環(huán)氧樹脂涂層鋼筋在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用--間接加固篇
2011-07-05 來源：中國橋梁網(wǎng)整理
鋼筋是橋梁結(jié)構(gòu)中不可缺少的建筑材料。在沿海橋梁、跨海橋梁等設(shè)施中，鋼筋混凝土中不可避免的會出現(xiàn)一些縫隙或空隙，當(dāng)受到鹽水或酸雨等侵蝕時會引起鋼筋混凝土的鋼筋銹蝕。國內(nèi)外因鋼材腐蝕引起的橋梁結(jié)構(gòu)破壞造成的損失十分驚人。國際上為解決這一問題研究了多種方法，其中采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋（以下簡稱涂層鋼筋）是一種較為有效的防止鋼筋銹蝕的措施。即使在鹽透入混凝土的惡劣情況下，由于涂層在鋼筋表面形成了電絕緣層，可保護(hù)鋼筋免受氯離子的侵蝕。涂層鋼筋具有極佳的化學(xué)抗腐蝕性能，形成后的涂層與金屬粘著力高、干縮小、延性大，能有效阻隔侵蝕物質(zhì)，可延長建筑物的使用壽命達(dá)50年以上，避免因維修或拆除造成的諸多不便和昂貴的成本，所以自20世紀(jì)70年代在美國首次使用以來，在美國、日本、歐洲及遠(yuǎn)東、中東等國家和地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，而在我國自20世紀(jì)90年代才開始起步。
1涂層鋼筋制作工藝及技術(shù)要求
1.1涂層制作材料及方法
涂層材料有粉末環(huán)氧樹脂和液體環(huán)氧樹脂兩種，其主要原料包括環(huán)氧樹脂、增塑劑、固化劑和耐堿顏料等。環(huán)氧樹脂不與酸、堿發(fā)生反應(yīng)，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，同時還具有延性大、干縮小，與金屬表面有極佳的粘結(jié)性的特點(diǎn)，因而是在金屬表面制作防腐保護(hù)膜的理想材料。液體環(huán)氧樹脂涂裝方法有涂刷法、噴涂法和浸涂法;粉末環(huán)氧樹脂涂裝方法有靜電噴涂法、粉末浴法和靜電粉末浴法。環(huán)氧樹脂粉末靜電噴涂方法具有適用性廣、易于操作等特點(diǎn)，且涂層耐蝕性優(yōu)于其它涂裝方法，因而采用較廣泛。其原理為將帶電的環(huán)氧樹脂粉末顆粒（具有一定的吸附性）噴涂在業(yè)已加熱的鋼筋表面，粉末遇熱熔化，并很快固化，冷卻后便形成十分牢固地粘著在鋼筋表面的連續(xù)涂層。
1.2靜電噴涂法的涂裝工藝
采用環(huán)氧樹脂粉末以靜電噴涂方法制作涂層的工藝流程如下：
鋼筋預(yù)處理（噴砂sa2.5級，除去油、漆等有害物質(zhì)）―鋼筋通過感應(yīng)加熱爐預(yù)熱（約232℃）―靜電噴涂（環(huán)氧樹脂粉末遇熱熔化流動，鋼筋表面形成薄膜）―高溫固化（形成薄膜3～5s后）―質(zhì)量檢測―合格出廠。
1.3對涂層的技術(shù)要求
涂層材料應(yīng)對化學(xué)腐蝕、熱濕環(huán)境腐蝕、陰極剝離、氯化物的滲透等具有足夠的抵抗力，涂層鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度不應(yīng)低于普通鋼筋的80%，涂層還應(yīng)具有一定的可彎性、耐磨性及抗沖擊性等
涂層材料要保證涂層的厚度、連續(xù)性和可彎性，一般以這三項(xiàng)指標(biāo)作為判定涂層制作質(zhì)量的依據(jù)：（1）涂層厚度是判定涂層質(zhì)量的基本指標(biāo);（2）通常以涂層鋼筋在每米長度上的平均微孔個數(shù)作為衡量涂層連續(xù)性的指標(biāo)。
