环氧树脂钢筋
摘 要： 在论述海洋及氯盐环境中钢筋混凝土构件腐蚀机理基础上，提出环氧涂层钢筋是防止锈蚀的有效方法。同时论述由于涂层引起钢筋粘结性能的改变，并从各国规范上说明对此采取相应的措施。 关键词：环氧涂层钢筋 粘结性能
中国图书分类号：TU511.32 文献标识码：A
1 钢筋腐蚀现状
国内外工程耐久性状况的调查表明，在混凝土结构中因钢材腐蚀引起建(构)筑物破坏造成的损失是十分惊人的。我国据有关专家估计，每年因钢筋锈蚀造成的损失不低于上百亿人民币。如北方地区，桥梁撒除冰盐，盐水渗人到钢筋混凝土桥面板中引起钢筋严重锈蚀，混凝土遭到严重破坏。其次；在海港工程中，钢筋的锈蚀甚为严重，50年代至70年代建的高桩码头不到20年,甚至7～8年就出现严重钢筋锈蚀破坏,钢筋防锈是一个迫切需要解决的大问题。
2 钢筋腐蚀机理
混凝土中钢筋腐蚀是一种电化学过程,与混凝土中液相介质的不均匀性和钢筋表面本身的不均匀性而引起的阴极区和阳极区有关,其电化学腐蚀过程的反应为:
阳极区:2Fe→2Fe+4ｅ 阴极区:2H2O+O2+4ｅ →4OH 2Fe+2H20+O2→2Fe+4OH→2Fe(OH)2
腐蚀产物2Fe(OH)2的体积比钢筋被侵蚀的体积大(2～3)倍，产生体积膨胀力使钢筋周围混凝土承受的拉应力超过混凝土抗拉强度时就会产生顺筋裂缝。通常，制备良好的混凝土由于具有高碱性(PH值为12.5～13)，钢筋处在这种高碱性条件下会发生碱腐蚀，在极短的时间内钢筋表面迅速形成十分致密的Fe3O4和Fe2O3膜，即钝化膜，可防止钢筋进—步腐蚀。但钢筋表面的钝化膜遭到破坏，钢筋才可能进一步腐蚀。钝化膜遭到破坏的机理；一是混凝土的碳化，二是氯离子的侵入，氯离子是一种极强的阳极活化剂，当氯离子渗透到钢筋周围达到一定的浓度(临界浓度)就会破坏钢筋钝化膜，导致钢筋产生电化学腐蚀。由于海水和盐中有丰富的氯离子，因此，处于海洋环境中的混凝土结构，氯离子的渗入是引起钢筋腐蚀的最主要原因。
2+
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3 防止的措施
防止钢筋锈蚀研究了多种方法，有提高混凝土的密实性，混凝土表面涂层，钢筋阻锈剂，阴极防护，环氧涂层钢筋及采用不锈钢钢筋，其中环氧树脂涂层钢筋就是其中一种行之有效的防止钢筋锈蚀的措施。
环氧涂层钢筋是将带电的环氧树脂粉末颗粒(具有一定的吸附性)静电喷涂在业已加热的钢筋表面，粉末遇热熔化，并很快固化，冷却后便形成十分牢固地粘着在钢筋表面的连续涂层。环氧树脂涂层不与酸、碱发生反应，具有极高的化学稳定性，同时还具有延性大、干缩小，与金属表面有极佳的粘结性， 是在金属表面制作防腐保护膜的理想材料。
由于涂层在钢筋表面形成了电绝缘层，即使在盐透入混凝土的情况下，可保护钢筋免受氯离子的侵蚀。在美国佛罗里达曾进行环氧涂层钢筋与普通钢筋性能的海洋暴露对比试验，对9根混凝土桩进
行了长达9年的观察。试验结果表明，配普通钢筋的桩不到4年即呈现出腐蚀现象，而配涂层钢筋的桩暴露4年则未观察到任何腐蚀；9年后普通钢筋损坏严重，而从桩中取出涂层钢筋在试验室作剖检，没有发现任何腐蚀或涂层退化变坏现象。另有资料显示，对美国宾夕法尼亚州24座桥的现场调查表明，配普通钢筋的桥面板使用10年后约有40%出现损坏现象，但配涂层钢筋的桥面板未见由钢筋腐蚀引起损坏的迹象。
4 采用环氧树脂钢筋对混凝土粘结性能的影响
4．1 环氧树脂钢筋对混凝土粘结性能影响 钢筋与混凝土之间的粘结锚固作用由三部分组成: (l)混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶结力； (2)钢筋与混凝土接触面上的摩阻力；
(3)钢筋表面轧制的横肋与混凝土咬合齿的机械咬合作用。
