渗锌钢筋在海工混凝土结构中应用的可行性研究

秦铁男，李杰，姚驰，马化雄，张文锋，吴粤

渗锌钢筋在海工混凝土结构中应用的可行性研究

秦铁男1，李杰2，姚驰3，马化雄1，张文锋1，吴粤1

（1.中交天津港湾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.中国人民大学化学系，北京100872）

通过极化曲线、显微硬度试验、钢筋握裹强度试验以及现场工程试验对比，研究渗锌钢筋与普通钢筋的力学性能、耐蚀性能以及施工性能。结果表明，渗锌钢筋的硬度及其与混凝土的握裹强度均高于普通钢筋；渗锌钢筋和普通钢筋在混凝土模拟液中的稳定开路电位分别约为-0.9 V和-0.4 V，且均有稳定的钝化行为，但渗锌钢筋的钝化电位区间更宽，维钝电流密度和腐蚀电流密度也比普通钢筋大了一个数量级；渗锌钢筋在现场施工中具有良好的弯曲和焊接性能。渗锌钢筋可应用于海工混凝土构筑物中。

渗锌钢筋；海工混凝土；腐蚀；握裹强度

0　引言

镀锌钢筋的发展主要以热浸镀锌钢筋在混凝土结构中的使用为主。自美国1930年首次使用之后，热浸锌钢筋在许多国家的各种类型混凝土结构中得到广泛的应用，包括百慕大群岛的多个海洋工程，美国佛罗里达、宾夕法尼亚及爱荷华州的多座桥梁，英国牛津大学和剑桥大学内的多个建筑、荷兰的公路桥及离岸构筑物、澳大利亚的悉尼歌剧院、国家网球中心及国家美术馆、日本尾道的海底电缆栈桥等[1]。我国对于镀锌钢筋的研究起步较晚，南京水利科学研究院[2]于1984年对海洋环境下混凝土结构物中热浸锌钢筋的性能及世界各国的应用情况进行了详细的调查研究，并总结了镀锌钢筋的使用方法、质量控制标准与检测方法。中国建筑材料科学研究总院[3]也研究了海洋环境下氯离子渗透对普通钢筋和热浸锌钢筋的腐蚀影响及热浸锌钢筋混凝土结构耐久性的评估方法。卢锦堂等[4-6]对热浸锌钢筋在混凝土结构中防腐应用前景及镀锌层在不同pH值饱和Ca（OH）2溶液中的腐蚀行为及腐蚀产物进行了研究。

近年来，纳米材料及技术的发展为改善粉末渗锌工艺提供了新的途径。通过将金属粉体纳米化，大大增加了粉体的表面能和反应活性，降低了金属的熔点，不仅提高了锌在固相中的扩散速度，缩短了加热和保温时间，而且有效改善了渗锌层的组织结构和性能[7]。

目前对纳米粉末渗锌钢筋的研究和应用鲜有报道。为探讨渗锌钢筋应用于海工混凝土结构中的可行性，本文从力学性能、耐蚀性能及施工性能三方面进行了试验研究。

1　试验

1.1试验材料

室内试验材料为φ10 mm的HPB235光圆钢、φ20mm的HRB335螺纹钢筋；实体工程试验材料为φ14 mm、φ20 mm、φ22 mm和φ32 mm的HRB335螺纹钢筋。

1.2渗锌试样制备

首先将加工好的钢筋依次进行表面除油、酸洗除去氧化物、局部打磨等表面处理，再将其与微纳米锌粉、渗锌助剂共同放置于渗锌炉（转鼓）中，采用滚动渗锌法加热到350~420℃，保温2~ 4 h，保温时间主要由所需的渗锌层的厚度决定，具体制备工艺详见专利CN 1730727A[8]。

1.3渗锌钢筋耐蚀性试验

1.3.1钢筋电极的制备

将直径10 mm的HPB235光圆钢筋加工成长度为2 cm的试样，按1.2节中工艺进行渗锌处理，将渗锌和未渗锌的钢筋试样与导线连接后用环氧树脂密封制成电化学试验用的测量电极，电极工作面为钢筋端面，面积约为0.785 cm2。普通钢筋电极依次用200~800目砂纸进行打磨，再抛光至镜面；渗锌钢筋电极工作面不需打磨，但在环氧树脂浇筑密封时要对工作面进行保护。

1.3.2测试方法

电化学测试在CS350电化学工作站上进行，采用三电极两回路体系，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），辅助电极为铂电极；测试介质为饱和Ca（OH）2溶液；测试温度为25℃。将钢筋电极浸置于饱和Ca（OH）2溶液后，开始测试电极的开路电位直至稳定。开路电位稳定后，测试钢筋电极阳极极化曲线。测阳极极化曲线时，从开路电位负100 mV处开始扫描，扫描速度为5 mV/s，当极化电位达到1 000mV时停止测试。

