不銹鋼涂層鋼筋在預制箱梁中的應用分析

蔡丹丹

（宿遷市高速鐵路建設發展有限公司，江蘇 宿遷223800）

近年我國橋梁建設規模不斷增大，橋梁存量已經越來越大。據統計，我國約有危橋9萬多座，近十年垮塌事故100余起。其中因鋼筋腐蝕導致結構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，隨著我國經濟技術的發展，在基礎設施、交通運輸、水利及海洋工程等領域中的投入不斷增加，耐久性問題也備受關注。鋼筋的腐蝕問題已經嚴重影響到結構的耐久性，大大增加了運營維護的成本（見圖1）。通過相關資料調研，結合現有成果分析，本文建議未來涂層鋼筋適合開展如下四個研究內容：不銹鋼涂層鋼筋與普通鋼筋的力學性能比較研究、不銹鋼涂層鋼筋作為濕接縫鋼筋的應用研究、不銹鋼涂層鋼筋在預制箱梁中應用全壽命周期的經濟性、不銹鋼涂層鋼筋在預制箱梁中應用施工工藝等[1]。

圖1 鋼銹蝕案例

項目研究的成果可以從理論機理、經濟性、工藝標準化等方面為不銹鋼涂層鋼筋在預制箱梁中的應用提供有力的技術支撐，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險，提升結構的壽命和安全性，保障人們安全出行，具有良好的經濟效益和社會效益。

1 不銹鋼涂層鋼筋的研究現狀

1985年，佐勃（Zoob）等人進行了抗蝕試驗，試驗采用304型實心不銹鋼的變形鋼筋。砼板中布置兩片直徑22mm的鋼筋網片，其中混凝土的水灰比為0.5，水泥用量為260kg/m3，保護層厚度為25-50mm，底層鋼筋分為普通鋼筋和不銹鋼鋼筋作為對比試驗。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號不銹鋼鋼筋和預應力鋼絞線進行了一系列的耐腐蝕試驗。試驗結果表明：N33號不銹鋼鋼筋的抗蝕性能優于碳素鋼筋，而且不易失去其鈍化狀態。試驗測試結果顯示，暴露在海洋中的預應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型不銹鋼筋進行了試驗。鋼筋取材多樣，有的來自混凝土構件中，有的直接暴露在海水中。結果表明，完全暴露的不銹鋼鋼筋只是局部腐蝕，而低碳鋼筋則嚴重腐蝕。對砼構件解剖后發現，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重。因此，他們認為在不考慮經濟性的情況下，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。試驗結果表明，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氧樹脂涂刷的低碳鋼筋進行了長達7年的研究。研究結果表明，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。研究結果表明，鐵-奧氏體不銹鋼鋼筋未出現明顯腐蝕跡象，只是在重度氯化物的砼中，出現了少量的坑蝕。

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境中暴露了5年。試驗結果表明，3CR12不銹鋼鋼筋腐蝕輕微。此外，試驗材料還包括304型和316型不銹鋼鋼筋、高強碳素鋼筋、鍍鋅鋼筋和涂刷環氧樹脂的鋼筋。暴露環境比較惡劣，試驗現場的天然海岸環境氣溫較高，且溫差較大，氯離子含量較高。

綜上所述，現場和實驗室的數據證明，在惡劣的氯離子環境中，不銹鋼包覆鋼筋和實心不銹鋼筋，無論在砼構件內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容

據調研，影響不銹鋼涂層鋼筋的主要因素有：（1）材料參數。應選擇低合金高強鐵鋅材質、熱軋型材等作為鋼結構中最常用的基體材料；（2）構件類型及尺寸參數。形狀、厚度以及抗拉強度等都會對其腐蝕性能產生重要影響，例如涂層厚度越薄，其抗腐蝕性就會越弱，但過大則不利于涂層鋼筋在工程中應用；（3）涂層結構。通常來說選擇高合金高強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性能，以及鋼構件中耐腐蝕介質和防腐劑是否會影響其抗老化；（4）施工工藝。涂層工藝不好會嚴重影響涂層作用的發揮。因此，必須對其進行嚴格檢測，以保證其在預制箱梁中的應用達到設計要求[2-3]。

2.1 不銹鋼涂層鋼筋與普通鋼筋的力學性能比較研究

通過力學性能試驗，對不銹鋼涂層鋼筋和普通鋼筋進行受力性能比較研究。根據鋼筋性能等級和應用場合選擇相應的試驗項目，包括單向拉伸、大變形反復拉壓等試驗。

2.2 不銹鋼涂層鋼筋作為濕接縫鋼筋的應用研究

濕接縫一般為現澆施工，由于施工工藝問題，現澆比預制混凝土構件質量差，難以保證保護層厚度達標，此處鋼筋容易銹蝕，會進一步影響橋梁整體受力。通過文獻調研、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用研究，明確應用條件，揭示鋼筋與混凝土的粘結機理。

