滲鋅鋼筋在海工混凝土結構中應用的可行性研究

秦鐵男，李杰，姚馳，馬化雄，張文鋒，吳粵

滲鋅鋼筋在海工混凝土結構中應用的可行性研究

秦鐵男1，李杰2，姚馳3，馬化雄1，張文鋒1，吳粵1

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中交一航局第一工程有限公司，天津300456；3.中國人民大學化學系，北京100872）

通過極化曲線、顯微硬度試驗、鋼筋握裹強度試驗以及現場工程試驗對比，研究滲鋅鋼筋與普通鋼筋的力學性能、耐蝕性能以及施工性能。結果表明，滲鋅鋼筋的硬度及其與混凝土的握裹強度均高于普通鋼筋；滲鋅鋼筋和普通鋼筋在混凝土模擬液中的穩定開路電位分別約為-0.9 V和-0.4 V，且均有穩定的鈍化行為，但滲鋅鋼筋的鈍化電位區間更寬，維鈍電流密度和腐蝕電流密度也比普通鋼筋大了一個數量級；滲鋅鋼筋在現場施工中具有良好的彎曲和焊接性能。滲鋅鋼筋可應用于海工混凝土構筑物中。

滲鋅鋼筋；海工混凝土；腐蝕；握裹強度

0　引言

鍍鋅鋼筋的發展主要以熱浸鍍鋅鋼筋在混凝土結構中的使用為主。自美國1930年首次使用之后，熱浸鋅鋼筋在許多國家的各種類型混凝土結構中得到廣泛的應用，包括百慕大群島的多個海洋工程，美國佛羅里達、賓夕法尼亞及愛荷華州的多座橋梁，英國牛津大學和劍橋大學內的多個建筑、荷蘭的公路橋及離岸構筑物、澳大利亞的悉尼歌劇院、國家網球中心及國家美術館、日本尾道的海底電纜棧橋等[1]。我國對于鍍鋅鋼筋的研究起步較晚，南京水利科學研究院[2]于1984年對海洋環境下混凝土結構物中熱浸鋅鋼筋的性能及世界各國的應用情況進行了詳細的調查研究，并總結了鍍鋅鋼筋的使用方法、質量控制標準與檢測方法。中國建筑材料科學研究總院[3]也研究了海洋環境下氯離子滲透對普通鋼筋和熱浸鋅鋼筋的腐蝕影響及熱浸鋅鋼筋混凝土結構耐久性的評估方法。盧錦堂等[4-6]對熱浸鋅鋼筋在混凝土結構中防腐應用前景及鍍鋅層在不同pH值飽和Ca（OH）2溶液中的腐蝕行為及腐蝕產物進行了研究。

近年來，納米材料及技術的發展為改善粉末滲鋅工藝提供了新的途徑。通過將金屬粉體納米化，大大增加了粉體的表面能和反應活性，降低了金屬的熔點，不僅提高了鋅在固相中的擴散速度，縮短了加熱和保溫時間，而且有效改善了滲鋅層的組織結構和性能[7]。

目前對納米粉末滲鋅鋼筋的研究和應用鮮有報道。為探討滲鋅鋼筋應用于海工混凝土結構中的可行性，本文從力學性能、耐蝕性能及施工性能三方面進行了試驗研究。

1　試驗

1.1試驗材料

室內試驗材料為φ10 mm的HPB235光圓鋼、φ20mm的HRB335螺紋鋼筋；實體工程試驗材料為φ14 mm、φ20 mm、φ22 mm和φ32 mm的HRB335螺紋鋼筋。

1.2滲鋅試樣制備

首先將加工好的鋼筋依次進行表面除油、酸洗除去氧化物、局部打磨等表面處理，再將其與微納米鋅粉、滲鋅助劑共同放置于滲鋅爐（轉鼓）中，采用滾動滲鋅法加熱到350~420℃，保溫2~ 4 h，保溫時間主要由所需的滲鋅層的厚度決定，具體制備工藝詳見專利CN 1730727A[8]。

1.3滲鋅鋼筋耐蝕性試驗

1.3.1鋼筋電極的制備

將直徑10 mm的HPB235光圓鋼筋加工成長度為2 cm的試樣，按1.2節中工藝進行滲鋅處理，將滲鋅和未滲鋅的鋼筋試樣與導線連接后用環氧樹脂密封制成電化學試驗用的測量電極，電極工作面為鋼筋端面，面積約為0.785 cm2。普通鋼筋電極依次用200~800目砂紙進行打磨，再拋光至鏡面；滲鋅鋼筋電極工作面不需打磨，但在環氧樹脂澆筑密封時要對工作面進行保護。

