高性能环氧涂层钢筋研发和工程应用

2015-06-01 00:00:00 作者：ecorr_91 来源：《腐蚀防护之友》分享至：

本文介绍了混凝土中钢筋的主要腐蚀形态和主要腐蚀防护方法。重点讲述了高性能环氧涂层钢筋的结构特点、涂层性能特点和制作工艺，以及与普通熔结环氧涂层钢筋的比较，提高钢筋防护的耐久性。推广高性能涂层钢筋在我国的经济建设中大力应用。

文| 史杰智张立新中国科学院金属研究所

钢筋锈蚀是影响混凝土钢筋结构耐久性的主要原因

十九世纪中期发明了钢筋混凝土，金属与非金属复合的高强工程结构材料，二十世纪初期在工程界得到了应用，二十世纪中期在建筑工程界的高层建筑和大跨度桥梁的建设中得到了大规模使用。同时，它在使用过程中也出现了一些腐蚀问题。在受到水介质环境等浸湿下，会发生锈蚀、冰融、碳酸化作用、氯离子腐蚀和硫酸盐腐蚀，其中钢筋的锈蚀是钢筋混凝土发生破坏的主要原因。

钢筋锈蚀产物使其体积增大3~7 倍左右，体积膨胀产生应力，造成混凝土开裂和剥落，如图1 所示。

钢筋混凝土是海洋工程中的主要材料，在浪溅区的混凝土结构腐蚀最为严重，尤其在南海地区，由此引起混凝土结构使用寿命缩短，花费大量资金进行返修甚至重建，直接影响工程的安全使用。

我国从上世纪60 年代开始加强对海港工程腐蚀破坏状况进行了多次调查：在上世纪80~90 年代所开展的海港码头调查分析进行了统计，多为南方地区的20 世纪50~70 年代建设的海港，5 年左右发现混凝土微细裂缝和轻度锈斑；7~8 年混凝土构件因钢筋锈胀引起混凝土开裂和剥落；运行15~20 年，70% 构件必须大修才能运行。北方地区上世纪70~80 年代建造的港口码头，运行15 年，破坏严重部位的构件损坏率达到30%~50%;运行20 年，损坏率达到50%~90%.相比而言，南方海港混凝土钢筋的腐蚀破坏程度比北方要严重，这与气候条件非常有关。而南海岛礁四面是海，处于温度高、湿度大、海浪冲击、盐度高等特殊环境下，腐蚀尤为严重。事实上，南海地区不到五年混凝土已出现破坏现象。为保持我国国民经济可持续发展，必须大力投入解决钢筋的锈蚀问题。

混凝土中的钢筋主要腐蚀防护方法

虽然混凝土自身有一定保护作用，但是海洋环境下的工程结构，用加厚混凝土的方法既浪费人力、物力，并且运输、施工困难。为满足高耐久性的要求必须采用其它附加措施来解决，通常采用的方法有：

1）钢筋混凝土的外涂层

虽然混凝土外涂层能起到阻止一定的离子进入，但目前已有记录数据其防护年限只有十多年，再次涂敷在特殊位置的维修是困难的，所以单一使用混凝土外涂层的方法达不到防腐效果。

2）阴极保护

因为混凝土中钢筋结构的复杂性，并且在南海地区环境的复杂性，作为整体防护用阴极保护提高耐久性还存在许多技术问题，得不到稳定可靠地防护效果。

3）特种钢筋

采用不锈钢钢筋事实还存在两个问题：一是经济问题，应用不锈钢钢筋其材料成本要提高6~8 倍，工程费用过高，不合总成本要求；二是技术问题，在已有的不锈钢钢筋的工程中已发现，不锈钢钢筋与混凝土的粘结强度小于普通钢筋粘结强度，目前这类研究还很少，工程可靠的应用数据还不够充分，依据还不足。