涂層上一般存在著肉眼看不到的微孔，只能通過專門儀器檢測出來，微孔處一般是涂層鋼筋最早出現(xiàn)銹蝕的地方，因此對其數(shù)量必須嚴(yán)加限制;（3）涂層的可彎性是衡量涂層與鋼筋本體粘結(jié)性的重要指標(biāo)，也是保證涂層鋼筋日后進(jìn)行加工的必要條件。這三項(xiàng)指標(biāo)之間有一定的相關(guān)關(guān)系：涂層加厚，微孔數(shù)量將減少，但涂層的可彎性（粘結(jié)性）將變差;涂層變薄，涂層的可彎性（粘著性）會好一些，而微孔數(shù)量將增加。因此，涂層鋼筋的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)必須根據(jù)鋼筋用途和工程要求，符合有關(guān)規(guī)定國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO14654、美國ASTMA775M-95a、英國BS7295：1992等標(biāo)準(zhǔn)對涂層鋼筋的技術(shù)指標(biāo)作出了具體規(guī)定
2涂層鋼筋與普通鋼筋的性能區(qū)別
2.1粘結(jié)性能
涂層的使用會對鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能造成一定的不利影響。國外學(xué)者對帶肋鋼筋、帶彎鉤鋼筋等采用涂層后與混凝土的粘結(jié)錨固性能及搭接性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，所做試驗(yàn)主要有梁端拔出、梁中鋼筋搭接性能及徐變等。
試驗(yàn)結(jié)果表明，對帶肋鋼筋和帶彎鉤鋼筋采用環(huán)氧樹脂涂層后其粘結(jié)錨固性能及搭接性能均有所降低。涂層鋼筋和普通鋼筋與混凝土的相對粘結(jié)錨固強(qiáng)度約為0.85，相對搭接強(qiáng)度約為0.82。
國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO14654、美國ASTMA775M-95a等規(guī)定涂層鋼筋與普通鋼筋的相對粘結(jié)強(qiáng)度平均≮85%。
日本在《使用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋的鋼筋混凝土的設(shè)計(jì)施工指南（草案）》中規(guī)定涂層鋼筋與混凝土的容許粘結(jié)強(qiáng)度取普通鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的80%，涂層鋼筋與混凝土的容許搭接應(yīng)力亦取普通鋼筋與混凝土搭接應(yīng)力的80%。
2.2握裹力
試驗(yàn)證明，涂層鋼筋當(dāng)涂層厚度超過0.22mm時，其握裹力一般降低15%，可以通過采用直徑較小的鋼筋、適當(dāng)增加混凝土的保護(hù)層厚度、配置箍筋、適當(dāng)延長錨固和綁扎長度、適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度等措施解決。
2.3裂縫、變形及剛度
由于涂層鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度有所降低，影響裂縫的開展寬度。在美國得克薩斯大學(xué)的對比試驗(yàn)梁中，在鋼筋搭接區(qū)未配箍筋的條件下，配涂層鋼筋的梁與配普通鋼筋的梁相比其裂縫寬度和間距增大約50%。此外，還量測了梁的變形，在試驗(yàn)梁中鋼筋上的環(huán)氧涂層沒有對梁的剛度產(chǎn)生影響。涂層鋼筋與普通鋼筋在裂縫寬度方面的差異會隨重復(fù)荷載加載次數(shù)的增加而逐漸減小。采用涂層鋼筋的構(gòu)件早期剛度沒有明顯變化，當(dāng)接近極限荷載及箍筋較多時，配涂層鋼筋構(gòu)件的剛度相對于配普通鋼筋構(gòu)件的剛度有所減小。涂層鋼筋與普通鋼筋在變形及剛度方面的差異會隨重復(fù)荷載加載次數(shù)的增加而逐漸減小。
