活性瓷釉涂層鋼纖維混凝土板動、靜力學特性研究

閆東明

(浙江大學建筑工程學院，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)技術是在玻璃粉中摻入適量活性硅酸鈣和微量化學成分，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層，從而達到增強鋼筋抗腐蝕能力和與混凝土黏結力的目的.

筆者在美國留學期間，參與美國密蘇里科技大學Genda Chen教授帶領的研究團隊，在國際上率先對鋼筋活性瓷釉涂層技術開展了系統(tǒng)的研究工作.該技術得到了美國自然科學基金委員會、美國聯(lián)邦政府交通部、美國陸軍試驗室等方面的廣泛認可，得到多項研究經費的資助.在這些研究經費的支持下，研究團隊從多個角度對這種鋼筋活性瓷釉涂層技術進行了廣泛研究:對材料的化學組分進行了優(yōu)化;根據(jù)土木、水利、交通工程中鋼筋混凝土結構的特點對活性瓷釉涂層鋼筋的抗腐蝕性能進行了深入探索;對涂層鋼筋與混凝土的黏結性能進行了研究.通過這些研究，涂層工藝和施工方法已經趨于成熟.該涂層主要特點如下.

1)與混凝土黏結能力突出.活性瓷釉涂層能夠顯著增強鋼筋與混凝土之間的黏結強度.研究資料顯示，活性瓷釉涂層鋼筋與混凝土黏結強度是普通鋼筋與混凝土黏結強度的7倍以上.黏結強度的提高可以減少混凝土中鋼筋的搭接長度，增加結構剛度，降低施工難度，節(jié)省資源.活性瓷釉涂層與鋼筋之間結合非常緊密，黏結力很強，一般不會發(fā)生破壞.活性瓷釉涂層能與混凝土基體產生一系列化學反應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強度.從圓鋼拔出試驗發(fā)現(xiàn):活性瓷釉涂層鋼筋的28，60，97 d黏結強度是普通鋼筋或者有環(huán)氧涂層鋼筋黏結強度的7倍以上［1］.委托美國陸軍工程師研究與發(fā)展中心的試驗也得出了類似結論［2－3］.普通鋼筋預埋入混凝土中，當混凝土固化時，一層氫氧化鈣物質就會在金屬的表面沉積下來，一種潮濕且黏結性弱的層狀物也會在它表面產生［3］，構成了混凝土基體和鋼筋之間的弱連接帶(相對于整體或鋼筋).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)護時間繼續(xù)得到發(fā)展，造成鋼筋和水泥之間黏結強度隨著時間延續(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強度隨齡期的變化規(guī)律.從圖1發(fā)現(xiàn):普通鋼筋的黏結強度從7 d到28 d沒有明顯增加，而活性瓷釉涂層鋼筋的黏結強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，降低腐蝕風險.該涂層具有自修復能力，當涂層有局部損傷時，仍然能夠阻止腐蝕發(fā)展，有效保護鋼筋免受深度腐蝕.大量測試結果表明，活性瓷釉涂層鋼筋具有很強的抗腐蝕能力.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間對比試驗結果如圖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間

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

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，是市場上普通的工業(yè)產品，成本很低.通過熔化后涂在鋼筋表面，制作工藝簡單，利于大范圍工程應用.

2 活性瓷釉涂層鋼筋混凝土板動力試驗

對3個邊長為1 200 mm、厚度為90 mm的正方形板進行抗沖擊試驗，研究爆炸荷載作用下活性瓷釉涂層鋼筋與混凝土的黏結性能.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.為了進行對比，對3個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行了動力試驗.試驗裝置如圖3所示.

圖3 試驗裝置

試驗步驟見表1.對第1塊板(A1或C1)進行3次爆炸，考察多次爆炸對混凝土板的累計破壞作用.對第2(A2或C2)和第3塊板(A3或C3)進行單次爆炸試驗，考察不同炸藥等級對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 試驗步驟

試驗結果如圖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炸藥對混凝土板表面(正面)沒有造成明顯的破壞，而1.73 kg炸藥對板產生了非常嚴重的破壞作用.從圖5可以看出，1.14 kg炸藥盡管對板正面的破壞不明顯，但是對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.通過對破壞面的計算，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%.說明涂層對鋼筋混凝土結構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

靜力試驗中試件的尺寸與動力試驗中的試件完全相同.試驗裝置如圖6所示.

圖6 試驗裝置

在試驗過程中布置8個位移計對加載過程中的變形量進行連續(xù)記錄，同時觀測板受力過程中裂縫發(fā)展情況.試驗測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荷載和線荷載下差別不大.然而從測得的荷載－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性能，通過施加線性荷載對鋼纖維混凝土板進行試驗.測得摻有體積分數(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力，從而明顯增強了鋼纖維混凝土結構的力學性能.從測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 結語

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

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

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

致謝:本研究得到了美國陸軍試驗室Leonard Wood Institute的研究資助.美國密蘇里科技大學的Genda Chen和Jason Baird以及ProPerma Engineered Coatings公司的Mike Koenigstein等參與了試驗研究工作，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.