由于橋梁、水工建筑物和海上建筑物等處于惡劣環(huán)境和暴露性環(huán)境中,經(jīng)常因鋼筋銹蝕而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。在國外,美國的近50萬座橋梁中,有四分之一因鋼筋銹蝕而嚴(yán)重損壞;在國內(nèi),河海大學(xué)等單位于80年代初對國內(nèi)水工建筑物,港口碼頭等的使用情況進行了調(diào)查,發(fā)現(xiàn)使用了10-30年的水工建筑物有近60%出現(xiàn)了鋼筋銹蝕破壞,使用了7-25年的海港碼頭有近90%出現(xiàn)了鋼筋銹蝕破壞。解決鋼筋銹蝕問題的一個切實有效的方法是采用環(huán)氧鋼筋.
環(huán)氧樹脂涂層鋼筋是一種在普通鋼筋的表面制作了一層環(huán)氧樹脂薄膜保護層的鋼筋,涂層厚度一般在0.15mm-0.30mm。涂層一般臉用環(huán)氧樹脂粉末以靜電噴涂方法制作:將普通鋼筋表面進行除銹、打毛等處理后加熱到230多攝氏度的高溫,再將帶電的環(huán)氧樹脂粉末噴射到鋼筋表面,由于粉末顆粒帶有電荷,便吸附在鋼筋表面,并與其熔融結(jié)合,經(jīng)過一定養(yǎng)護固化后便形成一層完整、連續(xù)、包裹住整個鋼筋表面的環(huán)氧樹脂薄膜保護層。環(huán)氧樹脂涂層以其不與酸、堿等反應(yīng),具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和延性大、干縮小,與金屬表面具有極佳的粘著性的特點,在鋼筋表面形成了阻隔其與水分、氧、氯化物或侵蝕性介質(zhì)接觸的物理屏障,同時,還因其具有阻隔鋼筋與外界電流接觸的功能而被認為是化學(xué)電離子防腐屏障。
環(huán)氧涂層鋼筋防腐技術(shù)的研究開發(fā)最早始于美國,經(jīng)過20多年的發(fā)展,涂層鋼筋的涂裝技術(shù)已十分成熟,有一整套完備的產(chǎn)品質(zhì)量檢測手段,與鍍鋅、涂塑、陰極保護等防腐技術(shù)相比,涂層鋼筋具有防腐效果好、涂裝工藝簡單、涂層厚度易于控制、對環(huán)境無污染、最具成本效益等優(yōu)勢,因而得到迅速發(fā)展。目前美國在冬季需要大量撒布消冰鹽的路橋上,采用涂層鋼筋已成為必要的防腐措施,在其他方面,如海港碼頭、近海建筑、地下建筑、車庫、隧道、污水處理地、化工廠房等也普遍采用了這種鋼筋,除美國外,涂層鋼筋在北美的加拿大,在歐洲的英國、挪威,在亞洲的日本、中東和東南亞國家以及我國的香港地區(qū)等,都得到了越來越多的應(yīng)用。近年來,隨著對1997年11月作為涂層鋼筋在我國內(nèi)地首次應(yīng)用的試點工程,北京西客站廣場地下通道的頂板率先采用涂層鋼筋,該工程主要考慮頂板上部一部分要覆土綠化,另有一部分作為通道,冬季雪后需撤消冰鹽,頂板內(nèi)鋼筋處于較為惡劣的工作環(huán)境中,因此除在該頂板上部設(shè)計了防水層外,還決定采用涂層鋼筋。此后,由交通部三航局設(shè)計施工的上海寶鋼馬鞍山礦石碼頭、由交通部四航局設(shè)計院設(shè)計的廣東汕頭LPG碼頭也采用了涂層鋼筋。LPG碼頭的業(yè)主是美國加德士石油公司,由于該碼頭的設(shè)計使用年限為50年,業(yè)主主動提出采用涂層鋼筋防腐技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計,涂層鋼筋已在福建下白石大橋工程、福鼎至寧德高速公司八尺門特大橋、唐津高速公路二期工程、三亞市的南山觀音苑以及粵海鐵路南港棧橋工程等多項工程中采用。涂層鋼筋目前大多應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),施工技術(shù)也不復(fù)雜,根據(jù)試點工程情況和國外的應(yīng)用經(jīng)驗,一般素質(zhì)的施工隊伍,經(jīng)過交底均可勝任。