李四年,沈金龙,余天庆,陈慧敏,肖岸纯(湖北工学院,湖北武汉430068)

1　前　言

   随着中国西部大开发战略的实施,作为西部基础建设的重中之重的公路建设的步伐明显加快。由于其多山的特点,公路路基往往具有高路堤的特征,尤其是在两山之间,公路路基有时高达十几米。为此,出现了一种新型的路基结构:直立互锚式混凝土挡土墙,即在混凝土挡土墙之间填充土方,并通过放置在两混凝土挡土墙之间的钢筋起锚固作用。该结构具有工程施工简单、造价低、节约山区宝贵的土地资源等优点,具有广阔的应用前景,但是其钢筋一旦损坏,必将对整个系统具有毁灭性的破坏作用。其钢筋周围介质与混凝土中钢筋所处的环境有一定的差别,此时钢筋处在土石、水等较复杂的环境中,其水分(施工过程中水分达10%左右)比混凝土高很多,且其周围介质在施工、使用过程中流动、变化不是很稳定,其腐蚀很容易发生。不仅腐蚀过程很复杂,既有化学腐蚀、电化学腐蚀,又有微生物、土壤等腐蚀;而且其腐蚀环境是相对开放的,其钢筋周围的介质有一定流动性,钢筋的分布比较广和分散,为此,在钢筋选材确定的情况下,必须在钢筋的表面涂覆防腐涂层。本研究试制了几种防腐涂料,测试了涂层的有关性能,进行钢筋涂层的耐腐蚀性试验,为钢筋在此类环境中的耐腐防护提供基础试验数据。

2　涂层配方试验

2.1　涂膜的质量要求

2.1.1　膜厚度

   由于液态防腐涂料是用刷子、喷枪等将防腐涂料涂覆在钢筋表面,干燥后形成涂层,其工艺简单,便于现场操作。涂膜的保护作用在很大程度上取决于涂膜的厚度,如果厚度不够,液态涂料中的溶剂挥发以后,会在涂膜中留下一定数量的针孔,水、氧及其他介质会沿针孔渗入钢筋表面,影响涂料的有效性及耐久性。因此,必须保证涂膜有一定的厚度,但是过厚,涂膜的柔韧性及抗径向疲劳性就差,综合考虑,涂膜厚度应在200～300μｍ之间。

2.1.2　涂膜附着力

   防腐涂料的主要作用是对金属表面起到屏蔽作用,它需要涂层具有尽可能低的水和氧以及其他腐蚀因子的渗透性。一旦水渗过涂层到达金属表面,就很容易与钢筋表面产生氢键作用从而降低涂层对金属表面的附着力,导致电化学腐蚀、涂层起泡、脱落乃至失效。具有高附着力的涂层可克服这一不利影响。

2.1.3　涂膜的耐皂化性

   易皂化的化学结构在周围环境下会形成盐类,使水更易进入,所以成膜物质必须耐皂化性良好。

2.1.4　涂膜的化学耐久性

   涂膜在酸、碱、盐等有害介质的长期作用下,涂膜应能基本上保持其原有性能不显著降低,可靠地保护钢筋不被侵蚀。

2.1.5　涂膜的耐冲击性

   涂膜必须具有足够的韧性,才能保证在土石方的填充过程中不因外力的作用而破坏。

2.2　成膜物质的选择

   环氧树脂是由环氧氯丙烷和双酚基丙烷在碱作用下缩聚而成的高聚物,含极性高而不易水解的脂肪羟基和醚键,涂膜的耐化学性好;其结构是刚性的苯环和柔性的烃链交替排列,因而物理机械性能良好,固化时体积收缩率低,避免产生内应力而影响附着力。由于环氧树脂属热固性树脂,其固化后形成的三维交联的主体结构会导致其很少有分子键滑动,故常需要增韧,可采用胺类固化剂。由于煤焦沥青含有环烃结构,如酚或塞酚之类抗腐蚀细菌的功能团,且具有水不渗透性,因此,在环氧树脂防腐体系里加入煤焦沥青可使其具有环氧树脂不具有的特性,即提高本涂层在土壤中的抗水渗透性及抗细菌腐蚀性等。经过反复试验,有机多元胺在常温下能与环氧树脂交联固化,所形成的涂膜有良好的附着力、硬度以及耐脂肪烃溶剂性,耐稀酸(碱)性和耐盐水性,基本上满足涂膜的质量要求。

2.3　涂料配方

   配方由环氧树脂、固化剂和填料组成。环氧树脂作成膜物质,加稀释剂稀释并掺入锌粉形成组分一,固化剂加溶剂形成组分二。提出2种配方和1种商品漆见表1(质量份):

2.4　样品的制备用

  6.0ｍｍ的光面钢筋200ｍｍ长作为性能检测的基材。基材除锈(酸洗除锈)后,涂覆涂料,常温固化,基材表面即形成防腐涂层。涂覆时涂覆3～5层,单层厚50～60μｍ,第1层表干(约30ｍｉｎ)后涂覆第2层,依次涂覆后几层。