变形钢筋与混凝土的粘结强度主要为钢筋表面轧制的横肋与混凝土咬合齿的机械咬合作用.如图1所示，在配涂层钢筋的构件中，上述(l)和(2)项作用受到较大削弱，钢筋对混凝土挤压径向分力比普通钢筋的大。因此，用涂层钢筋后，混凝土纵向劈裂裂缝发展更早且更为严重，降低了钢筋与混凝土的粘结性能。
4．2 环氧树脂钢筋粘结性能研究成果
为此，国内外许多专家学者进行了实验及研究，取得了一定的成果，聂永明在文献中， 通过18组共36根对比试验梁受弯性能分析；得出:
(l)构件的受弯承载力基本一致，配涂层钢筋不影响构件承载能力；
(2)涂层钢筋的搭接锚固强度比普通钢筋小，平均降低约13.8%。在设计时应增加涂层钢筋的搭接长度；
(3)配涂层钢筋的构件刚度略有降低，平均降低11.3，如果除去搭接钢筋之间相对滑移的影响，配涂层钢筋的环氧树脂涂层对刚度降低的影响不明显；
(4) 配涂层钢筋的构件开裂荷载稍有提前，约为6.6%，平均裂缝间距稍有增加，约为10.8%，平均裂缝宽度亦稍有增大；
徐有邻等在文献中，对6组70个试件进行拉拔试验，得出: (1)涂层钢筋粘结锚固刚度减小，滑移不仅发生较早，且数值较大；
(2)涂层钢筋的粘结锚固强度比无涂层钢筋降低.在一般情况下降低10%左右，在最不利条件下降低不超过20%；
(3)围箍作用对涂层钢筋的锚固受力持别重要。因此涂层钢筋的混凝土保护层中必须配置钢箍或围箍钢筋；
(4)钢筋表面的环氧涂层薄膜经拉拔试验后仍未破坏。证明我国涂膜技术及涂层钢筋的抗腐蚀质量是可靠的；
[2]
[1]
(5)对于外形相同的月牙肋钢筋而言，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；
文献在34块环氧涂层钢筋混凝土板试验的基础上，对其疲劳性能进行了研究。研究结论有: (1)环氧涂层钢筋混凝土板的裂缝宽度比普通钢筋混凝土板稍宽，但随着重复荷载的不断施加，两者之间的差异有减小的趋势；
(2)环氧涂层钢筋与普通钢筋的粘结强度之比介于0.75～0.80之间，但随着重复荷载的不断施加，两者与混凝土之间粘结强度的差别减小；
(3)环氧涂层钢筋混凝土板与普通钢筋混凝土板在使用荷载下的挠度并无明显区别。
[3]
5 各规范标准对环氧涂层钢筋具体要求 5.1各规范标准对涂层质量检测要求
中国行业标准JG3042-1997与国外标准对涂层钢筋质量检验要求的对照 表1
Table1 Comparison for Expoxy-coated bar quality test between China Guild Specification and foreign Specification
一个厚度记录值为3个相邻肋间厚度量测值的平均值5.2 各规范标准对涂层钢筋粘接强度和锚固长度的要求
日本的《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)》中规定环氧树脂钢筋和混凝土的容许粘结强度原则上是非涂层钢筋与混凝土粘结强度的80%，涂层钢筋与混凝土的容许搭接应力亦取普通钢筋与混凝土搭接应力的80%
[4]
。
美国标准《环氧树脂涂装钢筋的标准细则》A775/A775M-95a中规定涂装钢筋的平均临界粘结强度不应小于无涂层钢筋平均强度的80%。
美国钢筋混凝土房屋建筑规范ACI318-89(1992年修订版)、1994年美国统一建筑规范(UNIFORM
[5]
BUILDING CODE)和1989年美国各州公路及运输官员协会(AASHTO)规范中对钢筋的锚固长度及搭接长度均有规定，采用普通钢筋的锚固长度与修正系数的乘积计算，有关的修正系数详见表2。
表2 计算锚固长度时环氧树脂涂层钢筋的修正系数
*
Table2 Modifying properties for Expoxy-coated bar at calculate Anchorage lengthen
* 涂层钢筋(钢丝)的锚固长度=普通钢筋(钢丝)的锚固长度x(本表中的)修正系数.
