本文介紹了混凝土中鋼筋的主要腐蝕形態(tài)和主要腐蝕防護(hù)方法。重點講述了高性能環(huán)氧涂層鋼筋的結(jié)構(gòu)特點、涂層性能特點和制作工藝，以及與普通熔結(jié)環(huán)氧涂層鋼筋的比較，提高鋼筋防護(hù)的耐久性。推廣高性能涂層鋼筋在我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中大力應(yīng)用。

 

 

    文| 史杰智 張立新 中國科學(xué)院金屬研究所

 

 

    鋼筋銹蝕是影響混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)耐久性的主要原因

 

 

        十九世紀(jì)中期發(fā)明了鋼筋混凝土，金屬與非金屬復(fù)合的高強工程結(jié)構(gòu)材料，二十世紀(jì)初期在工程界得到了應(yīng)用，二十世紀(jì)中期在建筑工程界的高層建筑和大跨度橋梁的建設(shè)中得到了大規(guī)模使用。同時，它在使用過程中也出現(xiàn)了一些腐蝕問題。在受到水介質(zhì)環(huán)境等浸濕下，會發(fā)生銹蝕、冰融、碳酸化作用、氯離子腐蝕和硫酸鹽腐蝕，其中鋼筋的銹蝕是鋼筋混凝土發(fā)生破壞的主要原因。

 

 

      鋼筋銹蝕產(chǎn)物使其體積增大3~7 倍左右，體積膨脹產(chǎn)生應(yīng)力， 造成混凝土開裂和剝落，如圖1 所示。
 

 

 

       鋼筋混凝土是海洋工程中的主要材料，在浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕最為嚴(yán)重，尤其在南海地區(qū)，由此引起混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命縮短，花費大量資金進(jìn)行返修甚至重建，直接影響工程的安全使用。

 

 

       我國從上世紀(jì)60 年代開始加強對海港工程腐蝕破壞狀況進(jìn)行了多次調(diào)查：在上世紀(jì)80~90 年代所開展的海港碼頭調(diào)查分析進(jìn)行了統(tǒng)計，多為南方地區(qū)的20 世紀(jì)50~70 年代建設(shè)的海港，5 年左右發(fā)現(xiàn)混凝土微細(xì)裂縫和輕度銹斑；7~8 年混凝土構(gòu)件因鋼筋銹脹引起混凝土開裂和剝落；運行15~20 年，70% 構(gòu)件必須大修才能運行。北方地區(qū)上世紀(jì)70~80 年代建造的港口碼頭，運行15 年， 破壞嚴(yán)重部位的構(gòu)件損壞率達(dá)到30%~50%;運行20 年，損壞率達(dá)到50%~90%.相比而言，南方海港混凝土鋼筋的腐蝕破壞程度比北方要嚴(yán)重，這與氣候條件非常有關(guān)。而南海島礁四面是海，處于溫度高、濕度大、海浪沖擊、鹽度高等特殊環(huán)境下，腐蝕尤為嚴(yán)重。事實上，南海地區(qū)不到五年混凝土已出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。為保持我國國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，必須大力投入解決鋼筋的銹蝕問題。

 

 

    混凝土中的鋼筋主要腐蝕防護(hù)方法

 

 

       雖然混凝土自身有一定保護(hù)作用，但是海洋環(huán)境下的工程結(jié)構(gòu)，用加厚混凝土的方法既浪費人力、物力，并且運輸、施工困難。為滿足高耐久性的要求必須采用其它附加措施來解決，通常采用的方法有：

 

 

       1） 鋼筋混凝土的外涂層

 

 

       雖然混凝土外涂層能起到阻止一定的離子進(jìn)入，但目前已有記錄數(shù)據(jù)其防護(hù)年限只有十多年，再次涂敷在特殊位置的維修是困難的，所以單一使用混凝土外涂層的方法達(dá)不到防腐效果。

 

 

       2） 陰極保護(hù)

 

 

