閆東明

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州310058)

1 活性瓷釉涂層材料

鋼筋活性瓷釉涂層(Chemically Reactive Enamel Coating，CREC)技術(shù)是在玻璃粉中摻入適量活性硅酸鈣和微量化學(xué)成分，高溫熔化后涂抹在鋼筋表面，在鋼筋表面形成一層致密的保護(hù)層，從而達(dá)到增強(qiáng)鋼筋抗腐蝕能力和與混凝土黏結(jié)力的目的.

筆者在美國留學(xué)期間，參與美國密蘇里科技大學(xué)Genda Chen教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，在國際上率先對(duì)鋼筋活性瓷釉涂層技術(shù)開展了系統(tǒng)的研究工作.該技術(shù)得到了美國自然科學(xué)基金委員會(huì)、美國聯(lián)邦政府交通部、美國陸軍試驗(yàn)室等方面的廣泛認(rèn)可，得到多項(xiàng)研究經(jīng)費(fèi)的資助.在這些研究經(jīng)費(fèi)的支持下，研究團(tuán)隊(duì)從多個(gè)角度對(duì)這種鋼筋活性瓷釉涂層技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究:對(duì)材料的化學(xué)組分進(jìn)行了優(yōu)化;根據(jù)土木、水利、交通工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)活性瓷釉涂層鋼筋的抗腐蝕性能進(jìn)行了深入探索;對(duì)涂層鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能進(jìn)行了研究.通過這些研究，涂層工藝和施工方法已經(jīng)趨于成熟.該涂層主要特點(diǎn)如下.

1)與混凝土黏結(jié)能力突出.活性瓷釉涂層能夠顯著增強(qiáng)鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強(qiáng)度.研究資料顯示，活性瓷釉涂層鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度是普通鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的7倍以上.黏結(jié)強(qiáng)度的提高可以減少混凝土中鋼筋的搭接長度，增加結(jié)構(gòu)剛度，降低施工難度，節(jié)省資源.活性瓷釉涂層與鋼筋之間結(jié)合非常緊密，黏結(jié)力很強(qiáng)，一般不會(huì)發(fā)生破壞.活性瓷釉涂層能與混凝土基體產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)并生成一種密度較高的硅酸鹽，在鋼筋與混凝土基體之間形成一層特殊的界面層.該界面層具有高密度、高強(qiáng)度的特征，從而活性瓷釉涂層鋼筋與混凝土可以具有很高的黏結(jié)強(qiáng)度.從圓鋼拔出試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):活性瓷釉涂層鋼筋的28，60，97 d黏結(jié)強(qiáng)度是普通鋼筋或者有環(huán)氧涂層鋼筋黏結(jié)強(qiáng)度的7倍以上［1］.委托美國陸軍工程師研究與發(fā)展中心的試驗(yàn)也得出了類似結(jié)論［2－3］.普通鋼筋預(yù)埋入混凝土中，當(dāng)混凝土固化時(shí)，一層氫氧化鈣物質(zhì)就會(huì)在金屬的表面沉積下來，一種潮濕且黏結(jié)性弱的層狀物也會(huì)在它表面產(chǎn)生［3］，構(gòu)成了混凝土基體和鋼筋之間的弱連接帶(相對(duì)于整體或鋼筋).普通鋼筋或者環(huán)氧涂層鋼筋在混凝土中，水泥固化過程形成的多孔過渡層隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間繼續(xù)得到發(fā)展，造成鋼筋和水泥之間黏結(jié)強(qiáng)度隨著時(shí)間延續(xù)而降低［4］.

圖1給出了光面鋼筋、粗糙面鋼筋、活性瓷釉涂層鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律.從圖1發(fā)現(xiàn):普通鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度從7 d到28 d沒有明顯增加，而活性瓷釉涂層鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度隨齡期的增加而增長.環(huán)氧涂層降低了鋼筋與混凝土的黏結(jié)能力.