**顶部钢筋-在构件中水平设置的在锚固长度或接头下面新浇筑混凝土的厚度大于300mm的钢筋.
我国行业标准《环氧树脂涂层钢筋》(JG3042-1997)中规定:涂层钢筋与混凝土间的粘结强度应取为无涂层钢筋粘结强度的80%；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，涂层钢筋的帮扎搭接长度，对受拉钢筋， 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1.5倍且不小于375mm，对受压钢筋， 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1.0倍且不小于250mm。
我国海港工程混凝土结构防腐技术规范JTJ275-2000中对涂层钢筋与混凝土间的粘结强度，涂层钢筋的锚固长度要求同《环氧树脂涂层钢筋》行业标准，同时规定在计算采用环氧涂层钢筋的混凝土构件的承载力、裂缝宽度和刚度计算方法与无环氧涂层构件相同，但裂缝宽度计算值应为无环氧涂层钢筋的1.2倍，刚度计算值为无环氧涂层钢筋的0.9倍。
混凝土结构设计规范GB50010-2002在计算构件中，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度计算时，其受拉区钢筋的相对粘结特征系数为无涂层钢筋的0.8。同时涂层钢筋的锚固长度修正同《环氧树脂涂层钢筋》行业标准。
[6]
6 结束语
由于环氧树脂涂层改变了钢筋的表面状况，使钢筋与混凝土之间的粘结强度受到一定削弱，但可在设计和构造上采取相应的措施来弥补涂层钢筋粘结强度降低的影响，同时使用涂层钢筋在工程总造价中费用增加不到1%，却大大延长了结构的使用寿命和增加了结构可靠性，减少了日后的维修费用。以环氧涂层钢筋代替普通钢筋，正在成为防腐蚀的一项重要措施。
参考文献：
[1] 聂永明,环氧树脂涂层钢筋搭接长度及梁受弯性能试验研究[J].水运工程,1999,(8)
[2] 徐有邻，刘立新，管品武等, 环氧树脂涂层钢筋锚固性能及设计方法[J]. 水运工程,1999,(8) [3] Hasan H O，et al. performance of Concrete Bridge Decks and Slabs Reinforced with Epoxy-coated Steel under Repeated Loading.ACI，1996，93(4)
[4] American Association of State Highway and TransPortation officials .Standard Specification for Highway Bridges[M].Washington，D.C.1989.
[5] 孟履祥,陶学康 环氧树脂涂装钢筋的标准细则(美标ASTM中译本)[Ｍ] 中国建筑科学研究院研究报告,1997
[6] JG3042-1997,环氧树脂涂层钢筋[S]
环氧树脂钢筋
摘 要： 在论述海洋及氯盐环境中钢筋混凝土构件腐蚀机理基础上，提出环氧涂层钢筋是防止锈蚀的有效方法。同时论述由于涂层引起钢筋粘结性能的改变，并从各国规范上说明对此采取相应的措施。 关键词：环氧涂层钢筋 粘结性能
中国图书分类号：TU511.32 文献标识码：A
1 钢筋腐蚀现状
国内外工程耐久性状况的调查表明，在混凝土结构中因钢材腐蚀引起建(构)筑物破坏造成的损失是十分惊人的。我国据有关专家估计，每年因钢筋锈蚀造成的损失不低于上百亿人民币。如北方地区，桥梁撒除冰盐，盐水渗人到钢筋混凝土桥面板中引起钢筋严重锈蚀，混凝土遭到严重破坏。其次；在海港工程中，钢筋的锈蚀甚为严重，50年代至70年代建的高桩码头不到20年,甚至7～8年就出现严重钢筋锈蚀破坏,钢筋防锈是一个迫切需要解决的大问题。
2 钢筋腐蚀机理
混凝土中钢筋腐蚀是一种电化学过程,与混凝土中液相介质的不均匀性和钢筋表面本身的不均匀性而引起的阴极区和阳极区有关,其电化学腐蚀过程的反应为:
阳极区:2Fe→2Fe+4ｅ 阴极区:2H2O+O2+4ｅ →4OH 2Fe+2H20+O2→2Fe+4OH→2Fe(OH)2
腐蚀产物2Fe(OH)2的体积比钢筋被侵蚀的体积大(2～3)倍，产生体积膨胀力使钢筋周围混凝土承受的拉应力超过混凝土抗拉强度时就会产生顺筋裂缝。通常，制备良好的混凝土由于具有高碱性(PH值为12.5～13)，钢筋处在这种高碱性条件下会发生碱腐蚀，在极短的时间内钢筋表面迅速形成十分致密的Fe3O4和Fe2O3膜，即钝化膜，可防止钢筋进—步腐蚀。但钢筋表面的钝化膜遭到破坏，钢筋才可能进一步腐蚀。钝化膜遭到破坏的机理；一是混凝土的碳化，二是氯离子的侵入，氯离子是一种极强的阳极活化剂，当氯离子渗透到钢筋周围达到一定的浓度(临界浓度)就会破坏钢筋钝化膜，导致钢筋产生电化学腐蚀。由于海水和盐中有丰富的氯离子，因此，处于海洋环境中的混凝土结构，氯离子的渗入是引起钢筋腐蚀的最主要原因。
