混凝土中的钢筋防锈蚀设计

证混凝土有足够的保护层厚度混凝土的保护层可以阻止外界腐蚀介质的渗入，保护作用的效果与保护层厚度有密切关系。适当加大保护层厚度是提高结构耐久性、延长结构寿命的重要措施。
我国最新制定的GBJ50010-2002《混凝土结构设计规范》对混凝土最小保护层厚度的要求比原规范(GBJ50010-1989)有很多改进，扩展了对不同使用环境的要求，与欧洲规范有些相似。但我国设计规范对环境恶劣情况下混凝土最小保护层厚度的要求依旧较低，在设计时应参照国外的数值相应提高。
各国规范规定的最小保护层厚度见表1。   
表1各国规范规定的最小保护层厚度，mm

注：括号内为预应力混凝土最小保护层厚度。
1、正确选择材料混凝土
为提高钢筋的抗锈蚀能力，选择合适的水泥品种十分重要。抗硫酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、矾土水泥、矿渣硅酸盐水泥等对不同的腐蚀介质具有不同的抗腐蚀性能。如矾土水泥抗各种化学腐蚀能力强、火山灰水泥具有良好的抗硫酸盐侵蚀性能、矿渣水泥有较强的抗海水侵蚀性能等。在混凝土耐久性设计中，应当选用与腐蚀环境相适应的水泥品种。
2、添加钢筋阻锈剂
钢筋阻锈剂是掺入混凝土拌合物中，通过化学反应，抑制钢筋表面阳极或阴极反应的一种外加剂，主要用于预防盐类的侵蚀。阻锈剂可分为粉剂型和水剂型，使用方便，无需专门维护，费用比较低廉，其用量取决于结构服役年限、环境条件、混凝土质量。
3、采用环氧涂层钢筋
在钢筋表面静电喷涂一层环氧树脂粉末，形成具有一定厚度的一层不渗透连续的绝缘层，隔离钢筋与腐蚀介质的接触。美国公路管理局从20世纪70年代就开始采用这种钢筋防止桥梁的钢筋锈蚀。美国混凝土协会在1998～1999年调查后确认，环氧涂层钢筋可延长结构使用寿命20年左右。我国也制定了JG3042-1997《环氧树脂涂层钢筋产品标准》，并在工程中推广使用。使用环氧涂层钢筋应保证涂层应有最小厚度遮盖钢筋表面缺陷，但又不能太厚，以免影响正常固化和混凝土的黏结作用。这种钢筋在运输、加工、存放、绑扎、浇捣过程中要严防涂层破坏，注意保护涂层。
4、加强施工管理，重视使用阶段的维护
对混凝土耐久性有重大影响的密实度、保护层厚度的变异性，在很大程度取决于施工质量。加强工程质量对提高耐久性有重要作用。在结构的使用阶段，应重视对结构的维护和管理，重视服役混凝土结构的检测和评估，必要时进行修理和加固。
5、钢结构防腐体系的涂装方案和效益分析
目前，由于传统酚醛树脂、醇酸树脂防腐涂料具有价格低的优势，在防腐涂装工程中仍被不少单位采用，但由于它们固有的性能缺陷，加之随着各种高性能防腐涂料被研制开发并逐步得到应用，业内人士及用漆单位对高性能产品也逐步了解和接受，传统酚醛、醇酸等油基漆的产量占防腐涂料总产量的比例一直呈下降趋势，但和发达国家相比，仍然存在一定差距。无论是产品性能、还是防腐综合经济效益，高性能防腐体系和传统常规防腐体系相比，都具有无法比拟的优势。
纤维塑料筋及环氧树脂涂层钢筋的结构性能

1、前　言
钢筋锈蚀会发生锈胀，使混凝土保护层脱落，严重的会产生纵向裂缝，影响正常使用；钢筋锈蚀还会导致钢筋有效截面减小，破坏钢筋和混凝土的粘结，使结构承载力降低，甚至导致结构破坏，因此钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土耐久性的最重要因素。