1.3.2測試方法

電化學測試在CS350電化學工作站上進行，采用三電極兩回路體系，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極；測試介質為飽和Ca（OH）2溶液；測試溫度為25℃。將鋼筋電極浸置于飽和Ca（OH）2溶液后，開始測試電極的開路電位直至穩定。開路電位穩定后，測試鋼筋電極陽極極化曲線。測陽極極化曲線時，從開路電位負100 mV處開始掃描，掃描速度為5 mV/s，當極化電位達到1 000mV時停止測試。

1.4滲鋅鋼筋力學性能試驗

1.4.1滲鋅層硬度測試

滲鋅層硬度采用維氏顯微硬度試驗法測定，具體試驗方法參照國標GB/T 9790—1988。采用200 g的標準砝碼，硬度計壓頭為金剛石正四棱錐體，其相對兩面之間的頂角為136°±0.25°，試驗力保持時間為15 s。

1.4.2鋼筋握裹強度試驗

參照JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規程》中鋼筋與混凝土握裹強度的試驗方法，測試φ20 mm的普通鋼筋和滲鋅鋼筋與混凝土的握裹強度。

2　結果與討論

2.1滲鋅鋼筋在混凝土孔隙模擬液中的耐蝕性研究

圖1為普通鋼筋和滲鋅鋼筋在飽和Ca（OH）2混凝土模擬液中的開路電位曲線。如圖所示，滲鋅鋼筋在飽和Ca（OH）2混凝土模擬液中的開路電位在浸泡初期變化較劇烈，變化范圍在-0.2~-1.2 V范圍內，并在55 000 s后趨于穩定；不同的電極電位變化趨勢不盡相同，且均在-0.9 V左右達到穩定，說明此時滲鋅鋼筋的表面狀態趨于相近。與滲鋅鋼筋相比，普通鋼筋在飽和Ca（OH）2混凝土模擬液中的開路電位變化不大且較為平緩，浸泡5 000 s后穩定于-0.4 V左右。上述結果表明，滲鋅鋼筋在浸泡初期的自腐蝕狀態比普通鋼筋更為活潑，表面狀態變化較大。這是由于普通鋼筋在飽和Ca（OH）2混凝土模擬液中能夠迅速形成鈍化膜，且形成鈍化膜后的穩定開路電位變化不大，而滲鋅鋼筋的滲鋅層屬于鋅鐵合金相，晶界處的鋅在飽和Ca（OH）2溶液中的浸泡初期會與OH-反應發生溶解生成Zn（OH）42-，再與溶液中充足的Ca2+反應在滲鋅層表面生成具有擇優取向且有保護作用的鋅酸鈣[Ca（Zn（OH）3）2·H2O][4]，從而導致其開路電位在劇烈變化后趨于穩定。

圖2為滲鋅鋼筋和普通鋼筋在飽和Ca（OH）2模擬液中的陽極極化Log I-E曲線。I為電流密度，A·cm-2；E為電位，V。如圖可知，滲鋅鋼筋和普通鋼筋在飽和Ca（OH）2模擬液中均表現出鈍化行為，滲鋅鋼筋和普通鋼筋的鈍化電位范圍分別為-0.7~0.65 V和-0.11~0.52 V，擊穿電位分別為0.65 V和0.52 V，說明滲鋅鋼筋表面的鋅酸鈣膜層能夠在較寬的電位范圍內保持鈍化。滲鋅鋼筋和普通鋼筋在混凝土模擬液中的自腐蝕電流密度和維鈍電流密度均小于10-4A/cm2，但滲鋅鋼筋比普通鋼筋大了一個數量級，說明在該模擬液中滲鋅鋼筋和普通鋼筋的鈍化膜溶解速度都很小，且滲鋅鋼筋鈍化膜的溶解速度大于普通鋼筋。

圖1　滲鋅鋼筋和普通鋼筋在混凝土孔隙模擬液中的開路電位曲線Fig.1 Open circuit potential of sherardizing rebar and ordinary rebar in the simulated concrete pore solution

圖2　滲鋅鋼筋和普通鋼筋在混凝土孔隙模擬液中的陽極極化曲線Fig.2 Anode polarization curves of sherardizing rebar and ordinary rebar in the simulated concrete pore solution

綜上所述，滲鋅鋼筋在混凝土模擬液中的穩定電位低于普通鋼筋，鈍化膜溶解速度較小，但比普通鋼筋的鈍化膜活潑且溶解速度更快，表明滲鋅鋼筋在混凝土模擬液中不僅自身有一定的耐蝕能力，而且即使在鈍化狀態下滲鋅層也能夠為鋼筋基體提供有效的陰極保護。