圖1 鋼筋拔出性能

2)活性瓷釉涂層具有突出的抗腐蝕能力.活性瓷釉涂層能夠有效地阻止水分侵入，降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn).該涂層具有自修復(fù)能力，當(dāng)涂層有局部損傷時(shí)，仍然能夠阻止腐蝕發(fā)展，有效保護(hù)鋼筋免受深度腐蝕.大量測(cè)試結(jié)果表明，活性瓷釉涂層鋼筋具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力.在完全相同的腐蝕環(huán)境下，普通鋼筋、無局部損傷的環(huán)氧樹脂涂層鋼筋和無局部損傷的活性瓷釉涂層鋼筋的耐腐蝕時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示［5］.可見，雖然活性瓷釉涂層鋼筋的抗腐蝕能力低于無局部損傷的環(huán)氧樹脂涂層，然而顯著高于普通鋼筋.這表明活性瓷釉涂層能夠顯著增強(qiáng)鋼筋的抗腐蝕能力.有研究表明，有一定損傷的環(huán)氧涂層鋼筋，抗腐蝕能力反而低于普通無涂層鋼筋［6－8］，而有一定損傷的活性瓷釉涂層鋼筋仍然具有非常突出的防腐蝕能力［5］.

圖2 不同類型涂層鋼筋的耐腐蝕時(shí)間

3)材料自身耐久性強(qiáng).活性瓷釉涂層是無機(jī)材料，自身具有非常強(qiáng)的耐久性，不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生顯著的性能劣化，可以長久保護(hù)鋼筋.

4)成本低廉，工藝簡單.活性瓷釉涂層的主要原材料是玻璃粉和活性硅酸鈣，是市場(chǎng)上普通的工業(yè)產(chǎn)品，成本很低.通過熔化后涂在鋼筋表面，制作工藝簡單，利于大范圍工程應(yīng)用.

2 活性瓷釉涂層鋼筋混凝土板動(dòng)力試驗(yàn)

對(duì)3個(gè)邊長為1 200 mm、厚度為90 mm的正方形板進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，研究爆炸荷載作用下活性瓷釉涂層鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能.在板底部橫向和縱向分別布置7根帶有活性瓷釉涂層的3#鋼筋.為了進(jìn)行對(duì)比，對(duì)3個(gè)尺寸相同且無涂層的普通鋼筋混凝土板也按照相同步驟進(jìn)行了動(dòng)力試驗(yàn).試驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)步驟見表1.對(duì)第1塊板(A1或C1)進(jìn)行3次爆炸，考察多次爆炸對(duì)混凝土板的累計(jì)破壞作用.對(duì)第2(A2或C2)和第3塊板(A3或C3)進(jìn)行單次爆炸試驗(yàn)，考察不同炸藥等級(jí)對(duì)混凝土板的破壞作用.其中A1，A2和A3為普通鋼筋混凝土板;C1，C2和C3為活性瓷釉涂層鋼筋混凝土板.

表1 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)結(jié)果如圖4—5所示.

圖4 3次連續(xù)爆炸中板損傷情況(上面)

圖5 單次爆炸中板損傷情況(背面)

從圖4可以看出，0.45 kg和1.14 kg炸藥對(duì)混凝土板表面(正面)沒有造成明顯的破壞，而1.73 kg炸藥對(duì)板產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的破壞作用.從圖5可以看出，1.14 kg炸藥盡管對(duì)板正面的破壞不明顯，但是對(duì)板背面的影響卻非常顯著.而1.73 kg炸藥完全破壞了板的整體性.通過對(duì)破壞面的計(jì)算，有涂層鋼筋混凝土板和無涂層鋼筋混凝土板的破壞面積分別為總面積的31.4%和37.3%.說明涂層對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體性具有提高作用.

3 活性瓷釉涂層鋼筋混凝土板靜力試驗(yàn)

靜力試驗(yàn)中試件的尺寸與動(dòng)力試驗(yàn)中的試件完全相同.試驗(yàn)裝置如圖6所示.

