各個(gè)城市地理人文及經(jīng)濟(jì)條件環(huán)境存在差異，表面防護(hù)材料種類及廠家繁多，性能及造價(jià)具有差異，建議實(shí)際工程建設(shè)中將表面涂裝納入景觀專題研究以選擇最優(yōu)方案。

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