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3 防止的措施
防止钢筋锈蚀研究了多种方法，有提高混凝土的密实性，混凝土表面涂层，钢筋阻锈剂，阴极防护，环氧涂层钢筋及采用不锈钢钢筋，其中环氧树脂涂层钢筋就是其中一种行之有效的防止钢筋锈蚀的措施。
环氧涂层钢筋是将带电的环氧树脂粉末颗粒(具有一定的吸附性)静电喷涂在业已加热的钢筋表面，粉末遇热熔化，并很快固化，冷却后便形成十分牢固地粘着在钢筋表面的连续涂层。环氧树脂涂层不与酸、碱发生反应，具有极高的化学稳定性，同时还具有延性大、干缩小，与金属表面有极佳的粘结性， 是在金属表面制作防腐保护膜的理想材料。
由于涂层在钢筋表面形成了电绝缘层，即使在盐透入混凝土的情况下，可保护钢筋免受氯离子的侵蚀。在美国佛罗里达曾进行环氧涂层钢筋与普通钢筋性能的海洋暴露对比试验，对9根混凝土桩进
行了长达9年的观察。试验结果表明，配普通钢筋的桩不到4年即呈现出腐蚀现象，而配涂层钢筋的桩暴露4年则未观察到任何腐蚀；9年后普通钢筋损坏严重，而从桩中取出涂层钢筋在试验室作剖检，没有发现任何腐蚀或涂层退化变坏现象。另有资料显示，对美国宾夕法尼亚州24座桥的现场调查表明，配普通钢筋的桥面板使用10年后约有40%出现损坏现象，但配涂层钢筋的桥面板未见由钢筋腐蚀引起损坏的迹象。
4 采用环氧树脂钢筋对混凝土粘结性能的影响
4．1 环氧树脂钢筋对混凝土粘结性能影响 钢筋与混凝土之间的粘结锚固作用由三部分组成: (l)混凝土中水泥胶体与钢筋表面的化学胶结力； (2)钢筋与混凝土接触面上的摩阻力；
(3)钢筋表面轧制的横肋与混凝土咬合齿的机械咬合作用。
变形钢筋与混凝土的粘结强度主要为钢筋表面轧制的横肋与混凝土咬合齿的机械咬合作用.如图1所示，在配涂层钢筋的构件中，上述(l)和(2)项作用受到较大削弱，钢筋对混凝土挤压径向分力比普通钢筋的大。因此，用涂层钢筋后，混凝土纵向劈裂裂缝发展更早且更为严重，降低了钢筋与混凝土的粘结性能。
4．2 环氧树脂钢筋粘结性能研究成果
为此，国内外许多专家学者进行了实验及研究，取得了一定的成果，聂永明在文献中， 通过18组共36根对比试验梁受弯性能分析；得出:
(l)构件的受弯承载力基本一致，配涂层钢筋不影响构件承载能力；
(2)涂层钢筋的搭接锚固强度比普通钢筋小，平均降低约13.8%。在设计时应增加涂层钢筋的搭接长度；
(3)配涂层钢筋的构件刚度略有降低，平均降低11.3，如果除去搭接钢筋之间相对滑移的影响，配涂层钢筋的环氧树脂涂层对刚度降低的影响不明显；
(4) 配涂层钢筋的构件开裂荷载稍有提前，约为6.6%，平均裂缝间距稍有增加，约为10.8%，平均裂缝宽度亦稍有增大；
徐有邻等在文献中，对6组70个试件进行拉拔试验，得出: (1)涂层钢筋粘结锚固刚度减小，滑移不仅发生较早，且数值较大；
(2)涂层钢筋的粘结锚固强度比无涂层钢筋降低.在一般情况下降低10%左右，在最不利条件下降低不超过20%；
(3)围箍作用对涂层钢筋的锚固受力持别重要。因此涂层钢筋的混凝土保护层中必须配置钢箍或围箍钢筋；
(4)钢筋表面的环氧涂层薄膜经拉拔试验后仍未破坏。证明我国涂膜技术及涂层钢筋的抗腐蚀质量是可靠的；
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[1]
(5)对于外形相同的月牙肋钢筋而言，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；
文献在34块环氧涂层钢筋混凝土板试验的基础上，对其疲劳性能进行了研究。研究结论有: (1)环氧涂层钢筋混凝土板的裂缝宽度比普通钢筋混凝土板稍宽，但随着重复荷载的不断施加，两者之间的差异有减小的趋势；
(2)环氧涂层钢筋与普通钢筋的粘结强度之比介于0.75～0.80之间，但随着重复荷载的不断施加，两者与混凝土之间粘结强度的差别减小；
(3)环氧涂层钢筋混凝土板与普通钢筋混凝土板在使用荷载下的挠度并无明显区别。
[3]
5 各规范标准对环氧涂层钢筋具体要求 5.1各规范标准对涂层质量检测要求
中国行业标准JG3042-1997与国外标准对涂层钢筋质量检验要求的对照 表1
Table1 Comparison for Expoxy-coated bar quality test between China Guild Specification and foreign Specification
