本文介紹了混凝土中鋼筋的主要腐蝕形態和主要腐蝕防護方法。重點講述了高性能環氧涂層鋼筋的結構特點、涂層性能特點和制作工藝，以及與普通熔結環氧涂層鋼筋的比較，提高鋼筋防護的耐久性。推廣高性能涂層鋼筋在我國的經濟建設中大力應用。

 

 

    文| 史杰智 張立新 中國科學院金屬研究所

 

 

    鋼筋銹蝕是影響混凝土鋼筋結構耐久性的主要原因

 

 

        十九世紀中期發明了鋼筋混凝土，金屬與非金屬復合的高強工程結構材料，二十世紀初期在工程界得到了應用，二十世紀中期在建筑工程界的高層建筑和大跨度橋梁的建設中得到了大規模使用。同時，它在使用過程中也出現了一些腐蝕問題。在受到水介質環境等浸濕下，會發生銹蝕、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生破壞的主要原因。

 

 

      鋼筋銹蝕產物使其體積增大3~7 倍左右，體積膨脹產生應力， 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，在浪濺區的混凝土結構腐蝕最為嚴重，尤其在南海地區，由此引起混凝土結構使用壽命縮短，花費大量資金進行返修甚至重建，直接影響工程的安全使用。

 

 

       我國從上世紀60 年代開始加強對海港工程腐蝕破壞狀況進行了多次調查：在上世紀80~90 年代所開展的海港碼頭調查分析進行了統計，多為南方地區的20 世紀50~70 年代建設的海港，5 年左右發現混凝土微細裂縫和輕度銹斑；7~8 年混凝土構件因鋼筋銹脹引起混凝土開裂和剝落；運行15~20 年，70% 構件必須大修才能運行。北方地區上世紀70~80 年代建造的港口碼頭，運行15 年， 破壞嚴重部位的構件損壞率達到30%~50%;運行20 年，損壞率達到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重，這與氣候條件非常有關。而南海島礁四面是海，處于溫度高、濕度大、海浪沖擊、鹽度高等特殊環境下，腐蝕尤為嚴重。事實上，南海地區不到五年混凝土已出現破壞現象。為保持我國國民經濟可持續發展，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方法

 

 

       雖然混凝土自身有一定保護作用，但是海洋環境下的工程結構，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入，但目前已有記錄數據其防護年限只有十多年，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不到防腐效果。

 

 

       2） 陰極保護

 

 

       因為混凝土中鋼筋結構的復雜性，并且在南海地區環境的復雜性，作為整體防護用陰極保護提高耐久性還存在許多技術問題， 得不到穩定可靠地防護效果。

 

 

       3） 特種鋼筋

 

 

       采用不銹鋼鋼筋事實還存在兩個問題：一是經濟問題，應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；二是技術問題，在已有的不銹鋼鋼筋的工程中已發現， 不銹鋼鋼筋與混凝土的粘結強度小于普通鋼筋粘結強度，目前這類研究還很少，工程可靠的應用數據還不夠充分，依據還不足。

 

 

      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，有著良好的防護作用。在高強度的混凝土中，鍍鋅鋼筋的握裹力下降值與環氧涂層鋼筋類同。但是，鍍鋅鋼筋現場彎曲性能差，不易現場施工，在嚴酷的腐蝕環境中，鋅層犧牲速度較快，對于鋼筋達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）普通環氧涂層鋼筋

 

 

      普通環氧涂層鋼筋已廣泛應用在混凝土結構中，但其使用的耐久性在20~30 年，并且在國內外的實例中都有鋼筋混凝土失效現象產生（如圖2）。
 

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

       據調查，Florida 州28 座橋環氧涂層鋼筋剝落（脫層）的統計結果，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，到13 年時只有2 座橋沒有出現局部脫層現象，且大部分是從界面脫開，這種現象有一定的代表性。這種現象的產生直接影響涂層鋼筋耐久性的提高。

 

 

       6）高性能環氧涂層鋼筋

 

 

       高性能環氧涂層鋼筋就是有別于普通環氧涂層鋼筋的新產品， 根據涂層脫層是涂層鋼筋防腐失效的基本原因為出發點，從涂料和涂層工藝掌握了提高高性能環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的發展需求。

 

 

    高性能環氧涂層鋼筋是提高混凝土結構耐久性的最可靠方法

 

 

        普通涂層達不到預期防護效果的主要原因是：

 

 

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

 

        1） 現場對涂層鋼筋施工不夠規范，產生漏點較多，后續缺乏現場檢驗和維修、維護。

 

 

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

 

 

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

 

 

    高性能環氧涂層的結構特點

 

 

        1） 涂層結構的完整性

 

 

       大量實驗結果表明，高性能涂層的結構應該是完整的，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.

 

 

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

 

 

        2） 涂層結構的多層性

 

 

       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到，這里從多層涂層結構來解決， 如下所示。

 

 

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

 

 

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

 

 

       雙層高性能環氧涂料的外涂層，濕附著力性能一般，但是有具有最好的抗彎曲性，這種涂層結構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

 

 

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

 

 

    高性能環氧涂層鋼筋的涂層性能特點

 

 

        1） 高性能環氧涂層鋼筋的濕附著力

 

 

       根據上述不同涂層90℃浸泡在蒸餾水中，得出不同濕附著力結果，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，雙層內涂層>單涂層>外涂層>普通涂層。
 

 

 

       2） 高性能環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滲透能力，其實也相當于雙層內涂層>單涂層>外涂層>普通涂層。為了有效控制涂層的防腐性能， 控制涂層的抗滲透率是一個主要因素。
 

 

 

       3） 高性能環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到要求，但是彎曲施工現場是復雜的。表中是實驗的結果，為了客觀反映現象關于彎曲標準， 還是采用ASTM A775/A775M 中的彎曲標準要求，這是30 年來美國一直延續使用的標準。

 

 

       根據以上研究，我們得出高性能環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，滿足可施工的環氧涂層鋼筋。
 

 

 

    高性能環氧涂層鋼筋與普通環氧涂層鋼筋比較

 

 

       從檢測的性能指標得到的結果，高性能環氧涂層鋼筋除滿足國內和國際相關標準要求外，還提高了涂層的抗滲透性、濕附著力和粘結強度要求，滿足了海洋環境下不同區域混凝土鋼筋長效防腐的需要。

 

 

    高性能環氧涂層鋼筋制作工藝

 

 

       高性能環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用與推廣前景

 

 

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

 

 

        1 在高鐵項目中應用

 

 

       我國高鐵發展迅猛，現已處于世界領先地位。無匝軌道環氧涂層絕緣鋼筋，部分采用了高性能環氧涂層鋼筋。由于高性能環氧涂層鋼筋很好的解決鋼筋腐蝕防護問題，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用

 

 

        港珠澳大橋設計壽命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境比較惡劣的大氣區、浪濺區和海水區，“港珠澳大橋主體工程橋梁混凝土結構高氧涂層鋼筋”科研項目通過了中國腐蝕與防護學會組織的專家評審和中交規化設計院的應用推廣的評審，作為技術規范已應用于港珠澳大橋的混凝土承臺和墩身結構中鋼筋的防腐。圖3 為高性能環氧涂層鋼筋產品，圖4 為港珠澳大橋墩身鋼筋中試的施工現場。
 

 

   圖3 為高性能環氧涂層鋼筋產品
 

   

 
  圖4 為港珠澳大橋墩身鋼筋中試的施工現場

結語

 

 

       由于高性能環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，抗滲透能力強，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、南沙島礁工程和復雜工業混凝土鋼筋的建設需要。