不銹鋼涂層鋼筋在預(yù)制箱梁中的應(yīng)用分析

蔡丹丹

（宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷223800）

近年我國橋梁建設(shè)規(guī)模不斷增大，橋梁存量已經(jīng)越來越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國約有危橋9萬多座，近十年垮塌事故100余起。其中因鋼筋腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的占比越來越大。候保榮院士提到，2014年起我國因鋼筋腐蝕造成的損失就超過2萬億元，其中鋼筋混凝土腐蝕所造成的損失占損失總額的32%。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，在基礎(chǔ)設(shè)施、交通運(yùn)輸、水利及海洋工程等領(lǐng)域中的投入不斷增加，耐久性問題也備受關(guān)注。鋼筋的腐蝕問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到結(jié)構(gòu)的耐久性，大大增加了運(yùn)營維護(hù)的成本（見圖1）。通過相關(guān)資料調(diào)研，結(jié)合現(xiàn)有成果分析，本文建議未來涂層鋼筋適合開展如下四個(gè)研究內(nèi)容：不銹鋼涂層鋼筋與普通鋼筋的力學(xué)性能比較研究、不銹鋼涂層鋼筋作為濕接縫鋼筋的應(yīng)用研究、不銹鋼涂層鋼筋在預(yù)制箱梁中應(yīng)用全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性、不銹鋼涂層鋼筋在預(yù)制箱梁中應(yīng)用施工工藝等[1]。

圖1 鋼銹蝕案例

項(xiàng)目研究的成果可以從理論機(jī)理、經(jīng)濟(jì)性、工藝標(biāo)準(zhǔn)化等方面為不銹鋼涂層鋼筋在預(yù)制箱梁中的應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐，有效提升箱梁的耐腐蝕性能將大大降低因腐蝕而損壞的風(fēng)險(xiǎn)，提升結(jié)構(gòu)的壽命和安全性，保障人們安全出行，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 不銹鋼涂層鋼筋的研究現(xiàn)狀

1985年，佐勃（Zoob）等人進(jìn)行了抗蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)采用304型實(shí)心不銹鋼的變形鋼筋。砼板中布置兩片直徑22mm的鋼筋網(wǎng)片，其中混凝土的水灰比為0.5，水泥用量為260kg/m3，保護(hù)層厚度為25-50mm，底層鋼筋分為普通鋼筋和不銹鋼鋼筋作為對比試驗(yàn)。而且，對于不銹鋼組件浸泡的酸溶性氯化物含量是普通鋼筋組件的7至10倍。研究結(jié)果表明不銹鋼鋼筋的表面無明顯腐蝕跡象，而普通鋼筋則嚴(yán)重腐蝕。這說明不銹鋼鋼筋的耐腐蝕性比普通鋼筋大7至10倍。

1987年，詹金斯對N33號(hào)不銹鋼鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行了一系列的耐腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：N33號(hào)不銹鋼鋼筋的抗蝕性能優(yōu)于碳素鋼筋，而且不易失去其鈍化狀態(tài)。試驗(yàn)測試結(jié)果顯示，暴露在海洋中的預(yù)應(yīng)力砼樁沒有明顯的腐蝕跡象。

1988年，弗林特和考克斯對低碳鋼筋和316型不銹鋼筋進(jìn)行了試驗(yàn)。鋼筋取材多樣，有的來自混凝土構(gòu)件中，有的直接暴露在海水中。結(jié)果表明，完全暴露的不銹鋼鋼筋只是局部腐蝕，而低碳鋼筋則嚴(yán)重腐蝕。對砼構(gòu)件解剖后發(fā)現(xiàn)，埋置的不銹鋼鋼筋沒有明顯的腐蝕跡象，而其他類型鋼筋腐蝕較為嚴(yán)重。因此，他們認(rèn)為在不考慮經(jīng)濟(jì)性的情況下，采用不銹鋼鋼筋是解決腐蝕問題的最簡單、直接的辦法。

1989年，特里達(dá)等人研究了包括碳素鋼筋、耐候鋼筋、鍍鋅鋼筋、405和430不銹鋼鋼筋，以及302、315和316型奧氏體不銹鋼鋼筋。試驗(yàn)結(jié)果表明，奧氏體不銹鋼鋼筋耐腐蝕性最好。暴露20年的奧氏體不銹鋼鋼筋銹蝕程度較小，但其他材料的試件裂縫較多，鋼筋銹蝕也比較嚴(yán)重。對比來說，302的奧氏體不銹鋼鋼筋耐腐蝕性相對弱一些。

1992年，拉希達(dá)扎法等人對碳鋼筋、鍍鋅鋼筋、304型不銹鋼包覆的低碳鋼筋和環(huán)氧樹脂涂刷的低碳鋼筋進(jìn)行了長達(dá)7年的研究。研究結(jié)果表明，304型不銹鋼包覆的低碳鋼筋耐腐蝕性最好，要比普通低碳鋼筋的氯離子界限大24倍以上。

