石墨烯防腐涂料在碼頭工程施工中的應(yīng)用研究

鄭進(jìn)強(qiáng) 王睿炘 中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門分公司

李忠水 廈門捷航工程檢測(cè)技術(shù)有限公司

1.引言

碼頭工程外露鋼筋在的防腐一直是困擾海港工程結(jié)構(gòu)物連接質(zhì)量的難題。按照不同的施工項(xiàng)目，不同的施工環(huán)境，特別是海港工程，針對(duì)構(gòu)件外露筋位置不一樣所處環(huán)境大致分大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)和水下區(qū)等。不同構(gòu)件如沉箱、靠船構(gòu)件安裝后在環(huán)境中外露的時(shí)間長(zhǎng)短不一，如個(gè)別項(xiàng)目因?yàn)榭陀^原因出現(xiàn)停滯，或者后續(xù)項(xiàng)目沒有再上，預(yù)留段的鋼筋也會(huì)存在長(zhǎng)時(shí)間的浸泡；正常項(xiàng)目施工存在進(jìn)度滯后，后續(xù)工序無法及時(shí)跟進(jìn)，導(dǎo)致外露筋在大自然的環(huán)境中出現(xiàn)各種問題，從而影響結(jié)構(gòu)的實(shí)體質(zhì)量。為了提高外露筋的整體防腐效果，確保后續(xù)工序（項(xiàng)目）正常施工，傳統(tǒng)工藝中主要采取的防腐措施為涂刷水泥凈漿或者采用熱鍍鋅等防腐措施，在防腐性能、效果以及經(jīng)濟(jì)性上存在不足。

2.工程概況

廈門港古雷港區(qū)古雷作業(yè)區(qū)北1#、2#泊位工程，位于漳州市古雷半島西側(cè)。本工程北1#、2#泊位是2個(gè)5萬噸級(jí)多用途泊位（水工結(jié)構(gòu)按10萬噸級(jí)集裝箱船設(shè)計(jì)）和一個(gè)5千噸級(jí)多用途泊位，同時(shí)建設(shè)消拖泊位及預(yù)留工作船泊位，結(jié)構(gòu)形式均為重力式沉箱結(jié)構(gòu)。碼頭斷面圖如圖1所示。

圖1：碼頭泊位典型斷面圖

本工程年平均氣溫：21.2℃；年平均降水量：1065.3mm，年平均降水日數(shù)：113d，日降水量≥25mm，年平均降雨日數(shù)：16.8d；日降水量≥50mm，年平均降雨日數(shù)：5.7d。累年平均相對(duì)濕度為80%，多年平均最大相對(duì)濕度為84%。

本海區(qū)潮汐性質(zhì)為不規(guī)則半日潮型，平均潮差和最大潮差均有自灣口向?yàn)稠斨饾u增大的趨勢(shì)。工程水域潮位特征值：平均高潮位：3.28m；平均低潮位：0.99m；平均海平面：2.10m；最大潮差：4.10m；最小潮差：0.43m；平均潮差：2.30m。設(shè)計(jì)高水位：3.72m（高潮累計(jì)頻率10%），設(shè)計(jì)低水位：0.38m（低潮累計(jì)頻率90%）。

沉箱外露鋼筋情況：本工程預(yù)制沉箱共85件，砼C40，約52973.78m3，鋼筋5 900 t。沉箱安裝標(biāo)高頂標(biāo)高+2.0m。頂上+2.0m處有外伸70cm長(zhǎng)預(yù)留鋼筋與上部結(jié)構(gòu)胸墻連接。沉箱頂部外露鋼筋型號(hào)為Φ12～Φ18，累計(jì)外露鋼筋總數(shù)為：264t，外露長(zhǎng)度為70cm，折算外露面積為：3131m2，可見如何加強(qiáng)外露筋防腐效果對(duì)保證后續(xù)胸墻整體質(zhì)量尤為重要。

根據(jù)設(shè)計(jì)潮位情況，沉箱外露鋼筋標(biāo)高范圍為+2.2m至+2.9m，大部分屬于水位變動(dòng)區(qū)范圍（-0.62m至+2.72m），鋼筋受海浪、雨霧天的腐蝕較為嚴(yán)重。

3.石墨烯防腐涂料與傳統(tǒng)防腐措施的對(duì)比

鋼材最常見的銹蝕破壞的因素是水和提供溶氧的空氣。如何保證水位變動(dòng)區(qū)沉箱頂部外露鋼筋在沉箱安裝后胸墻施工前免遭腐蝕介質(zhì)滲入侵蝕，需對(duì)沉箱頂部外露70cm鋼筋進(jìn)行防腐涂裝，提高鋼筋抗腐蝕能力，推遲鋼筋生銹起點(diǎn)時(shí)間。傳統(tǒng)工藝有涂刷水泥凈漿防腐、涂刷硅烷材料防腐、熱鍍鋅防腐等，基本原理都是隔阻鋼筋與水和空氣的接觸，但在防腐效果上大為不同。