2.4耐火性能
為研究涂層鋼筋的耐火性能，美國波特蘭水泥協(xié)會及混凝土用鋼筋協(xié)會聯(lián)合主持了一個研究項(xiàng)目。該研究項(xiàng)目包括三個階段：第一階段是研究高溫下涂層鋼筋在混凝土中的錨固性能;第二階段是研究配涂層鋼筋的足尺混凝土板的耐火性能;第三階段是研究配涂層鋼筋的足尺混凝土梁的耐火性能。
研究結(jié)果表明，涂層鋼筋具有與普通鋼筋相類似的耐火性能。
3涂層鋼筋施工注意事項(xiàng)
在涂層鋼筋施工現(xiàn)場，應(yīng)避免涂層鋼筋在搬運(yùn)過程中捆與捆之間或鋼筋之間發(fā)生摩擦。在吊索與涂層鋼筋之間應(yīng)設(shè)置墊層，不得直接接觸。
為減少二次運(yùn)輸，涂層鋼筋應(yīng)盡量卸在靠近其就位的地方，堆放時鋼筋應(yīng)離開地面放在有保護(hù)的墊塊上，捆與捆之間應(yīng)墊木塊，吊裝時應(yīng)采用多吊點(diǎn)，以防鋼筋捆過度下垂。
涂層鋼筋與普通鋼筋應(yīng)分開貯存，根據(jù)工程進(jìn)度分階段進(jìn)場，盡量避免長期貯存。如果施工需要露天貯存較長時間，應(yīng)防止鋼筋受到日曬、遭受鹽污染及暴露于大氣中。
如果涂層鋼筋在施工現(xiàn)場需貯存兩個月以上時，應(yīng)采取保護(hù)措施。如果存放在有腐蝕性的環(huán)境中，應(yīng)盡快用不透光的聚乙烯薄膜或其他合適的材料覆蓋鋼筋。對于分層堆放的鋼筋捆，覆蓋層應(yīng)沿貨架周圍懸垂下來。覆蓋層應(yīng)足夠可靠，并應(yīng)保證涂層鋼筋周圍空氣流通。
當(dāng)涂層鋼筋在1m長度內(nèi)涂層破壞面積超過2%時，需切除該損壞段才可使用。如果1m長度內(nèi)涂層損壞面積不超過2%，應(yīng)用涂層修補(bǔ)材料修補(bǔ)所有的損壞部分，但修補(bǔ)材料不可涂到未受損的涂層上，因大面積的厚涂層對小直徑的鋼筋將引起粘結(jié)強(qiáng)度的下降。在澆筑混凝土前應(yīng)仔細(xì)檢查涂層鋼筋是否有損壞，特別是鋼筋端頭。如有損壞，應(yīng)按有關(guān)要求進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)方法應(yīng)嚴(yán)格按要求進(jìn)行。鋼筋修補(bǔ)前應(yīng)采取合適的方法除掉涂層損壞處的鐵銹，修補(bǔ)后澆筑混凝土前應(yīng)對涂層修補(bǔ)材料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
固定鋼筋所用的支架、定位件及綁扎材料表面均應(yīng)涂上與混凝土相容的絕緣材料，如環(huán)氧或塑料涂層材料等。涂層鋼筋敷設(shè)后應(yīng)盡量減少施工人員在鋼筋上行走，并仔細(xì)規(guī)劃施工機(jī)械的布置，以免損壞涂層鋼筋。由于插入式混凝土振搗器會對涂層造成損壞，應(yīng)在這種振搗器端部裝上橡膠或非金屬端頭。
4結(jié)束語
涂層鋼筋在北美特別是在美國使用30多年來，其制造工藝不斷完善，質(zhì)量不斷提高，用量不斷增大，價格則呈下降趨勢。國內(nèi)涂層鋼筋的成本一般比普通鋼筋增加2000～2500元/t，對于橋梁工程來說，增加的費(fèi)用占橋梁工程總費(fèi)用的2%左右。涂層鋼筋吊裝、加工、搬運(yùn)及綁扎和混凝土澆注中可能出現(xiàn)損壞涂層的問題，可以通過將與涂層鋼筋直接接觸的部件換成非金屬件以及改變混凝土振搗方式等措施來解決。
