活性瓷釉涂层钢纤维混凝土板动、静力学特性研究

闫东明

(浙江大学建筑工程学院，浙江杭州310058)

1 活性瓷釉涂层材料

钢筋活性瓷釉涂层(Chemically Reactive Enamel Coating，CREC)技术是在玻璃粉中掺入适量活性硅酸钙和微量化学成分，高温熔化后涂抹在钢筋表面，在钢筋表面形成一层致密的保护层，从而达到增强钢筋抗腐蚀能力和与混凝土黏结力的目的.

笔者在美国留学期间，参与美国密苏里科技大学Genda Chen教授带领的研究团队，在国际上率先对钢筋活性瓷釉涂层技术开展了系统的研究工作.该技术得到了美国自然科学基金委员会、美国联邦政府交通部、美国陆军试验室等方面的广泛认可，得到多项研究经费的资助.在这些研究经费的支持下，研究团队从多个角度对这种钢筋活性瓷釉涂层技术进行了广泛研究:对材料的化学组分进行了优化;根据土木、水利、交通工程中钢筋混凝土结构的特点对活性瓷釉涂层钢筋的抗腐蚀性能进行了深入探索;对涂层钢筋与混凝土的黏结性能进行了研究.通过这些研究，涂层工艺和施工方法已经趋于成熟.该涂层主要特点如下.

1)与混凝土黏结能力突出.活性瓷釉涂层能够显著增强钢筋与混凝土之间的黏结强度.研究资料显示，活性瓷釉涂层钢筋与混凝土黏结强度是普通钢筋与混凝土黏结强度的7倍以上.黏结强度的提高可以减少混凝土中钢筋的搭接长度，增加结构刚度，降低施工难度，节省资源.活性瓷釉涂层与钢筋之间结合非常紧密，黏结力很强，一般不会发生破坏.活性瓷釉涂层能与混凝土基体产生一系列化学反应并生成一种密度较高的硅酸盐，在钢筋与混凝土基体之间形成一层特殊的界面层.该界面层具有高密度、高强度的特征，从而活性瓷釉涂层钢筋与混凝土可以具有很高的黏结强度.从圆钢拔出试验发现:活性瓷釉涂层钢筋的28，60，97 d黏结强度是普通钢筋或者有环氧涂层钢筋黏结强度的7倍以上［1］.委托美国陆军工程师研究与发展中心的试验也得出了类似结论［2－3］.普通钢筋预埋入混凝土中，当混凝土固化时，一层氢氧化钙物质就会在金属的表面沉积下来，一种潮湿且黏结性弱的层状物也会在它表面产生［3］，构成了混凝土基体和钢筋之间的弱连接带(相对于整体或钢筋).普通钢筋或者环氧涂层钢筋在混凝土中，水泥固化过程形成的多孔过渡层随养护时间继续得到发展，造成钢筋和水泥之间黏结强度随着时间延续而降低［4］.

图1给出了光面钢筋、粗糙面钢筋、活性瓷釉涂层钢筋的黏结强度随龄期的变化规律.从图1发现:普通钢筋的黏结强度从7 d到28 d没有明显增加，而活性瓷釉涂层钢筋的黏结强度随龄期的增加而增长.环氧涂层降低了钢筋与混凝土的黏结能力.

图1 钢筋拔出性能

2)活性瓷釉涂层具有突出的抗腐蚀能力.活性瓷釉涂层能够有效地阻止水分侵入，降低腐蚀风险.该涂层具有自修复能力，当涂层有局部损伤时，仍然能够阻止腐蚀发展，有效保护钢筋免受深度腐蚀.大量测试结果表明，活性瓷釉涂层钢筋具有很强的抗腐蚀能力.在完全相同的腐蚀环境下，普通钢筋、无局部损伤的环氧树脂涂层钢筋和无局部损伤的活性瓷釉涂层钢筋的耐腐蚀时间对比试验结果如图2所示［5］.可见，虽然活性瓷釉涂层钢筋的抗腐蚀能力低于无局部损伤的环氧树脂涂层，然而显著高于普通钢筋.这表明活性瓷釉涂层能够显著增强钢筋的抗腐蚀能力.有研究表明，有一定损伤的环氧涂层钢筋，抗腐蚀能力反而低于普通无涂层钢筋［6－8］，而有一定损伤的活性瓷釉涂层钢筋仍然具有非常突出的防腐蚀能力［5］.