       因為混凝土中鋼筋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并且在南海地區(qū)環(huán)境的復(fù)雜性，作為整體防護(hù)用陰極保護(hù)提高耐久性還存在許多技術(shù)問題， 得不到穩(wěn)定可靠地防護(hù)效果。

 

 

       3） 特種鋼筋

 

 

       采用不銹鋼鋼筋事實還存在兩個問題：一是經(jīng)濟(jì)問題，應(yīng)用不銹鋼鋼筋其材料成本要提高6~8 倍，工程費用過高，不合總成本要求；二是技術(shù)問題，在已有的不銹鋼鋼筋的工程中已發(fā)現(xiàn)， 不銹鋼鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度小于普通鋼筋粘結(jié)強度，目前這類研究還很少，工程可靠的應(yīng)用數(shù)據(jù)還不夠充分，依據(jù)還不足。

 

 

      4）鍍鋅鋼筋

 

 

       在普通強度的混凝土中，鍍鋅鋼筋的握裹力與裸鋼筋相比， 略有下降，有著良好的防護(hù)作用。在高強度的混凝土中，鍍鋅鋼筋的握裹力下降值與環(huán)氧涂層鋼筋類同。但是，鍍鋅鋼筋現(xiàn)場彎曲性能差，不易現(xiàn)場施工，在嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境中，鋅層犧牲速度較快，對于鋼筋達(dá)不到長期耐久性要求。因此，鍍鋅鋼筋的使用還是受到了限制。

 

 

       5）普通環(huán)氧涂層鋼筋

 

 

      普通環(huán)氧涂層鋼筋已廣泛應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)中，但其使用的耐久性在20~30 年，并且在國內(nèi)外的實例中都有鋼筋混凝土失效現(xiàn)象產(chǎn)生（如圖2）。
 

    圖2 Sunshine Skyway Bridge高架橋橫梁墩位7.5米（AHT）處環(huán)氧涂
    層鋼筋從基體脫開但無開裂現(xiàn)象，基體已局部生銹并變色。
 

       據(jù)調(diào)查，F(xiàn)lorida 州28 座橋環(huán)氧涂層鋼筋剝落（脫層）的統(tǒng)計結(jié)果，28 座橋的服役時間約3 年~13 年，3 年開始已有局部涂層脫層出現(xiàn)，到13 年時只有2 座橋沒有出現(xiàn)局部脫層現(xiàn)象，且大部分是從界面脫開，這種現(xiàn)象有一定的代表性。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生直接影響涂層鋼筋耐久性的提高。

 

 

       6）高性能環(huán)氧涂層鋼筋

 

 

       高性能環(huán)氧涂層鋼筋就是有別于普通環(huán)氧涂層鋼筋的新產(chǎn)品， 根據(jù)涂層脫層是涂層鋼筋防腐失效的基本原因為出發(fā)點，從涂料和涂層工藝掌握了提高高性能環(huán)氧涂層濕附著力等性能的方法， 并采用控制涂層厚度和漏點的涂裝工藝，大幅度提高鋼筋混凝土使用的耐久性，有效地滿足我國工程建設(shè)的發(fā)展需求。

 

 

    高性能環(huán)氧涂層鋼筋是提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最可靠方法

 

 

        普通涂層達(dá)不到預(yù)期防護(hù)效果的主要原因是：

 

 

       普通的環(huán)氧涂層鋼筋質(zhì)量和檢驗標(biāo)準(zhǔn)偏低，如美國ASTM A775/A775M 的標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展至今已在破損面積、涂層厚度和漏點控制上有明顯改進(jìn)，但在濕附著力的指標(biāo)上一直沒有提出要求， 是屬于普通的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。但缺少控制涂層脫層的關(guān)鍵指標(biāo)-濕附著力，因此該類鋼筋雖然是用環(huán)氧粉末進(jìn)行涂裝，實際上的濕附著力偏低。如上述美國Florida 州的大橋發(fā)生的早期混凝土破損的現(xiàn)象，由于這類標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品沒有根本改變耐久性差的問題。
 

 

        1） 現(xiàn)場對涂層鋼筋施工不夠規(guī)范，產(chǎn)生漏點較多，后續(xù)缺乏現(xiàn)場檢驗和維修、維護(hù)。

 