采用涂層鋼筋可大大提高結(jié)構(gòu)的耐久性,同時也不可避免地要增加一些工程造價,但從成本效益分析來看,是十分值得的。從西客站工程來看,涂層鋼筋的加工費用約為鋼筋本身價格的60%,由于生產(chǎn)廠家遠在廣東,(國內(nèi)第一條涂層鋼筋生產(chǎn)線在廣東省海豐縣),運輸費用較高,約為鋼筋價格的40%,因此該工程鋼筋成本增加了約1倍,加上施工時人工費用的增加,該工程增加的總費用“占土建工程總造價約1.35%”,工程設(shè)計單位北京市市政設(shè)計研究總院在對該工程作的成本效益分析中認為,“從整個工程來看,成本增加并不高,但是由于涂層有效地保證了腐蝕介質(zhì)與鋼筋的隔離,延緩和防止了鋼筋的銹蝕,可以減少通道使用期間的維修費用,保證結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用條件,并延長了結(jié)構(gòu)使用壽命,具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益”。廣東汕頭LPG碼頭是我國港口碼頭工程中首次采用涂層鋼筋,也是目前國內(nèi)采用涂層鋼筋最多的一項工程,該工程鋼筋及施工人工費用的增加,約占水工工程總造價的2.5%, 但使海港高樁碼頭的使用年限從30年提高到50年。可見,在處于腐蝕環(huán)境的結(jié)構(gòu)中采用涂層鋼筋,其經(jīng)濟效益和社會效益是十分巨大的。
為推動此項技術(shù)在我國的發(fā)展,我國也先后制定了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn):由中國建筑科學(xué)研究院會同有關(guān)單位共同編制完成了建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)氧樹脂涂層鋼筋》JG3042-1997,該標(biāo)準(zhǔn)對涂層鋼筋產(chǎn)品的技術(shù)要求,品質(zhì)檢測的試驗方法、產(chǎn)品的檢驗規(guī)則以及對制作環(huán)氧樹脂涂層材料的性能等均作出了具體規(guī)定,此外,鑒于我國現(xiàn)行的有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工規(guī)范尚未對涂層鋼筋應(yīng)用中的有關(guān)要求作出規(guī)定,該標(biāo)準(zhǔn)還對涂層鋼筋的設(shè)計與施工方法提出了原則要求,該標(biāo)準(zhǔn)已于1997年12月1日起實施。我國交通部亦于1999年組織編寫了JTJ275-2000《海港工程砼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》,將環(huán)氧樹脂涂層鋼筋列為主要的防腐措施之一,為在國內(nèi)推廣應(yīng)用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋提供了法規(guī)依據(jù)。
環(huán)氧涂層鋼筋粘結(jié)錨固性能試驗、設(shè)計建議和有關(guān)規(guī)范的規(guī)定:
1.建科院、鄭州工業(yè)大學(xué)試驗結(jié)論及設(shè)計建議:
由于鋼筋表面經(jīng)環(huán)氧樹脂涂層履蓋后,粗糙凹凸全被填滿而成為平整光滑的表面,從而與混凝土界面的膠結(jié)和摩阻作用受到削弱,中國建筑科學(xué)研究院,鄭州工業(yè)大學(xué)聯(lián)合試驗探討了其粘結(jié)錨固機理、錨固特性及錨固強度,并通過梁錨試驗加以驗證,在此基礎(chǔ)上,由可靠度分析提出錨固長度設(shè)計值的建議。
1.1.試驗結(jié)論:
①環(huán)氧涂層鋼筋由于表面光滑,膠結(jié)-摩阻力減小,機械咬合作用也因滑移而受到影響,故粘結(jié)性能削弱;
②環(huán)氧涂層鋼筋的粘結(jié)錨固剛度減小,滑移加大;
③環(huán)氧涂層鋼筋的劈裂強度降低,但配箍后錨固強度有較大的增加,因此涂層鋼筋的混凝土保護層中必須配置鋼箍或圍箍鋼筋;
④環(huán)氧涂層鋼筋比無涂層鋼筋在一般情況下粘結(jié)強度降低10%左右,在最不利錨固條件下降低不超過20%。
1.2.環(huán)氧涂層鋼筋的錨固長度及其箍筋配置設(shè)計建議:
①環(huán)氧涂層鋼筋的錨固長度lac(mm)應(yīng)不小于下表的數(shù)值:
②環(huán)氧涂層鋼筋的錨固長度范圍內(nèi)應(yīng)配置不少于構(gòu)造要求的鋼箍或圍箍鋼筋。其箍筋直徑應(yīng)不小于力筋直徑的0.25倍,間距不宜大于力筋直徑的10倍。
2同濟大學(xué)、河海大學(xué)的試驗結(jié)論與設(shè)計建議:
2.1.不同厚度的涂層鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固性能試驗結(jié)論:
① 普通鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度一般要大于環(huán)氧涂層鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度;
② 環(huán)氧涂層厚度為0.18mm的Φ12mm鋼筋和Φ16mm鋼筋與普通鋼筋相比,它們的粘度強度下降非常小,這表明,0.18mm的環(huán)氧涂層厚度對鋼筋的粘結(jié)強度的影響非常小,可以不計;
③ 當(dāng)環(huán)氧涂層厚度為0.22-0.25mm時,Φ12mm鋼筋和Φ16mm的環(huán)氧涂層鋼筋表現(xiàn)出了不同的情態(tài),Φ16mm環(huán)氧涂層鋼筋的粘結(jié)強度下降較小,而Φ12mm環(huán)氧涂層鋼筋的粘結(jié)強度卻下降較多,說明這種涂層厚度對鋼筋直徑或橫肋具有敏感性;
④ 當(dāng)環(huán)氧涂層厚度為0.35mm時,環(huán)氧涂層鋼筋Φ12mm的粘結(jié)強度下降很多,而Φ16mm環(huán)氧涂層鋼筋的粘結(jié)強度則下降較小,這表明對小直徑的環(huán)氧涂層鋼筋而言,0.35mm的環(huán)氧涂層厚度過大,工程中不宜應(yīng)用;
⑤ Φ16mm環(huán)氧涂層鋼筋的粘結(jié)強度比Φ12鋼筋的粘結(jié)強度高出較多,說明鋼筋與混凝土之間的機械咬合力對鋼筋的粘結(jié)強度尤其是后期強度具有決定性的作用,對普通鋼筋和環(huán)氧涂層鋼筋均適用。
2.2.設(shè)計建議:
① 對于環(huán)氧涂層厚度介于0.18mm-0.25mm之間的涂層鋼筋,其粘結(jié)錨固長度宜為普通鋼筋粘結(jié)錨固長度要求取值的1.4倍;
② 對于Φ16mm等直徑較大的環(huán)氧涂層鋼筋,其粘結(jié)錨固長度的取值可適當(dāng)放寬,宜為普通鋼筋粘結(jié)錨固長度要求取值的1.2倍;
③對于Φ12mm等較小直徑的涂層鋼筋來說,涂層厚度應(yīng)不大于0.25mm,而對于Φ16mm等較大直徑的涂層鋼筋來說,涂層厚度宜不大于0.35mm。在滿足涂層鋼筋微孔要求的基礎(chǔ)上,應(yīng)盡量使涂層厚度薄一些,但應(yīng)至少大于0.13mm。
2.3.JG3042-97《環(huán)氧樹脂涂層鋼筋》中對鋼筋錨固長度的規(guī)定:
①.涂層鋼筋的錨固長度應(yīng)取為不小于有關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的相同等級和規(guī)格的無涂層鋼筋錨固長度的1.25倍;