1993年，奈伯格等人研究了各種級(jí)別的不銹鋼鋼筋，包括奧氏體和鐵-奧氏體的不銹鋼鋼筋，還有焊接和未焊接的不銹鋼鋼筋。研究結(jié)果表明，鐵-奧氏體不銹鋼鋼筋未出現(xiàn)明顯腐蝕跡象，只是在重度氯化物的砼中，出現(xiàn)了少量的坑蝕。

1994年，西威特等人將含有碳素鋼筋和3CR12不銹鋼鋼筋的砼棱柱體在模擬的海洋環(huán)境中暴露了5年。試驗(yàn)結(jié)果表明，3CR12不銹鋼鋼筋腐蝕輕微。此外，試驗(yàn)材料還包括304型和316型不銹鋼鋼筋、高強(qiáng)碳素鋼筋、鍍鋅鋼筋和涂刷環(huán)氧樹脂的鋼筋。暴露環(huán)境比較惡劣，試驗(yàn)現(xiàn)場的天然海岸環(huán)境氣溫較高，且溫差較大，氯離子含量較高。

綜上所述，現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)證明，在惡劣的氯離子環(huán)境中，不銹鋼包覆鋼筋和實(shí)心不銹鋼筋，無論在砼構(gòu)件內(nèi)部或暴露在外部的氯化物中，都具有極好的耐腐蝕性。

2 不銹鋼涂層鋼筋的主要研究內(nèi)容

據(jù)調(diào)研，影響不銹鋼涂層鋼筋的主要因素有：（1）材料參數(shù)。應(yīng)選擇低合金高強(qiáng)鐵鋅材質(zhì)、熱軋型材等作為鋼結(jié)構(gòu)中最常用的基體材料；（2）構(gòu)件類型及尺寸參數(shù)。形狀、厚度以及抗拉強(qiáng)度等都會(huì)對其腐蝕性能產(chǎn)生重要影響，例如涂層厚度越薄，其抗腐蝕性就會(huì)越弱，但過大則不利于涂層鋼筋在工程中應(yīng)用；（3）涂層結(jié)構(gòu)。通常來說選擇高合金高強(qiáng)鐵鋅材料作為不銹鋼基體材料。選用何種材料需要考慮涂層的主要力學(xué)性能，以及鋼構(gòu)件中耐腐蝕介質(zhì)和防腐劑是否會(huì)影響其抗老化；（4）施工工藝。涂層工藝不好會(huì)嚴(yán)重影響涂層作用的發(fā)揮。因此，必須對其進(jìn)行嚴(yán)格檢測，以保證其在預(yù)制箱梁中的應(yīng)用達(dá)到設(shè)計(jì)要求[2-3]。

2.1 不銹鋼涂層鋼筋與普通鋼筋的力學(xué)性能比較研究

通過力學(xué)性能試驗(yàn)，對不銹鋼涂層鋼筋和普通鋼筋進(jìn)行受力性能比較研究。根據(jù)鋼筋性能等級(jí)和應(yīng)用場合選擇相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目，包括單向拉伸、大變形反復(fù)拉壓等試驗(yàn)。

2.2 不銹鋼涂層鋼筋作為濕接縫鋼筋的應(yīng)用研究

濕接縫一般為現(xiàn)澆施工，由于施工工藝問題，現(xiàn)澆比預(yù)制混凝土構(gòu)件質(zhì)量差，難以保證保護(hù)層厚度達(dá)標(biāo)，此處鋼筋容易銹蝕，會(huì)進(jìn)一步影響橋梁整體受力。通過文獻(xiàn)調(diào)研、定量分析等手段開展不銹鋼涂層鋼筋作為濕接縫鋼筋的應(yīng)用研究，明確應(yīng)用條件，揭示鋼筋與混凝土的粘結(jié)機(jī)理。

2.3 不銹鋼涂層鋼筋在預(yù)制箱梁中應(yīng)用全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性研究

通過調(diào)研國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，得出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立合理的數(shù)學(xué)模型對比分析采用不銹鋼涂層鋼筋提升壽命帶來的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益和使用該材料增加的成本。最終形成合理的評(píng)估模型體系，指導(dǎo)、評(píng)價(jià)不銹鋼涂層鋼筋的使用。為我們在今后進(jìn)行鋼構(gòu)件耐久性評(píng)估提供理論依據(jù)，使設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員能夠充分認(rèn)識(shí)到鋼結(jié)構(gòu)中使用高技術(shù)的關(guān)鍵[4]。