3　性能检测

3.1　检测方法

   附着力:划格法。机械性能:ＭＴＳ-810疲劳试验机。盐水浸泡试验:样品浸泡在3.0%质量浓度的ＮａＣｌ溶液中,温度15～25℃,时间30ｄ(国标要求72ｈ)。

ＮａＯＨ溶液浸泡试验:样品浸泡在10%质量浓度的ＮａＯＨ溶液中,温度15～25℃,时间30ｄ(国标要求72ｈ)。盐酸溶液浸泡试验:样品浸泡在10%质量浓度的盐酸溶液中,温度15～25℃,时间30ｄ(国标要求72ｈ)。模拟土壤腐蚀试验:取自现场的土壤,相同的湿度,相同的ｐＨ值,将试样埋在土壤中6个月。

3.2　试验结果

(1)附着力:Ａ中等,Ｂ良好,Ｃ中等。划格测定法表明Ａ和Ｂ涂料的基材上所剩方格的数目要多于Ｃ涂料上的方格数约10%。

(2)柔韧性:Ａ中等,Ｂ优秀,Ｃ良好。在ＭＴＳ-810疲劳试验机上做拉力试验时,有Ｂ和Ｃ涂料的钢筋试样在拉断时,其涂料只有1个断口,而Ａ涂料发生很多横向和纵向龟裂,且分块剥落,这也可以定性地说明它们的柔韧性大小。

(3)耐蚀性能见表2。

(4)3种涂料钢筋在酸液、碱液、盐液中浸蚀后的平均抗拉强度见表3,曲线见图1。

　　从图中可以看出,Ｂ涂料钢筋的平均抗拉强度明显高于Ａ涂料和Ｃ涂料的钢筋,这说明Ｂ涂料的防护效果要明显优于Ａ涂料和Ｃ涂料的防护效果。

(5)Ａ、Ｂ、Ｃ涂料钢筋与光杆钢筋的抗拉强度的差值见表4。

　　从表4可以看出,经过酸液浸蚀后,Ｃ涂层钢筋的抗拉强度降低最小,Ｂ次之;在碱液中Ｂ涂层钢筋的抗拉强度变化最小;在盐液中涂料钢筋抗拉强度的变化顺序为Ｂ<Ａ<Ｃ,这一变化情况与涂料的耐蚀性相吻合。(6)钢筋在模拟土壤腐蚀试验中的腐蚀速率Ｖ(单位:ｇ/ｍｍ2·ｄ):

Ｖ=｜Ｗ1-Ｗ0｜/ｓ·ｔ

式中,Ｗ1为经过浸蚀后的钢筋的质量;Ｗ0为浸蚀之前的钢筋的质量;ｓ为涂料所涂钢筋的表面积;ｔ为浸蚀的时间。

    Ａ、Ｂ、Ｃ三种涂料在模拟土壤中的腐蚀速率曲线(5ｄ为1个周期)见图2。从在模拟土壤中的腐蚀速率方面考虑,在前期阶段及大部分的时间里Ｂ涂料的腐蚀速率要明显低于Ａ涂料和Ｃ涂料,而且Ｂ涂料的稳定性要优于Ａ涂料和Ｃ涂料。

4　试验结果分析

(1)柔韧性试验表明,Ａ、Ｂ、Ｃ的柔韧性大小顺序为Ｂ>Ｃ>Ａ,Ａ的柔韧性较差。

(2)从耐蚀性来考虑,Ａ、Ｂ的耐碱性要优于Ｃ,Ｃ的耐酸性能要优于Ａ和Ｂ,而Ｂ的耐盐性能最好,这说明Ｂ涂膜的裂隙和针孔要少于Ａ和Ｃ,Ｂ涂膜更加致密,介质不易进入,从而耐蚀性较好。

(3)在酸液浸蚀的试验条件下,Ｃ涂层钢筋的抗拉强度降低最小,Ｂ次之;在碱液中Ｂ涂层钢筋的抗拉强度变化最小;在盐液中涂料钢筋抗拉强度的变化顺序为Ｂ<Ａ<Ｃ,这一变化情况与涂料的耐蚀性相吻合。

5　施工工艺

5.1　钢筋表面预处理

   未经处理的钢筋表面有油脂、水分、尘埃及铁锈等,这些物质严重影响涂料与钢筋表面的附着力,从而影响防腐效果。常见的预处理方法有:酸洗除锈、手工除锈及喷砂除锈等。表面处理必须达到Ｓａ2.5级以上。

5.2　涂覆方法

   溶剂型涂料的涂覆工艺较简单,施工方法一般有:刷涂法、浸涂法和喷涂法等,建议采用刷涂法。涂覆工艺见图3。

6　结　论

(1)基于以上的试验结果和分析,综合考虑涂层的附着力、柔韧性、耐蚀性和力学性能,Ｂ涂料的综合性能要优于Ａ和Ｃ,因此Ｂ涂料较佳。其配方推荐如下:组分一:Ｅ20、煤焦沥青为成膜物质,二甲苯作溶剂,将成膜物质溶解溶剂中,形成40%溶液;组分二:乙二胺作固化剂;组分一∶组分二为100∶2.5。

(2)涂膜具有较高的附着力、优良的柔韧性和较强的耐酸碱盐溶液浸蚀的能力。而且常温固化,干燥快,刷涂、浸涂均可,施工方便。