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(guó)留學(xué)期間，參與美國(guó)密蘇里科技大學(xué)Genda Chen教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，在國(guó)際上率先對(duì)鋼筋活性瓷釉涂層技術(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作.該技術(shù)得到了美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)、美國(guó)聯(lián)邦政府交通部、美國(guó)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(guò)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(zhǎng)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(guó)陸軍工程師研究與發(fā)展中心的試驗(yàn)也得出了類(lèi)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(lái)，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(guò)程形成的多孔過(guò)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(méi)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(zhǎng).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(wú)局部損傷的環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋和無(wú)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(jiàn)，雖然活性瓷釉涂層鋼筋的抗腐蝕能力低于無(wú)局部損傷的環(huán)氧樹(shù)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(wú)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(lèi)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(wú)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(zhǎng)久保護(hù)鋼筋.

4)成本低廉，工藝簡(jiǎn)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(guò)熔化后涂在鋼筋表面，制作工藝簡(jiǎn)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(zhǎng)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(wú)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(jiàn)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(méi)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(guò)對(duì)破壞面的計(jì)算，有涂層鋼筋混凝土板和無(wú)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(shuō)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(guò)程中布置8個(gè)位移計(jì)對(duì)加載過(guò)程中的變形量進(jìn)行連續(xù)記錄，同時(shí)觀測(cè)板受力過(guò)程中裂縫發(fā)展情況.試驗(yàn)測(cè)得的極限承載力見(jiàn)表2.

表2 極限承載力 kN

從表2可以看出，有涂層鋼筋與無(wú)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(wú)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(wú)涂層鋼纖維混凝土板的力學(xué)性能，通過(guò)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(yǔ)

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(guó)陸軍試驗(yàn)室Leonard Wood Institute的研究資助.美國(guó)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.