2.3 不銹鋼涂層鋼筋在預制箱梁中應用全壽命周期的經濟性研究

通過調研國內外文獻資料，得出統計數據，建立合理的數學模型對比分析采用不銹鋼涂層鋼筋提升壽命帶來的經濟社會效益和使用該材料增加的成本。最終形成合理的評估模型體系，指導、評價不銹鋼涂層鋼筋的使用。為我們在今后進行鋼構件耐久性評估提供理論依據，使設計人員和工程技術人員能夠充分認識到鋼結構中使用高技術的關鍵[4]。

2.4 不銹鋼涂層鋼筋在預制箱梁中應用施工工藝研究

通過歸納總結、定量分析等手段系統梳理現場施工設備要求、工藝流程和管養維護要求，明確鋼筋涂層工藝要求和檢測評定標準，形成不銹鋼涂層鋼筋在箱梁中應用的標準化施工工藝。例如：（1）對于鋼筋混凝土構件表面處理，一般先噴一層砂漿保護膜后再刷一道黏結劑涂抹在銹跡部位；（2）采用砂子、石膏等作為主要材料鋪貼鋼結構預制箱梁底面，并利用其自身的導熱系數對鋼纖維進行強化增強，同時也可以對鋼纖維進行保護，以防止表面被腐蝕[5]。

3 擬采用的實施方案

本課題擬采用文獻查閱、計算分析、方案對比、試驗驗證、現場實證等方法，研究不銹鋼涂層鋼筋提升耐久性在預制箱梁中的應用，對比分析不銹鋼涂層鋼筋與普通鋼筋的力學性能差異，明確不銹鋼鋼筋在濕接縫中的應用條件，形成適用于預制箱梁的不銹鋼涂層鋼筋應用的經濟評價指標、施工評定標準。通過歸納總結、定量分析等手段系統梳理現場施工設備要求、工藝流程和管養維護要求，形成不銹鋼涂層鋼筋應用于預制箱梁的成套技術。

通過對比試驗對普通鋼筋和不銹鋼涂層鋼筋的力學性能進行研究分析，為不銹鋼涂層鋼筋在梁式構件中的應用提供試驗基礎。

拉伸試驗。準備兩組鋼筋，一組為涂層鋼筋，一組為普通鋼筋。每組3根。試驗時在鋼筋兩側分別均勻布置3個應變片（其中一側的一個應變片布置于裸露鋼筋表面），一個試件總計6個應變片。把試件夾持于試驗機上，應變片連接到信號采集器，開始拉伸測試，加載速率為0.5mm/min。

中心拔出試驗。試驗采用長方體試塊，試件尺寸為132mm×132mm×88mm。試件澆筑時，首先將非黏結段鋼筋用PVC管包裹，并涂抹熔融膠水固定。所有拔出試件都使用木質模具澆筑成型。澆筑時，先人工插搗，而后在振動臺上振搗成型，并覆蓋塑料薄膜，標準養護（溫度20℃±3℃，濕度≥60%）28天。混凝土塊的參數按照常規混凝土梁濕接縫澆筑設計方案。

中心拔出試驗加載設備由兩部分組成：MTS-SANS萬能試驗機（量程400kN）和由4根高強螺桿與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電子引伸計，用于獲取鋼筋與混凝土間相對滑移數據。

圖2 MTS-SANS萬能試驗機

通過歸納總結耐腐蝕涂層鋼筋的構造特點和典型工程實施案例的先進經驗，結合不銹鋼涂層鋼筋的制備技術，從鋼筋涂層工藝要求與檢測評定標準，涂層鋼筋的吊裝與搬運、貯存、彎曲切割等加工，連接與定位，焊接施工等關鍵工序的施工要點出發，提升不銹鋼涂層鋼筋在箱梁中應用的標準化施工工藝。

本項目研究技術路線如圖3所示。

圖3 研究技術路線

4 結束語

解決鋼筋銹蝕問題需要進一步地開展相關研究工作，本文基于前人的研究成果，結合現有資源，針對不銹鋼涂層鋼筋在預制箱梁中應用的理論機理、經濟性、工藝標準化等方面的問題，提出了4個方面的研究內容。本文提出的研究內容為系統性解決涂層鋼筋在箱梁中的應用問題指明了方向，研究成果將有助于推廣涂層鋼筋在箱梁中的應用，從而產生巨大的經濟效益和社會效益。