一个厚度记录值为3个相邻肋间厚度量测值的平均值5.2 各规范标准对涂层钢筋粘接强度和锚固长度的要求
日本的《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)》中规定环氧树脂钢筋和混凝土的容许粘结强度原则上是非涂层钢筋与混凝土粘结强度的80%，涂层钢筋与混凝土的容许搭接应力亦取普通钢筋与混凝土搭接应力的80%
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美国标准《环氧树脂涂装钢筋的标准细则》A775/A775M-95a中规定涂装钢筋的平均临界粘结强度不应小于无涂层钢筋平均强度的80%。
美国钢筋混凝土房屋建筑规范ACI318-89(1992年修订版)、1994年美国统一建筑规范(UNIFORM
[5]
BUILDING CODE)和1989年美国各州公路及运输官员协会(AASHTO)规范中对钢筋的锚固长度及搭接长度均有规定，采用普通钢筋的锚固长度与修正系数的乘积计算，有关的修正系数详见表2。
表2 计算锚固长度时环氧树脂涂层钢筋的修正系数
*
Table2 Modifying properties for Expoxy-coated bar at calculate Anchorage lengthen
* 涂层钢筋(钢丝)的锚固长度=普通钢筋(钢丝)的锚固长度x(本表中的)修正系数.
**顶部钢筋-在构件中水平设置的在锚固长度或接头下面新浇筑混凝土的厚度大于300mm的钢筋.
我国行业标准《环氧树脂涂层钢筋》(JG3042-1997)中规定:涂层钢筋与混凝土间的粘结强度应取为无涂层钢筋粘结强度的80%；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，涂层钢筋的帮扎搭接长度，对受拉钢筋， 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1.5倍且不小于375mm，对受压钢筋， 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1.0倍且不小于250mm。
我国海港工程混凝土结构防腐技术规范JTJ275-2000中对涂层钢筋与混凝土间的粘结强度，涂层钢筋的锚固长度要求同《环氧树脂涂层钢筋》行业标准，同时规定在计算采用环氧涂层钢筋的混凝土构件的承载力、裂缝宽度和刚度计算方法与无环氧涂层构件相同，但裂缝宽度计算值应为无环氧涂层钢筋的1.2倍，刚度计算值为无环氧涂层钢筋的0.9倍。
混凝土结构设计规范GB50010-2002在计算构件中，按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度计算时，其受拉区钢筋的相对粘结特征系数为无涂层钢筋的0.8。同时涂层钢筋的锚固长度修正同《环氧树脂涂层钢筋》行业标准。
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6 结束语
由于环氧树脂涂层改变了钢筋的表面状况，使钢筋与混凝土之间的粘结强度受到一定削弱，但可在设计和构造上采取相应的措施来弥补涂层钢筋粘结强度降低的影响，同时使用涂层钢筋在工程总造价中费用增加不到1%，却大大延长了结构的使用寿命和增加了结构可靠性，减少了日后的维修费用。以环氧涂层钢筋代替普通钢筋，正在成为防腐蚀的一项重要措施。
参考文献：
[1] 聂永明,环氧树脂涂层钢筋搭接长度及梁受弯性能试验研究[J].水运工程,1999,(8)
[2] 徐有邻，刘立新，管品武等, 环氧树脂涂层钢筋锚固性能及设计方法[J]. 水运工程,1999,(8) [3] Hasan H O，et al. performance of Concrete Bridge Decks and Slabs Reinforced with Epoxy-coated Steel under Repeated Loading.ACI，1996，93(4)
[4] American Association of State Highway and TransPortation officials .Standard Specification for Highway Bridges[M].Washington，D.C.1989.
[5] 孟履祥,陶学康 环氧树脂涂装钢筋的标准细则(美标ASTM中译本)[Ｍ] 中国建筑科学研究院研究报告,1997
[6] JG3042-1997,环氧树脂涂层钢筋[S]