图2 不同类型涂层钢筋的耐腐蚀时间

3)材料自身耐久性强.活性瓷釉涂层是无机材料，自身具有非常强的耐久性，不会随时间发生显著的性能劣化，可以长久保护钢筋.

4)成本低廉，工艺简单.活性瓷釉涂层的主要原材料是玻璃粉和活性硅酸钙，是市场上普通的工业产品，成本很低.通过熔化后涂在钢筋表面，制作工艺简单，利于大范围工程应用.

2 活性瓷釉涂层钢筋混凝土板动力试验

对3个边长为1 200 mm、厚度为90 mm的正方形板进行抗冲击试验，研究爆炸荷载作用下活性瓷釉涂层钢筋与混凝土的黏结性能.在板底部横向和纵向分别布置7根带有活性瓷釉涂层的3#钢筋.为了进行对比，对3个尺寸相同且无涂层的普通钢筋混凝土板也按照相同步骤进行了动力试验.试验装置如图3所示.

图3 试验装置

试验步骤见表1.对第1块板(A1或C1)进行3次爆炸，考察多次爆炸对混凝土板的累计破坏作用.对第2(A2或C2)和第3块板(A3或C3)进行单次爆炸试验，考察不同炸药等级对混凝土板的破坏作用.其中A1，A2和A3为普通钢筋混凝土板;C1，C2和C3为活性瓷釉涂层钢筋混凝土板.

表1 试验步骤

试验结果如图4—5所示.

图4 3次连续爆炸中板损伤情况(上面)

图5 单次爆炸中板损伤情况(背面)

从图4可以看出，0.45 kg和1.14 kg炸药对混凝土板表面(正面)没有造成明显的破坏，而1.73 kg炸药对板产生了非常严重的破坏作用.从图5可以看出，1.14 kg炸药尽管对板正面的破坏不明显，但是对板背面的影响却非常显著.而1.73 kg炸药完全破坏了板的整体性.通过对破坏面的计算，有涂层钢筋混凝土板和无涂层钢筋混凝土板的破坏面积分别为总面积的31.4%和37.3%.说明涂层对钢筋混凝土结构整体性具有提高作用.

3 活性瓷釉涂层钢筋混凝土板静力试验

静力试验中试件的尺寸与动力试验中的试件完全相同.试验装置如图6所示.

图6 试验装置

在试验过程中布置8个位移计对加载过程中的变形量进行连续记录，同时观测板受力过程中裂缝发展情况.试验测得的极限承载力见表2.

表2 极限承载力 kN

从表2可以看出，有涂层钢筋与无涂层钢筋的承载力在点荷载和线荷载下差别不大.然而从测得的荷载－变形曲线(图7)上可以得出，有涂层钢筋混凝土板的延性明显好于无涂层钢筋混凝土板.

图7 荷载－位移曲线

为了比较有涂层钢纤维混凝土板与无涂层钢纤维混凝土板的力学性能，通过施加线性荷载对钢纤维混凝土板进行试验.测得掺有体积分数1%活性瓷釉涂层钢纤维的混凝土板的极限承载力为69.9 kN，而相同掺量普通钢纤维混凝土板的极限承载力为60.1 kN.这表明活性瓷釉涂层能够提高钢纤维与混凝土黏结力，从而明显增强了钢纤维混凝土结构的力学性能.从测得的荷载变形曲线上也发现有活性瓷釉涂层钢纤维混凝土板具有更好的韧性.

4 结语

1)活性瓷釉涂层不仅能够显著增强钢筋的防腐蚀能力，而且能够增强钢筋与混凝土的黏结性能，从而改善钢筋混凝土结构的整体力学性能.

2)从钢筋混凝土板爆炸试验中可以得出，活性瓷釉涂层能够提高钢筋混凝土结构抵御爆炸荷载的能力，降低结构的破坏程度.

3)活性瓷釉涂层不仅能够改善钢筋混凝土结构的力学性能，而且能够用于钢纤维，改善钢纤维与混凝土的黏结能力，提升钢纤维在钢筋混凝土结构中的功能.

致谢:本研究得到了美国陆军试验室Leonard Wood Institute的研究资助.美国密苏里科技大学的Genda Chen和Jason Baird以及ProPerma Engineered Coatings公司的Mike Koenigstein等参与了试验研究工作，在此一并表示感谢!

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［3］ Hackler C，Koenigstein M，Malone P.The use of porcelain enamel coatings on reinforcing steel to enhance the bond to concrete and steel surfaces［C］∥Materials Science and Technology Conference Proceedings.Westerville:The American Ceramic Society，2006.

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