石墨烯防腐涂料在碼頭工程施工中的應用研究

鄭進強 王睿炘 中交第三航務工程局有限公司廈門分公司

李忠水 廈門捷航工程檢測技術有限公司

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構物連接質量的難題。按照不同的施工項目，不同的施工環境，特別是海港工程，針對構件外露筋位置不一樣所處環境大致分大氣區、浪濺區、水位變動區和水下區等。不同構件如沉箱、靠船構件安裝后在環境中外露的時間長短不一，如個別項目因為客觀原因出現停滯，或者后續項目沒有再上，預留段的鋼筋也會存在長時間的浸泡；正常項目施工存在進度滯后，后續工序無法及時跟進，導致外露筋在大自然的環境中出現各種問題，從而影響結構的實體質量。為了提高外露筋的整體防腐效果，確保后續工序（項目）正常施工，傳統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、效果以及經濟性上存在不足。

2.工程概況

廈門港古雷港區古雷作業區北1#、2#泊位工程，位于漳州市古雷半島西側。本工程北1#、2#泊位是2個5萬噸級多用途泊位（水工結構按10萬噸級集裝箱船設計）和一個5千噸級多用途泊位，同時建設消拖泊位及預留工作船泊位，結構形式均為重力式沉箱結構。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：113d，日降水量≥25mm，年平均降雨日數：16.8d；日降水量≥50mm，年平均降雨日數：5.7d。累年平均相對濕度為80%，多年平均最大相對濕度為84%。

本海區潮汐性質為不規則半日潮型，平均潮差和最大潮差均有自灣口向灣頂逐漸增大的趨勢。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。設計高水位：3.72m（高潮累計頻率10%），設計低水位：0.38m（低潮累計頻率90%）。

沉箱外露鋼筋情況：本工程預制沉箱共85件，砼C40，約52973.78m3，鋼筋5 900 t。沉箱安裝標高頂標高+2.0m。頂上+2.0m處有外伸70cm長預留鋼筋與上部結構胸墻連接。沉箱頂部外露鋼筋型號為Φ12～Φ18，累計外露鋼筋總數為：264t，外露長度為70cm，折算外露面積為：3131m2，可見如何加強外露筋防腐效果對保證后續胸墻整體質量尤為重要。

根據設計潮位情況，沉箱外露鋼筋標高范圍為+2.2m至+2.9m，大部分屬于水位變動區范圍（-0.62m至+2.72m），鋼筋受海浪、雨霧天的腐蝕較為嚴重。

3.石墨烯防腐涂料與傳統防腐措施的對比

鋼材最常見的銹蝕破壞的因素是水和提供溶氧的空氣。如何保證水位變動區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滲入侵蝕，需對沉箱頂部外露70cm鋼筋進行防腐涂裝，提高鋼筋抗腐蝕能力，推遲鋼筋生銹起點時間。傳統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，是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型改性材料，被稱為“黑金”，是“新材料之王”。石墨烯具有導電、導熱、防腐和增強功能，跟涂料和樹脂的有效復合，能大大提升其防腐、耐酸堿、硬度、導電導熱、耐溶劑等各項綜合性能。

石墨烯防腐機理：石墨烯的二維片層結構在涂料中層層疊加，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，石墨烯的表面效應使得石墨烯與水的接觸角很大，對水的侵潤性很差，水分子很難被石墨烯吸收；同時在涂料中加入石墨烯后，石墨烯的疏水性會阻止水分子通過涂層到達金屬基體表面，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 防腐材料效果比對試驗

為確認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核。通過握裹力對比試驗，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強度比為73%，不符合規范要求≥85%，不能夠保證鋼筋與混凝土的連接質量。檢驗結果如表1。

表1 握裹力檢測報告

在確認石墨烯防腐新材料不影響握裹力的前提下開展進一步效果比對試驗。模擬試驗主要根據沉箱外露筋實際情況，結合常用的防腐工藝，分別采用三種材料進行防腐，并與未采取任何防腐措施的鋼筋，模擬在沉箱安裝后經處水位變動區進行效果比對。

