海港工程钢筋混凝土结构热喷涂阳极防护涂层技术.pdf

1 0 8 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 海港工程钢筋混凝土结构热喷涂阳极防护涂层技术 易春龙，沈亚郯，安云岐，洪伟 中国矿业大学江苏中矿大正表面工程技术有限公司，江苏徐州，2 2 1 0 0 8 摘要介绍了一种海港工程钢筋混凝土结构采用热喷涂阳极防护涂层技术来进行腐蚀防护的方法，就热 喷涂防护原理、阳极涂层材料、施工工艺和质量控制等方面进行了分析和总结，也同时介绍了钢筋混凝 土表面上热喷涂阳极涂层的修补技术和国外的应用实例． 关键词钢筋混凝土；热喷涂；阳极涂层；防腐蚀 中图分类号T G l 7 4 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 S o ～0 1 0 8 一0 4 T h e r m a lS p r a y i n gA n o d eC o a t i n g so nH a r b o rS t e e lR e i n f o r c e dC o n c r e t e Y IC h u n l o n g ，S H E NY a - t a n ，A NY u n q i ，H O N GW e i J i a n g s uC U M TD a z h e n gC o ．，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 1 0 0 8 。C h i n a A b s t r a c t T h e r m a ls p r a y i n ga n o d ec o a t i n g so nh a r b o rs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t ea r ei n t r o d u c e da sa ne x c e l l e n t c o r r o s i o np r o t e c t i o nt e c h n o l o g y ．M a i nc o n t e n t so ft h ep r i n c i p l eo fc o r r o s i o np r o t e c t i o n ，t h e r m a ls p r a y i n g a n o d ec o a t i n gm a t e r i a l s ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dq u a l i t yc o n t r o lm e t h o d sarea n a l y z e d ．R e p a i rm e t h o d a n da p p l i c a t i o n so ft h e r m a ls p r a y i n ga n o d ec o a t i n g so nh a r b o rs t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t ea r ea l s od e s c r i b e d ． K e y w o r d s S t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e ；T h e r m a ls p r a y i n g ；A n o d ec o a t i n g ；C o r r o s i o np r o t e c t i o n 钢筋混凝土是海港工程中非常重要的结构材 料，但在海洋严重腐蚀环境下，其腐蚀和耐久性问题 日益引起政府、专家学者和防腐工程师们的重视。 据调查，我国海港工程钢筋混凝土结构的腐蚀现象 普遍存在，大多数混凝土结构达不到设计寿命。 1 9 8 1 年我国调查华南地区1 8 座混凝土码头中，钢 筋锈蚀破坏或不耐久的占8 9 ％，使用寿命最短的仅 为7 年，最长的为2 5 年。因此，重视海港工程混凝 土结构的耐久性设计并采用有效的防腐蚀措施，是 保证混凝土结构在设计使用年限内的安全和正常使 用功能的关键[ 1 ] 。海港工程钢筋混凝土结构经常采 用的防腐蚀措施有高性能混凝土、混凝土表面涂层 保护、硅烷浸渍保护、环氧涂层钢筋和钢筋阻锈剂 等。混凝土结构中钢筋的腐蚀还可以通过阴极保护 系统来防止，通常有外加电流和挂牺牲阳极块这两 种阴极保护方法。在混凝土表面上进行热喷涂阳极 涂层则是本文要重点介绍的另一种防腐蚀方法。 作者简介易春龙 1 9 7 4 - - ．男，湖南衡阳市人。博士，技术总监． 热喷涂技术在2 0 世纪之初起源于欧洲，现已经 作为长效防腐蚀涂层技术而被人们广泛接受。第十 五届国际热喷涂大会 I T S C ’9 8 上T i n n e aJS 等人 作了热喷涂锌涂层阴极保护系统在海洋环境下四座 桥梁和一座船坞上应用的研究报告[ 2 ] 。这些阴极保 护系统中，纯锌作为阳极性涂层材料都被喷涂在保 护部位整个表面上。所有的钢筋混凝土结构在阴极 保护前都出现了肉眼可见的钢筋腐蚀损坏，如表面 混凝土的剥落、断裂和起皮。