1.4渗锌钢筋力学性能试验

1.4.1渗锌层硬度测试

渗锌层硬度采用维氏显微硬度试验法测定，具体试验方法参照国标GB/T 9790—1988。采用200 g的标准砝码，硬度计压头为金刚石正四棱锥体，其相对两面之间的顶角为136°±0.25°，试验力保持时间为15 s。

1.4.2钢筋握裹强度试验

参照JTJ 270—1998《水运工程混凝土试验规程》中钢筋与混凝土握裹强度的试验方法，测试φ20 mm的普通钢筋和渗锌钢筋与混凝土的握裹强度。

2　结果与讨论

2.1渗锌钢筋在混凝土孔隙模拟液中的耐蚀性研究

图1为普通钢筋和渗锌钢筋在饱和Ca（OH）2混凝土模拟液中的开路电位曲线。如图所示，渗锌钢筋在饱和Ca（OH）2混凝土模拟液中的开路电位在浸泡初期变化较剧烈，变化范围在-0.2~-1.2 V范围内，并在55 000 s后趋于稳定；不同的电极电位变化趋势不尽相同，且均在-0.9 V左右达到稳定，说明此时渗锌钢筋的表面状态趋于相近。与渗锌钢筋相比，普通钢筋在饱和Ca（OH）2混凝土模拟液中的开路电位变化不大且较为平缓，浸泡5 000 s后稳定于-0.4 V左右。上述结果表明，渗锌钢筋在浸泡初期的自腐蚀状态比普通钢筋更为活泼，表面状态变化较大。这是由于普通钢筋在饱和Ca（OH）2混凝土模拟液中能够迅速形成钝化膜，且形成钝化膜后的稳定开路电位变化不大，而渗锌钢筋的渗锌层属于锌铁合金相，晶界处的锌在饱和Ca（OH）2溶液中的浸泡初期会与OH-反应发生溶解生成Zn（OH）42-，再与溶液中充足的Ca2+反应在渗锌层表面生成具有择优取向且有保护作用的锌酸钙[Ca（Zn（OH）3）2·H2O][4]，从而导致其开路电位在剧烈变化后趋于稳定。

图2为渗锌钢筋和普通钢筋在饱和Ca（OH）2模拟液中的阳极极化Log I-E曲线。I为电流密度，A·cm-2；E为电位，V。如图可知，渗锌钢筋和普通钢筋在饱和Ca（OH）2模拟液中均表现出钝化行为，渗锌钢筋和普通钢筋的钝化电位范围分别为-0.7~0.65 V和-0.11~0.52 V，击穿电位分别为0.65 V和0.52 V，说明渗锌钢筋表面的锌酸钙膜层能够在较宽的电位范围内保持钝化。渗锌钢筋和普通钢筋在混凝土模拟液中的自腐蚀电流密度和维钝电流密度均小于10-4A/cm2，但渗锌钢筋比普通钢筋大了一个数量级，说明在该模拟液中渗锌钢筋和普通钢筋的钝化膜溶解速度都很小，且渗锌钢筋钝化膜的溶解速度大于普通钢筋。

图1　渗锌钢筋和普通钢筋在混凝土孔隙模拟液中的开路电位曲线Fig.1 Open circuit potential of sherardizing rebar and ordinary rebar in the simulated concrete pore solution

图2　渗锌钢筋和普通钢筋在混凝土孔隙模拟液中的阳极极化曲线Fig.2 Anode polarization curves of sherardizing rebar and ordinary rebar in the simulated concrete pore solution

综上所述，渗锌钢筋在混凝土模拟液中的稳定电位低于普通钢筋，钝化膜溶解速度较小，但比普通钢筋的钝化膜活泼且溶解速度更快，表明渗锌钢筋在混凝土模拟液中不仅自身有一定的耐蚀能力，而且即使在钝化状态下渗锌层也能够为钢筋基体提供有效的阴极保护。

2.2渗锌钢筋的力学性能研究

2.2.1渗锌钢筋渗锌层硬度研究

参照国标GB 9790—1988，采用维氏显微硬度试验对渗锌层表面和横截面硬度进行了测量。渗锌层表面和横截面的维氏硬度值分别为224.7 HV0.2和366.5 HV0.2，明显高于普通HRB235钢筋的硬度值，说明渗锌处理能够显著提高钢筋的表面硬度。在使用压痕硬度测试法直接在基体镀层上测量镀层表面硬度时，如果基体的硬度较小，往往会导致镀层表面硬度低于镀层实际的硬度值，此时镀层的横截面硬度才是镀层相对准确的硬度值。但镀层表面作为实际情况下的服役表面，其硬度值更能说明镀层镀覆于基体表面后局部抵抗硬物压入其表面的能力。综上所述，渗锌层的表面硬度反应的是实际工况下渗锌层局部抵抗硬物压入其表面的能力，而渗锌层横截面的硬度则反应了渗锌层自身抗硬物压入的物理性能。