4）镀锌钢筋

在普通强度的混凝土中，镀锌钢筋的握裹力与裸钢筋相比，略有下降，有着良好的防护作用。在高强度的混凝土中，镀锌钢筋的握裹力下降值与环氧涂层钢筋类同。但是，镀锌钢筋现场弯曲性能差，不易现场施工，在严酷的腐蚀环境中，锌层牺牲速度较快，对于钢筋达不到长期耐久性要求。因此，镀锌钢筋的使用还是受到了限制。

5）普通环氧涂层钢筋

普通环氧涂层钢筋已广泛应用在混凝土结构中，但其使用的耐久性在20~30 年，并且在国内外的实例中都有钢筋混凝土失效现象产生（如图2）。

图2 Sunshine Skyway Bridge高架桥横梁墩位7.5米（AHT）处环氧涂
层钢筋从基体脱开但无开裂现象，基体已局部生锈并变色。

据调查，Florida 州28 座桥环氧涂层钢筋剥落（脱层）的统计结果，28 座桥的服役时间约3 年~13 年，3 年开始已有局部涂层脱层出现，到13 年时只有2 座桥没有出现局部脱层现象，且大部分是从界面脱开，这种现象有一定的代表性。这种现象的产生直接影响涂层钢筋耐久性的提高。

6）高性能环氧涂层钢筋

高性能环氧涂层钢筋就是有别于普通环氧涂层钢筋的新产品，根据涂层脱层是涂层钢筋防腐失效的基本原因为出发点，从涂料和涂层工艺掌握了提高高性能环氧涂层湿附着力等性能的方法，并采用控制涂层厚度和漏点的涂装工艺，大幅度提高钢筋混凝土使用的耐久性，有效地满足我国工程建设的发展需求。

高性能环氧涂层钢筋是提高混凝土结构耐久性的最可靠方法

普通涂层达不到预期防护效果的主要原因是：

普通的环氧涂层钢筋质量和检验标准偏低，如美国ASTM A775/A775M 的标准，发展至今已在破损面积、涂层厚度和漏点控制上有明显改进，但在湿附着力的指标上一直没有提出要求，是属于普通的标准规范。但缺少控制涂层脱层的关键指标-湿附着力，因此该类钢筋虽然是用环氧粉末进行涂装，实际上的湿附着力偏低。如上述美国Florida 州的大桥发生的早期混凝土破损的现象，由于这类标准的产品没有根本改变耐久性差的问题。

1）现场对涂层钢筋施工不够规范，产生漏点较多，后续缺乏现场检验和维修、维护。

2）对被涂层的钢筋材料没有提出明确要求，由于表面质量问题引起涂层性能降低。

近20 年来在重腐蚀防护技术研究和开发的过程中，形成涂层防护失效的理念，提出了涂层防护失效的控制因素-长期湿附着力，并且得出涂层脱层的重要指标即湿附着力级别，当湿附着力为五级的时候就可以认为涂层已脱层，而涂层脱层时基体腐蚀开始，涂层防护功能失效。我们从涂料和涂层工艺掌握了如何提高高性能环氧涂层湿附着力，和保持提高其它防护性能的方法。下面是高性能涂层的具体研究结果：

高性能环氧涂层的结构特点

1）涂层结构的完整性

大量实验结果表明，高性能涂层的结构应该是完整的，这完整的意义是涂层为无缺陷涂层，即用电火花检测的方法，检测出涂层无漏点，经过大量实验得出，无缺陷涂层是厚度必须大于200μm.

上述的连续分布的涂层，因为是采用热固性的涂料，必须具备达到充分固化的条件，才能达到涂层的均匀防护效果。这两点是高性能涂层的具体特点，也是要达到涂层高性能的基本要求。

2）涂层结构的多层性

为满足涂层钢筋的耐久性，不单是提高防腐性能就可以，还必须满足钢筋在施工过程中对涂层的机械性能提出的要求，最明显的是钢筋在施工过程中必须要求弯曲，弯曲过程对涂层会有所损伤。因此对于高性能环氧涂层钢筋，同样提出这个要求。这个要求一般对于用单一涂层不易达到，这里从多层涂层结构来解决，如下所示。