为解决钢筋混凝土中的钢筋锈蚀问题，建筑界自20世纪60年代开始致力于寻求各种保护钢筋混凝土结构免受腐蚀的办法。这些办法主要有：①防水薄膜；②阴极保护；③加热镀锌法；④加大混凝土保护层厚度；⑤在混凝土中掺加可以提高钢筋防锈性能的阻锈剂；⑥开发新型纤维塑料筋；⑦开发新型涂层钢筋等。
经过长期的分析、研究，大家一致认为环氧树脂涂层筋和纤维塑料钢筋无论从防腐性能、经济性、施工性还是从生产工艺来说都是最实用的。
自20世纪70年代中期以来，欧美及日本等国开始使用纤维塑料筋来代替普通钢筋，在实验研究和工程应用等方面均取得了较多的成果。
1973年加拿大加尔盖利市的一座公路桥最先使用了纤维塑料筋。目前仅在日本，应用纤维塑料筋作为配筋材料的工程结构就超过了500个。
巧合的是，环氧树脂涂层钢筋也是于1973年首次在美国宾西法尼亚州的一座桥面板上使用，并在1976年进入建筑市场。近年来，美国环氧树脂涂层钢筋的用量，在桥梁方面占钢筋总用量的70％～80％，在其它结构方面占钢筋总用量的6％～7％。
我国在20世纪90年代中期几乎同时开始了纤维塑料筋和环氧树脂涂层钢筋的引进及应用研究，中国建科院、河海大学、同济大学等科研院所和大专院校在这两个方面做了大量的工作，并取得了较多的成果。目前国内已有几个厂家生产玻璃纤维塑料筋，而环氧树脂涂层钢筋只有广东海丰的香港宏利钢材加工厂生产。在香港宏利工业有限公司的支持下，广西工学院也于1997年开始了以上领域的研究，对环氧树脂涂层光面钢筋的粘结锚固问题作了研究。2000年我们又承担了广西自然科学基金项目“纤维塑料筋的材料及结构性能研究”，希望能通过我们的工作为混凝土结构耐久性的研究做出贡献。
2、纤维塑料筋的生产工艺及其结构性能
2.1、纤维塑料筋的生产工艺及产品特点
常见的纤维塑料筋是由多股连续纤维(如玻璃纤维、碳纤维及阿拉米德纤维等)采用基底材料(聚酰胺树脂、聚乙烯树脂、环氧树脂等)胶合后，经过特制的模具挤压、拉拔成型的。不同的纤维化学成分不同，其力学性能差别很大，相应的纤维塑料筋表现出的物理力学性质也有很大的不同。
纤维塑料筋的主要特点有：
(1)抗拉强度高。常见的3种纤维塑料筋的抗拉强度均明显超过了普通钢筋，与高强钢丝差不多，并且在达到纤维塑料筋的抗拉强度之前，几乎没有塑性变形产生。
(2)抗腐蚀性能良好，各种纤维塑料筋均具有非常好的抗腐蚀性能。
(3)密度小，纤维塑料筋的密度仅为普通钢筋的25％左右。
(4)纤维塑料筋的热膨胀系数与混凝土相近，两者间不会产生大的温度应力。
(5)弹性模量小，为普通钢筋的25％～70％，因此纤维塑料筋构件的挠度大和裂缝开展较宽将不可避免，这是纤维塑料筋的主要缺点之一。
(6)有高度的非匀质性和脆性，施加预应力比较危险；抗剪强度低，一般不超过其抗拉强度的10％，因此将纤维塑料筋作为预应力钢筋时需用专门的锚夹具。
(7)生产成本高。
2.2　纤维塑料筋与混凝土的粘结锚固性能
为增强纤维塑料筋与混凝土间的粘结能力，Brown V L等学者采用了粘纱技术来生产纤维塑料螺纹筋，拔出试验表明，纤维塑料筋与混凝土间的粘结强度是普通钢筋与混凝土间粘结强度的70％左右；Javier Malvar L等学者对4种具有不同表面形状的玻璃纤维塑料筋在不同的径向约束条件下与混凝土间的粘结性能进行了试验研究，结果表明，即便对于表面突纹较小的玻璃纤维塑料筋来说，它所能提供的与混凝土间的粘结强度也能满足美国混凝土结构设计规范的要求。