②.涂層鋼筋的綁扎搭接長度,對受拉鋼筋,應(yīng)取為不小于有關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的相同等級和規(guī)格的無涂層鋼筋錨固長度的1.5倍,且不小于375mm;對受壓鋼筋,應(yīng)取為不小于有關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的相同等級和規(guī)格的無涂層鋼筋錨固長度的1.0倍且不小于250mm。
3.使用環(huán)氧涂層鋼筋注意事項:
3.1吊裝:
① 吊裝涂層鋼筋的吊索應(yīng)采用高強度的尼龍帶,不得使用鋼絲繩吊裝,以避免吊索與鋼筋之間因擠壓、摩擦造成涂層破壞;
② 對長度超過6m的涂層鋼筋應(yīng)采用多支點吊裝,以避免鋼筋兩端因過大垂落造成鋼筋的摩擦與碰撞,損壞涂層。
3.2貯存與搬運:
① 涂層鋼筋在施工現(xiàn)場的貯存期應(yīng)盡量縮短,一般不宜超過三個月;
② 涂層鋼筋在貯存期間,應(yīng)采用不透光的黑色塑料布包裹,以避免因紫外線照射引起涂層的褪色和老化;
③ 涂層鋼筋在堆放時,鋼筋與地面之間,鋼筋捆與鋼筋捆之間應(yīng)以木條隔開,且堆放層數(shù)不宜超過5層;
④ 涂層鋼筋應(yīng)以水平方式搬運,在搬運過程中,嚴(yán)禁拖拽拋擲涂層鋼筋。
3.3涂層鋼筋的加工:
①加工時,環(huán)境溫度宜不低于攝氏5℃,鋼筋彎曲機的芯軸應(yīng)套以專用套管,平板表面應(yīng)鋪以布氈墊層,避免涂層與金屬物直接接觸;涂層鋼筋的彎曲直徑,對直徑≤20mm鋼筋,不宜小于4d;對直徑d≥20 mm鋼筋不宜小于6d,且彎曲速率不宜高于82r/min;
② 涂層鋼筋的切斷應(yīng)采用砂輪鋸或鋼筋切斷機進行,嚴(yán)禁采用氣割方法;切斷加工時,在直接接觸涂層鋼筋的部位,應(yīng)墊以緩沖材料;切斷后應(yīng)以專用修補涂料進行修補。
3.4 涂層鋼筋的連接與定位:
① 涂層鋼筋的連接可根據(jù)設(shè)計要求,采用綁扎連接,焊接連接和機械連接;
② 為保證涂層鋼筋的綁扎連接的牢固和不損壞涂層,應(yīng)采用專用的包膠鉛絲;對十字交叉鋼筋,應(yīng)采用“X”型綁扣;
③ 涂層鋼筋的綁扎搭接長度應(yīng)符合設(shè)計要求;
④ 涂層鋼筋焊接前,應(yīng)先將鋼筋焊接部位的涂層清除干凈;焊接后,要將焊接部位附近受影響的涂層清除干凈;并采用專用修補材料將焊接部位及其影響區(qū)域的涂層進行修補;
⑤ 涂層鋼筋的機械連接,宜采用已經(jīng)過涂裝的專用套筒螺母,連接后采用專用修補材料將接口處受損涂層進行修補;當(dāng)未采用已經(jīng)過涂裝的專用套筒螺母進行涂層鋼筋的機械連接時,尚應(yīng)在連接后采用專用修補材料將套筒、螺母等連接件涂刷涂層;
⑥ 涂層鋼筋宜采用已經(jīng)過涂裝的專用鐵架定位;
⑦ 涂層鋼筋鋪裝就位后,施工人員不宜在其上行走,并應(yīng)避免將施工工具跌落砸壞涂層。
3.5涂層修補:
在混凝土澆筑前,應(yīng)檢查鋼筋涂層破損情況,對破損涂層應(yīng)采用專用修補材料予以修補。
3.6混凝土的澆筑:
① 混凝土澆筑應(yīng)待涂層材料完全固化后進行,涂層修補材料的固化時間可根據(jù)修補材料的說明書確定;
② 采用插入式振搗棒震搗混凝土?xí)r,應(yīng)在金屬振搗棒外套以橡膠套或采用非金屬振搗棒,并盡量避免振搗棒與鋼筋直接碰撞。
4.結(jié)束語:
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步,結(jié)構(gòu)的可靠性(安全性、適用性、耐久性)已經(jīng)受到人們的普遍關(guān)注,因此,環(huán)氧涂層鋼筋在防腐混凝土工程中的應(yīng)用前景廣闊,我們要重視并掌握這項新技術(shù),為我國工程建設(shè)作出新貢獻。