圖6 試驗(yàn)裝置

在試驗(yàn)過程中布置8個(gè)位移計(jì)對(duì)加載過程中的變形量進(jìn)行連續(xù)記錄，同時(shí)觀測(cè)板受力過程中裂縫發(fā)展情況.試驗(yàn)測(cè)得的極限承載力見表2.

表2 極限承載力 kN

從表2可以看出，有涂層鋼筋與無涂層鋼筋的承載力在點(diǎn)荷載和線荷載下差別不大.然而從測(cè)得的荷載－變形曲線(圖7)上可以得出，有涂層鋼筋混凝土板的延性明顯好于無涂層鋼筋混凝土板.

圖7 荷載－位移曲線

為了比較有涂層鋼纖維混凝土板與無涂層鋼纖維混凝土板的力學(xué)性能，通過施加線性荷載對(duì)鋼纖維混凝土板進(jìn)行試驗(yàn).測(cè)得摻有體積分?jǐn)?shù)1%活性瓷釉涂層鋼纖維的混凝土板的極限承載力為69.9 kN，而相同摻量普通鋼纖維混凝土板的極限承載力為60.1 kN.這表明活性瓷釉涂層能夠提高鋼纖維與混凝土黏結(jié)力，從而明顯增強(qiáng)了鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能.從測(cè)得的荷載變形曲線上也發(fā)現(xiàn)有活性瓷釉涂層鋼纖維混凝土板具有更好的韌性.

4 結(jié)語

1)活性瓷釉涂層不僅能夠顯著增強(qiáng)鋼筋的防腐蝕能力，而且能夠增強(qiáng)鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能，從而改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能.

2)從鋼筋混凝土板爆炸試驗(yàn)中可以得出，活性瓷釉涂層能夠提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抵御爆炸荷載的能力，降低結(jié)構(gòu)的破壞程度.

3)活性瓷釉涂層不僅能夠改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，而且能夠用于鋼纖維，改善鋼纖維與混凝土的黏結(jié)能力，提升鋼纖維在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的功能.

致謝:本研究得到了美國陸軍試驗(yàn)室Leonard Wood Institute的研究資助.美國密蘇里科技大學(xué)的Genda Chen和Jason Baird以及ProPerma Engineered Coatings公司的Mike Koenigstein等參與了試驗(yàn)研究工作，在此一并表示感謝!

［1］ Yan D，Reis S，Tao X，et al.Effect of chemically reactive enamel coating on bonding strength at steel/mortar interface［J］.Construction and Building Materials，2012，28:512 －518.

［2］ Day D C，Weiss C A，Malone P，et al.Innovative method of bonding portland cement concrete to steel using a porcelain interface［C］∥Materials Science and Technology(MS＆T)Conference Proceedings.Westerville:The American Ceramic Society，2006.

［3］ Hackler C，Koenigstein M，Malone P.The use of porcelain enamel coatings on reinforcing steel to enhance the bond to concrete and steel surfaces［C］∥Materials Science and Technology Conference Proceedings.Westerville:The American Ceramic Society，2006.

［4］ Fu X，Chung D D L.Decrease of the bond strength between steel rebar and concrete with increasing curing age［J］.Cement and Concrete Research，1998，28(2):167 －169.

［5］ Chen G，Voltz J，Brow R，et al.Coated steel rebar for enhanced concrete-steel bond strength and corrosion resistance［R］.Missouri:Missouri Department of Transportation，2010.

［6］ Brown M C，Weyers R E.Corrosion protection service life of epoxy coated reinforcing steel in virginia bridge decks，［R］.Charlottesville: Virginia Transportation Research Council，2003.

［7］ Sagues A.Corrosion of epoxy coated rebar in florida bridges［R］.Tallahassee:Florida Department of Transportation，1994.

［8］ Zhao B，Lin C J，Zhang X G.Corrosion behavior of epoxy coated rebar with scratch in mortar in the sea field［C］∥The 212th Electrochemical Society Meeting，Washington D C，2007.