另外，粘结强度会随横向约束的提高而有所增加，而且在同样的约束条件下，普通钢筋与混凝土之间的粘结强度比纤维塑料筋与混凝土之间的粘结强度要稍高些。当然，随着纤维塑料筋表面变形和突纹的增大，纤维塑料筋与混凝土之间的粘结强度也会提高。
研究表明，通过有效地改变纤维塑料筋表面变形和突纹，纤维塑料筋与混凝土之间的粘结强度可比钢筋与混凝土之间的粘结强度高出50％以上。
同济大学薛伟辰博士建议，纤维塑料螺纹筋的粘结锚固长度要求可以取用普通螺纹钢筋的粘结锚固长度要求；他的研究成果还表明，纤维塑料螺纹筋与预留孔道后灌水泥浆之间的粘结强度远高于普通螺纹钢筋与预留孔道后灌水泥浆之间的粘结强度，这为纤维塑料螺纹筋在后张有粘结预应力混凝土结构中的应用提供了有力的支持；纤维塑料光圆筋与混凝土以及预留孔道后灌水泥浆之间的粘结强度很低，因此纤维塑料筋经过粘砂处理对于提高其粘结强度来说是必要的；另外，研究还表明，纤维塑料螺纹筋与孔道后灌环氧树脂之间的粘结强度较高。
2.3　纤维塑料筋普通混凝土及预应力混凝土梁的受力性能
Brown V L等学者的研究结果表明，纤维塑料筋混凝土梁的结构性能在很多方面类似于普通钢筋混凝土，但由于纤维塑料筋的弹性模量低，纤维塑料筋混凝土梁的挠度要比相应的钢筋混凝土梁大3～4倍。
此外，尽管纤维塑料筋不像钢筋那样具有明显的屈服点，但随着应变的不断增加，纤维产生磨损以及纤维塑料筋外表面的肋发生断裂，这些都可能造成纤维塑料筋与混凝土之间的粘结滑移。
薛伟辰博士对纤维塑料筋混凝土梁的设计提出了建议，他认为纤维塑料筋混凝土梁的正截面设计可以按照普通混凝土梁正截面的设计方法进行，前提是必须合理确定纤维塑料筋的名义屈服强度。他还给出了纤维塑料筋名义屈服强度的建议值；纤维塑料筋混凝土梁的裂缝间距、裂缝宽度和挠度的计算公式也与普通混凝土梁的计算公式相同。
为充分利用纤维塑料筋的高强度，施加预应力是有效的方法。从目前国外对纤维塑料筋预应力混凝土梁受力性能的研究来看，这些梁都具有良好的短期承载性能，在加入适量的普通钢筋后，可以明显改善梁的延性，其荷载—位移曲线将类似于普通钢筋混凝土梁，为三折线型。
Dolan C W等人的对比试验表明，纤维塑料筋在梁破坏前始终保持弹性，由于纤维塑料筋和混凝土都是脆性材料，所有纤维塑料预应力筋的破坏都是突然的，但由于挠度较大，故破坏前有明显的预兆；加入普通钢筋后可使纤维塑料筋预应力混凝土梁的挠度减小并能提高延性；与纤维塑料筋普通混凝土梁类似，纤维塑料筋预应力混凝土梁的跨中挠度、裂缝宽度等均较钢丝束预应力混凝土梁偏大。薛伟辰博士通过试验认为有粘结预应力纤维塑料筋混凝土梁的有效预应力、正截面抗裂度和正截面强度的设计计算都可以按照普通预应力混凝土梁的设计方法进行。
3、环氧树脂涂层钢筋生产工艺
3.1　环氧树脂涂层钢筋的生产工艺
环氧树脂涂层钢筋是一种在普通钢筋表面制作一层环氧树脂薄膜保护层的钢筋，涂层厚度一般在0.15～0.30 mm。经国外的大量研究和多年的工程应用表明，采用这种钢筋能有效地防止处于恶劣环境下的钢筋被腐蚀，从而大大提高工程结构的耐久性。
涂层一般采用环氧树脂粉末以静电喷涂方法制作：将普通钢筋表面进行除锈、打毛等处理后加热到230 ℃左右，再将带电的环氧树脂粉末喷射到钢筋表面，粉末颗粒吸附在钢筋表面，并与钢筋熔融结合，经过一定条件的养护固化后便形成一层完整、连续、包裹住整个钢筋表面的环氧树脂薄膜保护层。环氧树脂涂层以其不与酸、碱等反应，具有极高的化学稳定性和延性大、干缩小，与金属表面具有极佳的粘着性的特点，在钢筋表面形成了阻隔钢筋与外界电流接触的功能而被认为是化学电离子防腐屏障。