2.4 不銹鋼涂層鋼筋在預(yù)制箱梁中應(yīng)用施工工藝研究

通過歸納總結(jié)、定量分析等手段系統(tǒng)梳理現(xiàn)場施工設(shè)備要求、工藝流程和管養(yǎng)維護(hù)要求，明確鋼筋涂層工藝要求和檢測評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，形成不銹鋼涂層鋼筋在箱梁中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝。例如：（1）對于鋼筋混凝土構(gòu)件表面處理，一般先噴一層砂漿保護(hù)膜后再刷一道黏結(jié)劑涂抹在銹跡部位；（2）采用砂子、石膏等作為主要材料鋪貼鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制箱梁底面，并利用其自身的導(dǎo)熱系數(shù)對鋼纖維進(jìn)行強(qiáng)化增強(qiáng)，同時(shí)也可以對鋼纖維進(jìn)行保護(hù)，以防止表面被腐蝕[5]。

3 擬采用的實(shí)施方案

本課題擬采用文獻(xiàn)查閱、計(jì)算分析、方案對比、試驗(yàn)驗(yàn)證、現(xiàn)場實(shí)證等方法，研究不銹鋼涂層鋼筋提升耐久性在預(yù)制箱梁中的應(yīng)用，對比分析不銹鋼涂層鋼筋與普通鋼筋的力學(xué)性能差異，明確不銹鋼鋼筋在濕接縫中的應(yīng)用條件，形成適用于預(yù)制箱梁的不銹鋼涂層鋼筋應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)、施工評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。通過歸納總結(jié)、定量分析等手段系統(tǒng)梳理現(xiàn)場施工設(shè)備要求、工藝流程和管養(yǎng)維護(hù)要求，形成不銹鋼涂層鋼筋應(yīng)用于預(yù)制箱梁的成套技術(shù)。

通過對比試驗(yàn)對普通鋼筋和不銹鋼涂層鋼筋的力學(xué)性能進(jìn)行研究分析，為不銹鋼涂層鋼筋在梁式構(gòu)件中的應(yīng)用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

拉伸試驗(yàn)。準(zhǔn)備兩組鋼筋，一組為涂層鋼筋，一組為普通鋼筋。每組3根。試驗(yàn)時(shí)在鋼筋兩側(cè)分別均勻布置3個(gè)應(yīng)變片（其中一側(cè)的一個(gè)應(yīng)變片布置于裸露鋼筋表面），一個(gè)試件總計(jì)6個(gè)應(yīng)變片。把試件夾持于試驗(yàn)機(jī)上，應(yīng)變片連接到信號(hào)采集器，開始拉伸測試，加載速率為0.5mm/min。

中心拔出試驗(yàn)。試驗(yàn)采用長方體試塊，試件尺寸為132mm×132mm×88mm。試件澆筑時(shí)，首先將非黏結(jié)段鋼筋用PVC管包裹，并涂抹熔融膠水固定。所有拔出試件都使用木質(zhì)模具澆筑成型。澆筑時(shí)，先人工插搗，而后在振動(dòng)臺(tái)上振搗成型，并覆蓋塑料薄膜，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度20℃±3℃，濕度≥60%）28天。混凝土塊的參數(shù)按照常規(guī)混凝土梁濕接縫澆筑設(shè)計(jì)方案。

中心拔出試驗(yàn)加載設(shè)備由兩部分組成：MTS-SANS萬能試驗(yàn)機(jī)（量程400kN）和由4根高強(qiáng)螺桿與2塊中心鉆孔的厚鋼板組成的剛性加載架，如圖2所示。采用位移控制的方式進(jìn)行加載，加載速率為0.3mm/min，采樣頻率為5Hz，在試件的自由端位置布置一個(gè)電子引伸計(jì)，用于獲取鋼筋與混凝土間相對滑移數(shù)據(jù)。

圖2 MTS-SANS萬能試驗(yàn)機(jī)

通過歸納總結(jié)耐腐蝕涂層鋼筋的構(gòu)造特點(diǎn)和典型工程實(shí)施案例的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合不銹鋼涂層鋼筋的制備技術(shù)，從鋼筋涂層工藝要求與檢測評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，涂層鋼筋的吊裝與搬運(yùn)、貯存、彎曲切割等加工，連接與定位，焊接施工等關(guān)鍵工序的施工要點(diǎn)出發(fā)，提升不銹鋼涂層鋼筋在箱梁中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝。

本項(xiàng)目研究技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 研究技術(shù)路線

4 結(jié)束語

解決鋼筋銹蝕問題需要進(jìn)一步地開展相關(guān)研究工作，本文基于前人的研究成果，結(jié)合現(xiàn)有資源，針對不銹鋼涂層鋼筋在預(yù)制箱梁中應(yīng)用的理論機(jī)理、經(jīng)濟(jì)性、工藝標(biāo)準(zhǔn)化等方面的問題，提出了4個(gè)方面的研究內(nèi)容。本文提出的研究內(nèi)容為系統(tǒng)性解決涂層鋼筋在箱梁中的應(yīng)用問題指明了方向，研究成果將有助于推廣涂層鋼筋在箱梁中的應(yīng)用，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。