 

        2） 對被涂層的鋼筋材料沒有提出明確要求，由于表面質(zhì)量問題引起涂層性能降低。

 

 

       近20 年來在重腐蝕防護(hù)技術(shù)研究和開發(fā)的過程中，形成涂層防護(hù)失效的理念，提出了涂層防護(hù)失效的控制因素-長期濕附著力，并且得出涂層脫層的重要指標(biāo)即濕附著力級別，當(dāng)濕附著力為五級的時候就可以認(rèn)為涂層已脫層，而涂層脫層時基體腐蝕開始，涂層防護(hù)功能失效。我們從涂料和涂層工藝掌握了如何提高高性能環(huán)氧涂層濕附著力，和保持提高其它防護(hù)性能的方法。下面是高性能涂層的具體研究結(jié)果：

 

 

    高性能環(huán)氧涂層的結(jié)構(gòu)特點

 

 

        1） 涂層結(jié)構(gòu)的完整性

 

 

       大量實驗結(jié)果表明，高性能涂層的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是完整的，這完整的意義是涂層為無缺陷涂層，即用電火花檢測的方法，檢測出涂層無漏點，經(jīng)過大量實驗得出，無缺陷涂層是厚度必須大于200μm.

 

 

        上述的連續(xù)分布的涂層，因為是采用熱固性的涂料，必須具備達(dá)到充分固化的條件，才能達(dá)到涂層的均勻防護(hù)效果。這兩點是高性能涂層的具體特點，也是要達(dá)到涂層高性能的基本要求。

 

 

        2） 涂層結(jié)構(gòu)的多層性

 

 

       為滿足涂層鋼筋的耐久性，不單是提高防腐性能就可以，還必須滿足鋼筋在施工過程中對涂層的機械性能提出的要求，最明顯的是鋼筋在施工過程中必須要求彎曲，彎曲過程對涂層會有所損傷。因此對于高性能環(huán)氧涂層鋼筋，同樣提出這個要求。這個要求一般對于用單一涂層不易達(dá)到，這里從多層涂層結(jié)構(gòu)來解決， 如下所示。

 

 

       單層高性能環(huán)氧涂料的涂層，具有充分高的濕附著力效果， 有一定的抗彎曲性。

 

 

       雙層高性能環(huán)氧涂料的內(nèi)涂層，具有最好的濕附著力，但抗彎曲性一般。

 

 

       雙層高性能環(huán)氧涂料的外涂層，濕附著力性能一般，但是有具有最好的抗彎曲性，這種涂層結(jié)構(gòu)的搭配全面滿足目前海洋工程耐久性的要求。

 

 

       3） 涂層鋼筋加工的特殊要求

 

 

       高性能環(huán)氧涂層鋼筋按涂層特性分為A 類和B 類，A 類為后預(yù)制涂層鋼筋，B 類為前預(yù)制涂層鋼筋。

 

 

    高性能環(huán)氧涂層鋼筋的涂層性能特點

 

 

        1） 高性能環(huán)氧涂層鋼筋的濕附著力

 

 

       根據(jù)上述不同涂層90℃浸泡在蒸餾水中，得出不同濕附著力結(jié)果，如表2 所示，表明不同涂層所具有的濕附著力不同，而其有不同的抗涂層脫層能力，雙層內(nèi)涂層>單涂層>外涂層>普通涂層。
 

 

 

       2） 高性能環(huán)氧涂層鋼筋的滲透率

 

 

       涂層在脫層后，水、O2、和Cl- 在涂層的滲透率直接影響涂層的后續(xù)防腐性能，本文也給出了涂層在60℃條件下蒸餾水的吸水增重率變化表征涂層的抗?jié)B透能力，其實也相當(dāng)于雙層內(nèi)涂層>單涂層>外涂層>普通涂層。為了有效控制涂層的防腐性能， 控制涂層的抗?jié)B透率是一個主要因素。
 

 

 

       3） 高性能環(huán)氧涂層鋼筋的彎曲性

 