3.2　环氧树脂涂层钢筋的粘结锚固性能
涂层钢筋由于表面光滑，故与混凝土的粘结锚固性能减弱。
国际标准组织ISO 14654(1995工作草案)及美国ASTM A775M－95a规定，涂层钢筋与普通钢筋的相对粘结强度C/U不低于85％。
日本规范“使用环氧树脂涂层钢筋的钢筋混凝土的设计施工指南(草案)”规定涂层钢筋的允许粘结强度取普通钢筋的80％。
中国建筑科学研究院的徐有邻等人的研究成果表明，涂层变形钢筋的粘结锚固强度比无涂层钢筋在一般条件下降低10％左右，在最不利条件下降低不超过20％。此处“最不利条件”指箍筋和混凝土保护层厚度的影响，对于外形相同的月牙纹钢筋而言，涂层钢筋的锚固长度应比无涂层钢筋增加25％左右，亦即锚固长度为其1.25倍。
东南大学的许清风建议，取没有箍筋约束的环氧树脂钢筋锚固长度的增大系数为1.35；当有构造要求的箍筋约束时，取环氧树脂钢筋锚固长度的增大系数为1.20。
针对环氧涂层光圆钢筋的粘结锚固问题，我们做了大量的试验，认为我国的行业标准中关于环氧涂层钢筋的粘结锚固长度的规定是针对带肋钢筋而言的，不适用于环氧涂层光圆钢筋。
根据试验结果，我们建议环氧涂层光圆无钩钢筋与混凝土之间的粘结强度应取为无涂层钢筋粘结强度的50％，涂层钢筋的锚固长度应取为不小于有关设计规范规定的相同等级和规格的无涂层钢筋锚固长度的1.25倍，光圆钢筋采取机械锚固措施后锚固强度基本不成问题，可以按普通钢筋的有关规定执行。
3.3　环氧涂层混凝土梁的受力性能及设计方法
薛伟辰博士提出了环氧树脂混凝土梁的设计建议为：环氧树脂混凝土梁的正截面设计可按普通钢筋混凝土梁的设计方法进行；环氧树脂混凝土梁在使用荷载下裂缝间距和最大裂缝宽度的计算按下式进行：
Lcr=α2·α4·(3c＋0.1d/ρet)
ωmax=α1·α2·α3·α4·σs·(3c＋0.1d/ρet)/Es
式中α4为考虑环氧涂层钢筋的影响系数，取1.1，其它符号的意义见《水工混凝土结构设计规范》；环氧树脂混凝土梁的挠度计算可按普通钢筋混凝土梁的挠度计算方法进行。
中国建筑科学研究院的聂永明所做实验结果显示：配涂层钢筋的构件其受弯承载能力与普通钢筋构件基本一致；在包括搭接钢筋之间相对滑移对刚度的影响时，配涂层钢筋的构件刚度比普通钢筋构件降低11.3％，如果除去搭接钢筋之间相对滑移的影响，则刚度降低不明显；配涂层钢筋的构件开裂荷载提高了6.6％，平均裂缝间距增加了10.8％。他建议配涂层钢筋构件的开裂荷载、裂缝间距、裂缝宽度仍可采用目前规范方法计算，在设计中应按规范要求配置必要的箍筋。
4、结　论
纤维塑料筋及环氧树脂涂层钢筋，用于混凝土结构中可提高结构的耐久性，它们在国外已有了较长时间的应用实践，并取得了较好的效果。因此我们有充分的理由相信它们在国内的应用前景非常广阔。但目前这2种材料存在的一个共同问题是价格较高(当然这是指前期投入，从长期来看节约的维修费用更可观)，加上体制方面的原因，严重阻碍了产品的推广应用，现在有许多专家积极呼吁政府出面解决此问题。从目前这2种材料国内的研究应用进展来看，环氧涂层钢筋已有了行业标准，国内也有了生产厂家，并被国内的一些重点工程如北京西客站等大量采用，它的价格比纤维塑料筋也便宜得多，因此可以说它是目前国内最好的防腐钢筋。而纤维塑料筋的原材料还需要进口，国内还没有相应的行业标准，应用研究还需进一步深入。