单层高性能环氧涂料的涂层，具有充分高的湿附着力效果，有一定的抗弯曲性。

双层高性能环氧涂料的内涂层，具有最好的湿附着力，但抗弯曲性一般。

双层高性能环氧涂料的外涂层，湿附着力性能一般，但是有具有最好的抗弯曲性，这种涂层结构的搭配全面满足目前海洋工程耐久性的要求。

3）涂层钢筋加工的特殊要求

高性能环氧涂层钢筋按涂层特性分为A 类和B 类，A 类为后预制涂层钢筋，B 类为前预制涂层钢筋。

高性能环氧涂层钢筋的涂层性能特点

1）高性能环氧涂层钢筋的湿附着力

根据上述不同涂层90℃浸泡在蒸馏水中，得出不同湿附着力结果，如表2 所示，表明不同涂层所具有的湿附着力不同，而其有不同的抗涂层脱层能力，双层内涂层>单涂层>外涂层>普通涂层。

2）高性能环氧涂层钢筋的渗透率

涂层在脱层后，水、O2、和Cl- 在涂层的渗透率直接影响涂层的后续防腐性能，本文也给出了涂层在60℃条件下蒸馏水的吸水增重率变化表征涂层的抗渗透能力，其实也相当于双层内涂层>单涂层>外涂层>普通涂层。为了有效控制涂层的防腐性能，控制涂层的抗渗透率是一个主要因素。

3）高性能环氧涂层钢筋的弯曲性

弯曲性能要求是涂层钢筋提出的特殊要求，从表中可见，从这些提出的高性能涂层弯曲性也能达到要求，但是弯曲施工现场是复杂的。表中是实验的结果，为了客观反映现象关于弯曲标准，还是采用ASTM A775/A775M 中的弯曲标准要求，这是30 年来美国一直延续使用的标准。

根据以上研究，我们得出高性能环氧涂层钢筋的特点为：首先是无工艺缺陷的涂层，涂层固化充分，涂层厚度均匀，涂层无针孔，空隙率较低；第二是具有高的长期湿附着力的涂层，根据涂层的服役条件确定湿附着力的要求，满足涂层的防腐耐久性，同时具有良好的抗弯曲性，满足可施工的环氧涂层钢筋。

高性能环氧涂层钢筋与普通环氧涂层钢筋比较

从检测的性能指标得到的结果，高性能环氧涂层钢筋除满足国内和国际相关标准要求外，还提高了涂层的抗渗透性、湿附着力和粘结强度要求，满足了海洋环境下不同区域混凝土钢筋长效防腐的需要。

高性能环氧涂层钢筋制作工艺

高性能环氧涂层钢筋涂装工艺流程的简要说明：

不同方法防腐钢筋性价比

高性能涂层钢筋的应用与推广前景

高性能涂层钢筋其优越的机械性能和防腐性能，已在下面这些工程中进行了应用和推广。

1 在高铁项目中应用

我国高铁发展迅猛，现已处于世界领先地位。无匝轨道环氧涂层绝缘钢筋，部分采用了高性能环氧涂层钢筋。由于高性能环氧涂层钢筋很好的解决钢筋腐蚀防护问题，使得钢筋的绝缘性能得以保障，因此使用情况良好。

2 在跨海大桥混凝土工程推广应用

港珠澳大桥设计寿命120 年，这就要求大桥的承台和墩身也要至少120 年的耐久性。大桥的承台和墩身处在海洋环境比较恶劣的大气区、浪溅区和海水区，“港珠澳大桥主体工程桥梁混凝土结构高氧涂层钢筋”科研项目通过了中国腐蚀与防护学会组织的专家评审和中交规化设计院的应用推广的评审，作为技术规范已应用于港珠澳大桥的混凝土承台和墩身结构中钢筋的防腐。图3 为高性能环氧涂层钢筋产品，图4 为港珠澳大桥墩身钢筋中试的施工现场。