內(nèi)河港口碼頭嵌巖樁鋼護筒梯度防腐設計

◎ 姚紅良 黃團沖 劉江舟 葉軒宇 江西省港口集團有限公司

1.引言

嵌巖樁鋼護筒抗沖蝕性能對內(nèi)河港口碼頭安全運營和服役壽命至關重要。目前，國內(nèi)外對內(nèi)河港口碼頭嵌巖樁鋼護筒主要參照《水運工程鋼結構設計規(guī)范》（J T S152-2012）等標準，采用紅丹防銹漆等單層防腐傳統(tǒng)技術進行防護[1]。但諸多工程實踐[2]表明現(xiàn)行單層防護技術普遍存在涂層磨損、網(wǎng)裂、界面起泡與脫落等過早失效問題，尤其在富含沙流速大水流持續(xù)不斷沖蝕作用下使用不到5年即失效，遠未達到設計使用壽命(10-50年)。筆者[3]采用環(huán)氧瀝青納米改性技術研發(fā)了一種高抗蝕單層防腐新技術，實踐表明該技術效果良好，可將內(nèi)河港口碼頭嵌巖樁鋼護筒抗沖蝕性能提高約60%。

在此基礎上，本文嘗試引入梯度結構設計理念，研發(fā)一種由高抗沖蝕防腐層、密封阻隔層和抗沖蝕保護層復合而成的內(nèi)河港口碼頭嵌巖樁鋼護筒梯度防腐新技術，并采用模型實驗結合應用示范檢驗其防護技術效果以及密封阻隔層和抗沖蝕保護層厚度設計參數(shù)對其影響，旨在進一步提高內(nèi)河港口碼頭嵌巖樁鋼護筒在富含沙流速大水流等復雜服役條件下的抗沖蝕性能，為同類工程提供參考。

2.梯度防腐設計

梯度防腐設計是在內(nèi)河港口碼頭嵌巖樁鋼護筒防腐設計中，引入梯度結構設計理念將現(xiàn)行單層防腐結構設計為由高抗沖蝕防腐層、密封阻隔層和抗沖蝕保護層3個功能層組成的梯度防腐結構，如圖1所示，其中高抗沖蝕防腐層采用滿足《水運工程鋼結構設計規(guī)范》(JTS152-2012)中技術指標要求的防腐涂料噴涂而成，厚度150～300μ m；密封阻隔層采用滿足《礦脂防蝕帶》(DB37 T 2317-2013) 中技術指標要求且水蒸氣透過率小于0.45mg/cm2的高致密防腐膠帶纏繞而成，層厚3-4mm；抗沖蝕保護層采用滿足《結構加固修復用碳纖維片材》(JG/T 167-2016) 中技術指標要求且抗磨損系數(shù)不小于1.5的碳纖維布纏繞而成，層厚1～2cm。

圖1 梯度防腐設計示意圖

梯度防腐技術施工工藝主要包括以下4個步驟：首先，按ISO8501～Sa2.5標準技術要求，采用噴沙除銹方法將鋼護筒等鋼基底表面上的浮銹、雜質等除去；然后，按本文上述設計方法將防腐涂料均勻噴涂在鋼基底表面上，固化后形成高抗沖蝕防腐層；接著，將預先浸有緩蝕劑的高致密防腐膠帶斜向45℃纏繞在高抗沖蝕防腐層上形成密封阻隔層，疊層的壓邊寬度1cm；最后，將碳纖維布用水下固化環(huán)氧樹脂反斜向45℃粘貼纏繞在密封阻隔層上形成抗沖蝕保護層，疊層的壓邊寬度1cm。為防止各層間發(fā)生界面脫粘等現(xiàn)象，各層間界面并采用礦脂防蝕膏處理。

3.模型實驗

3.1 試件制作

模型試件按本文上述梯度防腐設計方法與制作工藝，采用Q345B鋼管制作，鋼管內(nèi)徑100 mm，壁厚20mm，長1500 mm。防腐涂料采用參照文獻[3]方法自制的納米改性環(huán)氧瀝青漆；高致密防腐膠帶采用市售聚丙烯纖維增強防腐膠帶，使用時預先在含有防銹劑、緩蝕劑、稠化劑、潤滑劑等礦物脂中浸漬2～3d；碳纖維布采用市售抗磨損系數(shù)為2.0的一級碳纖維布。

3.2 實驗方法

首先將模型試件直立固定在預先盛有含沙量2.8kg/m3的模擬江水水工模擬槽中，如圖2(b)所示，然后研究模擬江水流速為3.6m/s下的本所建立的梯度防腐技術抗沖蝕效果，實驗方案見表1，連續(xù)模擬380h，并采用涂層表面沖蝕和涂層-鋼界面黏結表征，測試方法參照文獻[4]。