2.2滲鋅鋼筋的力學性能研究

2.2.1滲鋅鋼筋滲鋅層硬度研究

參照國標GB 9790—1988，采用維氏顯微硬度試驗對滲鋅層表面和橫截面硬度進行了測量。滲鋅層表面和橫截面的維氏硬度值分別為224.7 HV0.2和366.5 HV0.2，明顯高于普通HRB235鋼筋的硬度值，說明滲鋅處理能夠顯著提高鋼筋的表面硬度。在使用壓痕硬度測試法直接在基體鍍層上測量鍍層表面硬度時，如果基體的硬度較小，往往會導致鍍層表面硬度低于鍍層實際的硬度值，此時鍍層的橫截面硬度才是鍍層相對準確的硬度值。但鍍層表面作為實際情況下的服役表面，其硬度值更能說明鍍層鍍覆于基體表面后局部抵抗硬物壓入其表面的能力。綜上所述，滲鋅層的表面硬度反應的是實際工況下滲鋅層局部抵抗硬物壓入其表面的能力，而滲鋅層橫截面的硬度則反應了滲鋅層自身抗硬物壓入的物理性能。

2.2.2滲鋅鋼筋握裹強度試驗研究

普通鋼筋與滲鋅鋼筋握裹強度試驗結果如圖3所示。

圖3　普通鋼筋與滲鋅鋼筋的滑動應變-荷重關系曲線Fig.3 Relation curvesbetween slip strain and load of ordinary rebar and sherardizing rebar

在相同滑動應變下，滲鋅鋼筋所受荷重均大于普通鋼筋所受荷重。滲鋅鋼筋和普通鋼筋在滑動變形為0.01mm、0.05mm和0.10mm時的荷重分別為75.5 kN、128.2 kN、151.97 kN和56.81 kN、100.38 kN、133.43 kN。按上述握裹強度計算公式得，滲鋅鋼筋和普通鋼筋的握裹強度分別為0.012 6 MPa和0.010 3 MPa，試驗結果表明滲鋅鋼筋與混凝土的握裹強度高于普通鋼筋。鋼筋從混凝土試塊中被拔出后，普通鋼筋與滲鋅鋼筋表面均未見銹蝕、滲鋅層未見脫落，混凝土與鋼筋的結合界面輪廓清晰，混凝土試塊沿鋼筋兩條縱肋的平面方向開裂。

2.3滲鋅鋼筋現場實體工程試驗

通過對滲鋅鋼筋的力學及耐蝕性的室內試驗研究，初步確定了滲鋅鋼筋相對于普通鋼筋在海工混凝土結構中應用的優勢，但仍需對其在實體工程中的施工性能進行考察，包括滲鋅鋼筋的焊接性能、彎曲性能、抗外力破壞的能力以及儲存期的耐大氣腐蝕性能。

以天津港某碼頭改造工程為實體工程依托，將滲鋅鋼筋應用于碼頭預制面板中，主要流程為：按配筋要求確定鋼筋規格及用量→鋼筋滲鋅處理→滲鋅鋼筋焊接→滲鋅鋼筋彎曲→滲鋅鋼筋綁扎→面板澆筑→養護。滲鋅鋼筋在整個施工工程中均采用與普通鋼筋相同的施工工藝。其中，焊接、彎曲和綁扎三個環節中對滲鋅鋼筋的焊接性能、彎曲性能以及滲鋅層抗外力破壞的能力有一定的要求。滲鋅鋼筋經閃光對焊后，焊縫周圍的滲鋅層被燒損，生成白色的氧化鋅。焊接接頭經抗拉試驗測試后，斷口均發生在母材熱影響區，且抗拉強度均大于原材焊接接頭，滿足規范要求。滲鋅鋼筋經90°彎曲后滲鋅層表面完好，無裂紋；且在搬運、綁扎和澆筑過程中，滲鋅鋼筋均未做特殊保護，表現出良好的施工性能。

綜合滲鋅鋼筋在實體工程試驗中的結果，表明滲鋅鋼筋在現場施工過程中除焊縫處存在燒損需要額外修復外，其它施工環節均與普通鋼筋相同、無需特殊對待，具有良好的焊接性能、彎曲性能及抗外力破損能力。在對滲鋅鋼筋焊縫處進行修復時，最好選用厚漿型環氧富鋅底漆。涂刷前，應清除焊縫及其熱影響區的焊渣和污垢，且表面清潔度達到Sa2.5級，修補涂層厚度不應低于滲鋅層的厚度。為保證最佳的焊接質量，最好在焊接前將滲鋅鋼筋端面的滲鋅層局部清除。