3.1 石墨烯新材料

石墨烯（Graphenne）是從石墨材料中剝離出來，由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型改性材料，被稱為“黑金”，是“新材料之王”。石墨烯具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、防腐和增強(qiáng)功能，跟涂料和樹脂的有效復(fù)合，能大大提升其防腐、耐酸堿、硬度、導(dǎo)電導(dǎo)熱、耐溶劑等各項(xiàng)綜合性能。

石墨烯防腐機(jī)理：石墨烯的二維片層結(jié)構(gòu)在涂料中層層疊加，形成致密的物理隔絕層，小分子腐蝕介質(zhì)很難通過這層致密的隔絕層，故能起到突出的物理隔絕作用；石墨烯的小尺寸使得石墨烯可以填充到涂料的孔洞和缺陷中，在一定程度上阻止和延緩了小分子腐蝕介質(zhì)侵入金屬基體，增加了涂層的物理隔絕作用；另外石墨烯具有防水性，石墨烯的表面效應(yīng)使得石墨烯與水的接觸角很大，對(duì)水的侵潤(rùn)性很差，水分子很難被石墨烯吸收；同時(shí)在涂料中加入石墨烯后，石墨烯的疏水性會(huì)阻止水分子通過涂層到達(dá)金屬基體表面，從而降低金屬表面的腐蝕。（摘自【中凱新材石墨烯說明書】）

3.2 防腐材料效果比對(duì)試驗(yàn)

為確認(rèn)石墨烯以及其他防腐材料（水泥漿、硅烷）可行性的前提是開展防腐涂層鋼筋混凝土握裹力復(fù)核。通過握裹力對(duì)比試驗(yàn)，涂刷水泥漿和涂刷石墨烯均不影響鋼筋握裹力；涂刷硅烷涂料的：涂層鋼筋與無涂層鋼筋粘結(jié)強(qiáng)度比為73%，不符合規(guī)范要求≥85%，不能夠保證鋼筋與混凝土的連接質(zhì)量。檢驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 握裹力檢測(cè)報(bào)告

在確認(rèn)石墨烯防腐新材料不影響握裹力的前提下開展進(jìn)一步效果比對(duì)試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)主要根據(jù)沉箱外露筋實(shí)際情況，結(jié)合常用的防腐工藝，分別采用三種材料進(jìn)行防腐，并與未采取任何防腐措施的鋼筋，模擬在沉箱安裝后經(jīng)處水位變動(dòng)區(qū)進(jìn)行效果比對(duì)。

圖2 外露鋼筋防腐7天效果圖

圖3 外露鋼筋防腐3個(gè)月后效果圖

3.3 沉箱預(yù)制前的模擬試驗(yàn)

為充分模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，試驗(yàn)場(chǎng)地選在沉箱預(yù)制場(chǎng)出運(yùn)碼頭抬口處，此處標(biāo)高為+2.8m，與沉箱安裝后+2.0m同處于水位變動(dòng)區(qū)具有代表性；試驗(yàn)隨機(jī)各選擇3組（每組3根）長(zhǎng)度為70cm、直徑為Φ20的螺紋鋼。其中防腐材料分別為石墨烯一組、水泥漿一組、無防腐一組。另外一組采用鍍鋅防腐，不做具體效果對(duì)比。防腐效果比對(duì)，7天及3個(gè)月后的效果，如圖2、3。

經(jīng)過近3個(gè)月的效果對(duì)比，在同等條件下，外觀上石墨烯的防腐效果明顯優(yōu)于水泥漿，水泥漿防腐受海浪沖刷附著力不足，難以確保鋼筋的防腐效果。石墨烯附著力強(qiáng)度值根據(jù)原材料檢測(cè)報(bào)告達(dá)21MPA，可抵抗潮水沖刷。

4.石墨烯防腐涂料施工方法及注意事項(xiàng)

4.1 石墨烯防腐涂料施工方法

石墨烯防腐涂料體積固含量為：≥75%，建議涂膜厚度100μm，理論涂布率(m2/Kg)：15-18；使用混合比（質(zhì)量比）：5：1；產(chǎn)品施工簡(jiǎn)便，可采用噴涂、輥涂及刷涂等傳統(tǒng)方式作業(yè)；表干時(shí)間30分鐘，實(shí)干1小時(shí)；產(chǎn)品不能在陽光直射下運(yùn)輸儲(chǔ)存。

石墨烯防腐涂料應(yīng)在鋼筋制作后綁扎前隨即進(jìn)行涂刷，確保外露筋根部防腐效果，涂刷后及時(shí)進(jìn)行保護(hù)。具體涂刷過程：

①設(shè)置預(yù)涂鋼筋定位擋板，針對(duì)小面積的構(gòu)件，不建議采用空氣噴涂而采用刷涂工藝；

②堆放晾干并加保護(hù)套保護(hù)。

4.2 石墨烯涂刷過程注意事項(xiàng)