圖2 外露鋼筋防腐7天效果圖

圖3 外露鋼筋防腐3個月后效果圖

3.3 沉箱預制前的模擬試驗

為充分模擬現場實際，試驗場地選在沉箱預制場出運碼頭抬口處，此處標高為+2.8m，與沉箱安裝后+2.0m同處于水位變動區具有代表性；試驗隨機各選擇3組（每組3根）長度為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，不做具體效果對比。防腐效果比對，7天及3個月后的效果，如圖2、3。

經過近3個月的效果對比，在同等條件下，外觀上石墨烯的防腐效果明顯優于水泥漿，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。石墨烯附著力強度值根據原材料檢測報告達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

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（質量比）：5：1；產品施工簡便，可采用噴涂、輥涂及刷涂等傳統方式作業；表干時間30分鐘，實干1小時；產品不能在陽光直射下運輸儲存。

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

①設置預涂鋼筋定位擋板，針對小面積的構件，不建議采用空氣噴涂而采用刷涂工藝；

②堆放晾干并加保護套保護。

4.2 石墨烯涂刷過程注意事項

①涂刷前對外露筋進行清理，防止灰塵、油污、混凝土渣等污染物對防腐質量產生影響；

②確保石墨烯在有效的反應時間內完成涂刷，避免防腐效果失效；

③涂刷應均勻，避免涂料堆積，厚薄不一，而影響整體效果。

5.石墨烯防腐涂料實施效果

5.1 實體試驗檢測

針對現場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的性能檢測。

圖4 沉箱外露鋼筋涂刷石墨烯后

圖5 沉箱外露鋼筋現狀

圖6 海蠣殼清除前5組樣品外觀對比圖

圖7 海蠣殼清除后5組樣品外觀對比圖

2019年11月27日現場截取的沉箱外露鋼筋，取樣沉箱位置及石墨烯間隔時間分別為編號：大泊位第35件（間隔1個月）、第28件（間隔2個月）、第17件（間隔3個月）、第3件（間隔7個月）；小泊位第35件（間隔8個月），每組9根，每根長度55cm。取好用鐵絲綁好，做好記號，送至試驗室進行鋼筋拉伸試驗、冷彎試驗、反向彎曲試驗、直徑以及重量偏差進行性能檢測，以此形成強度和時間關系曲線圖，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。

根據試驗報告數據形成各參數與時間關系變化圖8-圖9，可以得出，在石墨烯的防腐下，鋼筋整體性能在經歷長達8個月的暴露環境下并未出現不符合要求指標，鋼筋重量、直徑也符合規范偏差要求。另外外露鋼筋在石墨烯有效防腐下，其防腐性能在8個月與1個月并無明顯差異，可見該防腐效果是有效的，且防腐期限可以達到10個月甚至更長。

圖8 鋼筋最大力總延伸率

圖9 鋼筋重量偏差

5.2 經濟分析

本項目累計使用石墨烯材料數量為：甲組分2020kg，乙組分404kg，累計涂刷沉箱外漏鋼筋共264t，根據石墨烯材料單價測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，合計采用石墨烯防腐綜合成本約為600元/噸。占比沉箱預制總費用的0.05%（平均一件沉箱預制綜合單價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可節約成本。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范要求而需要二次處理，比如植筋等方式，造成的成本相應增加，進度的滯后，故不做進一步的對比分析。

6.結語

石墨烯防腐新材料對外露鋼筋防腐上應用的可行性、經濟性有著顯著的特色，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，可在類似項目可進行推廣；同時在碼頭前沿護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于傳統油漆。

另外石墨烯防腐新材料可保證鋼筋在裸露環境下的防腐效果的同時，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束，它可以在混凝土結構內部繼續發揮隔阻水分子、氯離子對鋼筋基體的進一步腐蝕，所以石墨烯間接上也能夠提高鋼筋混凝土結構的耐久性，當然這需要進一步的驗證。