2.2.2渗锌钢筋握裹强度试验研究

普通钢筋与渗锌钢筋握裹强度试验结果如图3所示。

图3　普通钢筋与渗锌钢筋的滑动应变-荷重关系曲线Fig.3 Relation curvesbetween slip strain and load of ordinary rebar and sherardizing rebar

在相同滑动应变下，渗锌钢筋所受荷重均大于普通钢筋所受荷重。渗锌钢筋和普通钢筋在滑动变形为0.01mm、0.05mm和0.10mm时的荷重分别为75.5 kN、128.2 kN、151.97 kN和56.81 kN、100.38 kN、133.43 kN。按上述握裹强度计算公式得，渗锌钢筋和普通钢筋的握裹强度分别为0.012 6 MPa和0.010 3 MPa，试验结果表明渗锌钢筋与混凝土的握裹强度高于普通钢筋。钢筋从混凝土试块中被拔出后，普通钢筋与渗锌钢筋表面均未见锈蚀、渗锌层未见脱落，混凝土与钢筋的结合界面轮廓清晰，混凝土试块沿钢筋两条纵肋的平面方向开裂。

2.3渗锌钢筋现场实体工程试验

通过对渗锌钢筋的力学及耐蚀性的室内试验研究，初步确定了渗锌钢筋相对于普通钢筋在海工混凝土结构中应用的优势，但仍需对其在实体工程中的施工性能进行考察，包括渗锌钢筋的焊接性能、弯曲性能、抗外力破坏的能力以及储存期的耐大气腐蚀性能。

以天津港某码头改造工程为实体工程依托，将渗锌钢筋应用于码头预制面板中，主要流程为：按配筋要求确定钢筋规格及用量→钢筋渗锌处理→渗锌钢筋焊接→渗锌钢筋弯曲→渗锌钢筋绑扎→面板浇筑→养护。渗锌钢筋在整个施工工程中均采用与普通钢筋相同的施工工艺。其中，焊接、弯曲和绑扎三个环节中对渗锌钢筋的焊接性能、弯曲性能以及渗锌层抗外力破坏的能力有一定的要求。渗锌钢筋经闪光对焊后，焊缝周围的渗锌层被烧损，生成白色的氧化锌。焊接接头经抗拉试验测试后，断口均发生在母材热影响区，且抗拉强度均大于原材焊接接头，满足规范要求。渗锌钢筋经90°弯曲后渗锌层表面完好，无裂纹；且在搬运、绑扎和浇筑过程中，渗锌钢筋均未做特殊保护，表现出良好的施工性能。

综合渗锌钢筋在实体工程试验中的结果，表明渗锌钢筋在现场施工过程中除焊缝处存在烧损需要额外修复外，其它施工环节均与普通钢筋相同、无需特殊对待，具有良好的焊接性能、弯曲性能及抗外力破损能力。在对渗锌钢筋焊缝处进行修复时，最好选用厚浆型环氧富锌底漆。涂刷前，应清除焊缝及其热影响区的焊渣和污垢，且表面清洁度达到Sa2.5级，修补涂层厚度不应低于渗锌层的厚度。为保证最佳的焊接质量，最好在焊接前将渗锌钢筋端面的渗锌层局部清除。

3　结语

通过力学性能、耐蚀性能及现场施工性能三方面，对渗锌钢筋在海工混凝土结构中应用的可行性进行初步验证，结果表明渗锌钢筋与混凝土的握裹强度均高于普通钢筋；在现场施工过程中渗锌层不易破损，且具有良好的弯曲和焊接性能，与其他种类的耐蚀钢筋相比具有显著的优势。从耐蚀性角度来看，渗锌钢筋在混凝土模拟液中不仅自身有较好的耐蚀能力，且能够为钢筋基体提供有效的阴极保护。综上所述，渗锌钢筋在海工混凝土构筑物中具有广阔的应用前景，但如氯离子侵蚀和混凝土碳化对其耐蚀性的影响、渗锌钢筋在海工混凝土结构中的失效机理、渗锌钢筋在混凝土结构中腐蚀状态的确定方法等诸多问题尚需进一步研究。

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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

秦铁男（1985—），男，辽宁鞍山市人，硕士，工程师，材料学专业。E-mail：qintienan@126.com