①涂刷前對(duì)外露筋進(jìn)行清理，防止灰塵、油污、混凝土渣等污染物對(duì)防腐質(zhì)量產(chǎn)生影響；

②確保石墨烯在有效的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)完成涂刷，避免防腐效果失效；

③涂刷應(yīng)均勻，避免涂料堆積，厚薄不一，而影響整體效果。

5.石墨烯防腐涂料實(shí)施效果

5.1 實(shí)體試驗(yàn)檢測(cè)

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沉箱安裝后在不同齡期下觀察石墨烯防腐涂層效果并開展相應(yīng)的性能檢測(cè)。

圖4 沉箱外露鋼筋涂刷石墨烯后

圖5 沉箱外露鋼筋現(xiàn)狀

圖6 海蠣殼清除前5組樣品外觀對(duì)比圖

圖7 海蠣殼清除后5組樣品外觀對(duì)比圖

2019年11月27日現(xiàn)場(chǎng)截取的沉箱外露鋼筋，取樣沉箱位置及石墨烯間隔時(shí)間分別為編號(hào)：大泊位第35件（間隔1個(gè)月）、第28件（間隔2個(gè)月）、第17件（間隔3個(gè)月）、第3件（間隔7個(gè)月）；小泊位第35件（間隔8個(gè)月），每組9根，每根長(zhǎng)度55cm。取好用鐵絲綁好，做好記號(hào)，送至試驗(yàn)室進(jìn)行鋼筋拉伸試驗(yàn)、冷彎試驗(yàn)、反向彎曲試驗(yàn)、直徑以及重量偏差進(jìn)行性能檢測(cè)，以此形成強(qiáng)度和時(shí)間關(guān)系曲線圖，分析石墨烯防腐在不同齡期下的效果；具體詳見照片，如圖4、5、6、7。

根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)形成各參數(shù)與時(shí)間關(guān)系變化圖8-圖9，可以得出，在石墨烯的防腐下，鋼筋整體性能在經(jīng)歷長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月的暴露環(huán)境下并未出現(xiàn)不符合要求指標(biāo)，鋼筋重量、直徑也符合規(guī)范偏差要求。另外外露鋼筋在石墨烯有效防腐下，其防腐性能在8個(gè)月與1個(gè)月并無明顯差異，可見該防腐效果是有效的，且防腐期限可以達(dá)到10個(gè)月甚至更長(zhǎng)。

圖8 鋼筋最大力總延伸率

圖9 鋼筋重量偏差

5.2 經(jīng)濟(jì)分析

本項(xiàng)目累計(jì)使用石墨烯材料數(shù)量為：甲組分2020kg，乙組分404kg，累計(jì)涂刷沉箱外漏鋼筋共264t，根據(jù)石墨烯材料單價(jià)測(cè)算沉箱外露筋石墨烯防腐涂料材料成本，見表2。

表2 沉箱外露筋石墨烯防腐涂料材料成本

其中人工成本平均約300元/噸，合計(jì)采用石墨烯防腐綜合成本約為600元/噸。占比沉箱預(yù)制總費(fèi)用的0.05%（平均一件沉箱預(yù)制綜合單價(jià)127萬）。相比于鍍鋅防腐每噸2500元/噸，在不降低防腐效果的同時(shí)可節(jié)約成本。相比于水泥漿防腐，在防腐效果上不如石墨烯，另外可能造成鋼筋的銹蝕超過規(guī)范要求而需要二次處理，比如植筋等方式，造成的成本相應(yīng)增加，進(jìn)度的滯后，故不做進(jìn)一步的對(duì)比分析。

6.結(jié)語

石墨烯防腐新材料對(duì)外露鋼筋防腐上應(yīng)用的可行性、經(jīng)濟(jì)性有著顯著的特色，在解決外露鋼筋和鋼材防腐可推廣的新材料，滿足碼頭工程防腐需要，可在類似項(xiàng)目可進(jìn)行推廣；同時(shí)在碼頭前沿護(hù)輪坎紅白相間油漆中使用該涂料，能夠在“保光性”、“保色性”、耐熱性以及耐水性上優(yōu)于傳統(tǒng)油漆。

另外石墨烯防腐新材料可保證鋼筋在裸露環(huán)境下的防腐效果的同時(shí)，在混凝土澆筑后，只要石墨烯的防腐涂膜未被破壞，那么石墨烯的防腐效果就并未徹底結(jié)束，它可以在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部繼續(xù)發(fā)揮隔阻水分子、氯離子對(duì)鋼筋基體的進(jìn)一步腐蝕，所以石墨烯間接上也能夠提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，當(dāng)然這需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。