 

 

       彎曲性能要求是涂層鋼筋提出的特殊要求，從表中可見，從這些提出的高性能涂層彎曲性也能達(dá)到要求，但是彎曲施工現(xiàn)場是復(fù)雜的。表中是實驗的結(jié)果，為了客觀反映現(xiàn)象關(guān)于彎曲標(biāo)準(zhǔn)， 還是采用ASTM A775/A775M 中的彎曲標(biāo)準(zhǔn)要求，這是30 年來美國一直延續(xù)使用的標(biāo)準(zhǔn)。

 

 

       根據(jù)以上研究，我們得出高性能環(huán)氧涂層鋼筋的特點為：首先是無工藝缺陷的涂層，涂層固化充分，涂層厚度均勻，涂層無針孔，空隙率較低；第二是具有高的長期濕附著力的涂層，根據(jù)涂層的服役條件確定濕附著力的要求，滿足涂層的防腐耐久性， 同時具有良好的抗彎曲性，滿足可施工的環(huán)氧涂層鋼筋。
 

 

 

    高性能環(huán)氧涂層鋼筋與普通環(huán)氧涂層鋼筋比較

 

 

       從檢測的性能指標(biāo)得到的結(jié)果，高性能環(huán)氧涂層鋼筋除滿足國內(nèi)和國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求外，還提高了涂層的抗?jié)B透性、濕附著力和粘結(jié)強度要求，滿足了海洋環(huán)境下不同區(qū)域混凝土鋼筋長效防腐的需要。

 

 

    高性能環(huán)氧涂層鋼筋制作工藝

 

 

       高性能環(huán)氧涂層鋼筋涂裝工藝流程的簡要說明：
 

 

 

    不同方法防腐鋼筋性價比
 

 

   
高性能涂層鋼筋的應(yīng)用與推廣前景

 

 

        高性能涂層鋼筋其優(yōu)越的機械性能和防腐性能，已在下面這些工程中進(jìn)行了應(yīng)用和推廣。

 

 

        1 在高鐵項目中應(yīng)用

 

 

       我國高鐵發(fā)展迅猛，現(xiàn)已處于世界領(lǐng)先地位。無匝軌道環(huán)氧涂層絕緣鋼筋，部分采用了高性能環(huán)氧涂層鋼筋。由于高性能環(huán)氧涂層鋼筋很好的解決鋼筋腐蝕防護(hù)問題，使得鋼筋的絕緣性能得以保障，因此使用情況良好。

 

 

         2 在跨海大橋混凝土工程推廣應(yīng)用

 

 

        港珠澳大橋設(shè)計壽命120 年，這就要求大橋的承臺和墩身也要至少120 年的耐久性。大橋的承臺和墩身處在海洋環(huán)境比較惡劣的大氣區(qū)、浪濺區(qū)和海水區(qū)，“港珠澳大橋主體工程橋梁混凝土結(jié)構(gòu)高氧涂層鋼筋”科研項目通過了中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會組織的專家評審和中交規(guī)化設(shè)計院的應(yīng)用推廣的評審，作為技術(shù)規(guī)范已應(yīng)用于港珠澳大橋的混凝土承臺和墩身結(jié)構(gòu)中鋼筋的防腐。圖3 為高性能環(huán)氧涂層鋼筋產(chǎn)品，圖4 為港珠澳大橋墩身鋼筋中試的施工現(xiàn)場。
 

 

   圖3 為高性能環(huán)氧涂層鋼筋產(chǎn)品
 

   

 
  圖4 為港珠澳大橋墩身鋼筋中試的施工現(xiàn)場

結(jié)語

 

 

       由于高性能環(huán)氧涂層鋼筋具有無工藝缺陷的涂層且涂層固化充分，涂層厚度均勻，涂層無針孔，空隙率較低；并且涂層的濕附著力高，抗?jié)B透能力強，同時具有良好的抗彎曲性等特點，能充分滿足我國一帶一路工程、南沙島礁工程和復(fù)雜工業(yè)混凝土鋼筋的建設(shè)需要。