3　結語

通過力學性能、耐蝕性能及現場施工性能三方面，對滲鋅鋼筋在海工混凝土結構中應用的可行性進行初步驗證，結果表明滲鋅鋼筋與混凝土的握裹強度均高于普通鋼筋；在現場施工過程中滲鋅層不易破損，且具有良好的彎曲和焊接性能，與其他種類的耐蝕鋼筋相比具有顯著的優勢。從耐蝕性角度來看，滲鋅鋼筋在混凝土模擬液中不僅自身有較好的耐蝕能力，且能夠為鋼筋基體提供有效的陰極保護。綜上所述，滲鋅鋼筋在海工混凝土構筑物中具有廣闊的應用前景，但如氯離子侵蝕和混凝土碳化對其耐蝕性的影響、滲鋅鋼筋在海工混凝土結構中的失效機理、滲鋅鋼筋在混凝土結構中腐蝕狀態的確定方法等諸多問題尚需進一步研究。

[1]YEOMANS S R.Galvanized steel reinforcement in concrete[M]. Oxford:Elsevier,2004:113-118.

[2]戴永壽.混凝土中熱鍍鋅鋼筋的性能及其應用[J].水利科技，1984（S1）：21-31. DAIYong-shou.Performanceand application ofhotdip galvanized steel bars in concrete[J].Hydraulic Science and Technology,1984 (S1):21-31.

[3]蔣荃，劉玉軍，劉儒平.熱浸鋅鋼筋（HDGR）混凝土耐久性評估[J].中國建材科技，2010（S1）：83-86. JIANGQuan,LIU Yu-jun,LIURu-ping.Electrochemical characterization of steel concreteunder multi-factors influence[J].China BuildingMaterials Science&Technology,2010(S1):83-86.

[4]孔綱，陳九龍，盧錦堂.飽和Ca（OH）2溶液pH值對熱鍍鋅鋼表面鋅酸鈣覆蓋層的影響[J].材料工程，2010（9）：74-79. KONG Gang,CHEN Jiu-long,LU Jin-tang.Effects of pH value of saturated Ca(OH)2solution on CaHZn coatingofhotdip galvanized steel[J].JournalofMaterials Engineering,2010(9):74-79.

[5]盧錦堂，陳九龍，孔綱.熱鍍鋅層在不同pH值飽和Ca（OH）2溶液中的腐蝕行為[J].材料保護，2010，43（5）：13-16. LU Jin-tang,CHEN Jiu-long,KONG Gang.Corrosion behavior of hot-dip galvanized steel in saturated calcium dihydroxide solution with differentpH values[J].Journal ofMaterials Protection,2010, 43(5):13-16.

[6]汪燃原，孔綱，盧錦堂.混凝土中熱浸鍍鋅鋼筋的研究及應用[J].電鍍與涂飾，2009，28（10）：22-25. WANGRan-yuan,KONGGang,LU Jin-tang.Study and application of hot-dip galvanized rebar in concrete[J].Electrop lating& Finishing,2009,28(10):22-25.

[7]張晶，楊新岐，姜海龍，等.應用納米鋅粉及稀土的粉末滲鋅技術研究[J].中國表面工程，2005，18（3）：31-33. ZHANG Jing,YANG Xin-qi,JIANG Hai-long,et al.Investigation on sherardizingprocessusing nanozinc powderand nano rare earth [J].China Surface Engineering,2005,18(3):31-33.

[8]姜海龍.一種納米復合粉末滲鋅加工方法：中國，CN 1730727A [P].2006-02-08. JIANG Hai-long.A zinc impregnation processing method with nano composite powder:China,CN 1730727A[P].2006-02-08.

Feasibility studies on the application of sherardizing rebar in marine concrete structures

QIN Tie-nan1,LIJie2,YAOChi3,MAHua-xiong1,ZHANGWen-feng1,WUYue1
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China;2.No.1 Eng.Co.,Ltd.of CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China;3.DepartmentofChemistry,Renmin University ofChina,Beijing100872,China）

Themechanical properties,corrosion resistances and construction performances of ordinary rebar and sherardizing rebarwere comparative studied by polarization curves,microhardness test,reinforced bond strength test and field engineering test.The resultsshow that the hardness and bond strength between steel barand concrete ofsherardizing rebar are greater than that of ordinary rebar,and the open circuit potentials of sherardizing rebar and ordinary rebar in the simulated concrete pore solution are about-0.9 V and-0.4 V respectively,and both of sherardizing rebar and ordinary rebar have the steady passive behavior,but the passivation potential of sherardizing rebar has a wider range，and the passivation current density and corrosion current density of sherardizing rebar are larger than ordinary rebar by an order ofmagnitude.The sherardizing rebar hasgood bending and welding performances in the processof field test,and can be used in themarine concrete structures.

sherardizing rebar;marine concrete;corrosion;bonding strength

U654.93；TG174.44

A

2095-7874（2016）04-0043-04

10.7640/zggw js201604011

2015-11-23

2015-12-15

秦鐵男（1985—），男，遼寧鞍山市人，碩士，工程師，材料學專業。E-mail：qintienan@126.com