表1 模型實驗方案

圖2 涂層表面沖蝕變化規(guī)律

4.結果與分析

4.1 涂層表面沖蝕

涂層表面沖蝕用涂層質量損失和厚度損失綜合評價。圖2為本文模擬條件下模型試件涂層質量損失和厚度損失的依時變化規(guī)律。可見，梯度防腐與單層防腐相似，涂層的質量損失和厚度損失均隨沖蝕時間增大而逐漸增大，但前者的增大速率明顯較后者小，尤其損傷加速階段，分別僅為后者的8.9%～54.1%和11.5%～65.6%；密封阻隔層厚度愈大愈明顯，例如與1＃試件相比，2＃試件涂層380h的質量損失和厚度損失的降幅分別增加38.8%和60.6%，而4＃試件與3＃試件相比，涂層質量損失和厚度損失的降幅分別僅增加11.1%和19.2%。說明采用梯度防腐可顯著降低內(nèi)河港口碼頭嵌巖樁鋼護筒涂層表面沖蝕性能，其中又以密封阻隔層厚度的影響最大。這主要是因為按梯度防腐設計，抗沖蝕保護層尤其密封阻隔層一方面可延緩水與防腐涂層的接觸，降低水、沙等對涂層表面的沖蝕，另一面可起到類似過濾網(wǎng)作用，有效阻滯沙粒尤其大沙粒對涂層表面的沖刷和磨損。

4.2 涂層-鋼界面黏結

涂層-鋼界面黏結用涂層吸水率和濕附著力綜合評價。圖3為本文模擬條件下模型試件涂層吸水率和濕附著力的依時變化規(guī)律。可見，梯度防腐涂層的吸水率均與單層防腐一樣隨沖蝕時間的增大而逐漸增大，涂層濕附著力逐漸降低，但梯度防腐涂層吸水率的增幅和濕附著力的降幅明顯較后者的小，例如與0＃試件相比，1＃試件涂層由100h至380h的吸水率增幅和濕附著力降幅分別僅是前者的55.9%和55.6%；此外，密封阻隔層厚度愈大愈明顯，且影響最明顯，例如3＃試件涂層由100h至380h的吸水率增幅和濕附著力降幅，分別僅是1＃試件的40%和52.9%。說明采用梯度防腐可顯著提高內(nèi)河港口碼頭嵌巖樁鋼護筒涂層-鋼界面黏結，提高其抗沖蝕性能，且密封阻隔層越厚越顯著。這是因為按梯度防腐設計，一方面抗沖蝕保護層尤其密封阻隔層可延緩水、微粒等向涂層內(nèi)部尤其涂層-鋼界面滲透，減少涂層及其與鋼界面微裂紋的發(fā)生，另一面可起到類似過濾網(wǎng)作用，減緩涂層剝離和脫落。

圖3 涂層-鋼界面黏結變化規(guī)律

4.3 應用檢驗

江西某內(nèi)河港口碼頭位于江西省九江，是江西省目前投資建設最大的一座內(nèi)河港口碼頭，設計貨物吞吐量65萬噸/年，設計等級Ⅱ級，設計使用壽命50年。碼頭平臺采用排架式高樁梁板結構，總長572m，寬30m，排架基礎采用Q345B鋼護筒內(nèi)灌C30混凝土的Φ500嵌巖樁，每榀排架5根，排架間距9m。嵌巖樁鋼護筒參照《水運工程鋼結構設計規(guī)范》(JTS152-2012)，采用納米有機硅改性環(huán)氧瀝青漆單層防護技術進行防護[3]。同時，選5根嵌巖樁鋼護筒采用本研究所研發(fā)的梯度防腐蝕技術進行探索，高抗沖蝕防腐層厚設為150μm，密封阻隔層厚4mm，抗沖蝕保護層厚1cm。檢測結果顯示，與納米有機硅改性環(huán)氧瀝青漆單層防腐技術相比，以高抗沖蝕防腐層、密封阻隔層和抗沖蝕保護層為功能層建立的梯度防腐技術防護效果更優(yōu)良，使用3年來涂層未出現(xiàn)開裂、脫落等過早失效破壞現(xiàn)象。

5.結論

（1）以高抗沖蝕防腐層、密封阻隔層和抗沖蝕保護層為功能層建立的梯度防腐技術，可顯著提高內(nèi)河港口碼頭嵌巖樁鋼護筒在富含沙大水流服役條件下的抗沖蝕性能，且密封阻隔層越厚越明顯，與納米改性單層防腐技術相比抗蝕性能可提高40%～60%。

（2）梯度防腐技術優(yōu)良主要源于密封阻隔層和抗沖蝕保護層可起到逐緩和過濾網(wǎng)的作用，從而可有效阻滯含沙江水對內(nèi)河港口碼頭嵌巖樁鋼護筒涂層表面的沖蝕以及對涂層-鋼界面黏結的破壞。

（3）應用示范檢測表明，與納米有機硅改性環(huán)氧瀝青漆等單層防腐技術相比，梯度防腐技術長期防護效果更優(yōu)良，在內(nèi)河港口碼頭防腐技術領域具有較大的應用前景。