研究结果表明混凝土 上热喷涂锌涂层阴极保护系统没有钢筋腐蚀造成的 混凝土破坏现象，这些系统中使用时间最长的已达 十年，而不使用这种阳极防护涂层的构件在两年内 就会产生导致混凝土破损的腐蚀现象。 1 钢筋混凝土热喷涂阳极涂层防护原 理 钢筋混凝土表面热喷涂锌等阳极涂层保护钢筋 万方数据 蠢色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增礴 1 0 9 的原理在于均布的锌等阳极性涂层 阳极 与钢筋 阴极 形成了阴极保护系统，如瑟l 所拳。国外骈 究机构的试验研究结论认为，对于钢筋混凝土构件 应用热喷涂层是最适合的，无论垂直、顶部、还是无 规虽| l 形状混凝表甏，这耪酲极保护系统效果显著， 而且具有审美效果。1 9 9 7 年德国G r i l l o - w e r k eA G 公司发明了一种在混凝土表面电弧喷锌涂层再加涂 有撬涂瑟的复合涂鼷技零，热躐2 ，它霹泼应用于恶 劣环境下的混凝土结构，并可以将锌涂层寿命延长 至2 0 年以上。该有机涂层不仅可封闭了喷涂锌涂 层的徽孔，还将缕镑涂层鹃附麓力簌封麓前懿l 。0 - - - 2 ．0M P a 提高到封闭后的2 ．5 ～3 ．5M P a ，复合涂 层的耐蚀寿命也明显提高[ 3 ] 。 圈2 混凝表面热嚷涂加有机 涂鼷豹复合涂矮 F i g ．2 T h e r m a ls p r a y i n gc o a t i n gp l u s o r g a n i cc o a t i n ga p p l i e do nc o n c r e t e 2 钢筋混凝土热喷涂阳极涂层材料 纯锌是钢筋混凝土结构防护中最常用的阳极性 涂层材料，可采用火焰喷涂或电弧喷涂工艺。1 9 8 3 年金属镑涂层的蘸摄保护系统最先纛鼹予懿髑的l 基 金山湾的R i c h m o n d ／S a nR a f a e l 桥的桥墩上。因为 锌涂层是金属性的，导电性良好，只需要少许的导电 片连接滢凝主基体。热喷涂锌涂层霹在混凝主缎掏 的垂直表面、角落和内侧施工，与阳极块和外加电流 的阴极保护系统相比，热喷涂锌阳极涂层的保护电 流分奄更为鸶匀，笆泽美残。 钢筋混凝土结构热喷涂阳极涂层材料除了锌外 还有纯铝、锌铝合金、铝合金等。F H W A 研究和测 试了包括缝锌、缝铝、Z n - A l 合金、A 1 - Z n 合金、众l l M g 含企、A 1 - Z n - M g 合金、A 1 一Z n - S n 含金、A i - Z n - I n 合金在内的热喷涂阳极涂层材料，其研究结果表明 王 这整陋投豺辩在高湛穰态湿度的条件下，掰蠢疆 极系统性能良好，都可以提供充足的电流； 2 谯低 温和低湿度条件下，大部分阳极材料都不能对混凝 主中酶镪结构佟提供保护； 3 蘧环境P H 值的降 低，所有阳极材料的电流输出和电压都降低了。 A l 2 0 一Z n - I n 0 ．2 被认为是最适合发展的合 金阳极材料，蠢为它有着最低的陌极极化，在所有环 境中都能保证相对活化的静电势。在F l o r i d a ， P e n n s y l v a n i a ，V i r g i n i a 等州进行了与纯锌阳极的2 年对照实验，结聚表鹱电弧喷涂A 1 - Z n - I n 合金涂 层可产生相对子锌涂层有更高的更稳定的阴极保护 电流，而且其涂滕附着力楣对锌阳极来说也更好。 A l Z n - I n 台金翻锌台金在3 0 5 越m 的涂层厚度时都 有望保证钢筋混凝土结构具有超过1 5 年的防护寿 命。 热喷涂钛阳极也是一种鬻极材料，E l g a r d 公司 拥有这种涂层系统的专利权。热喷涂钛阳极系统的 研究动因在于想婿发一种防护有效性裰当子钛阏涂 覆层，衙又不会像钛网一样与涂覆层闻存在结含脱 附问题的新材料。热喷涂钛阳极系统也需要一种催 化剂，以防止钛的钝化程氧化膜的形成导致的电流 下降的问题。美国俄勒阏交通部门在1 9 9 6 年对 D e p o eB a y 实施现场热喷涂钛层阴极保护工程。 3 钢筋混凝土热喷涂阳极涂层工艺 3 ．1 袭面处理 混凝和外露镶筋的表露处理对热囔涂隧极涂 层的应用是必要的。混凝土表面要求清除油脂、灰 万方数据 1 1 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 尘和疏松物质。对混凝土应进行磨料喷砂清理，并 用清扫、空气吹或真空吸等方式清除喷过砂的混凝 主表面的新骞灰尘释巯松襄耄隗酶物震。对外露锶簏 采用磨料喷砂以除去表面的油、脂、锈、灰尘和疏松 物质，这是达到S a 2 ．5 级液面清洁度所必须的。这 也是确保钢筋混凝土表磁与热喷涂阳极涂层之闻良 好结合的美键。 表面处理的工艺步骤是机械去除已污染的混 凝土层；用磨料对暴露的钢筋和周围的混凝土层进 行喷砂处理；暴露的钢筋清理到S a 2 ．5 级，周围区域 憨混凝竣轻微缕砂到“变色”条箨。“变毯”条件是 砂和混凝土都为干燥时，裘西清洁的标准；喷砂后， 强风鼓吹混凝土表面以除去残渣。 3 ．2 热喷涂 在钢筋混凝上热喷涂阳极涂层有掰种角途 作交矫魏毫流阴极保护系统的分布式酲极，载是终 为牺牲阳极阴极保护系统的牺牲阳极。作为外加电 流阴极保护系统的分布式阳极时，钢筋是被一个由 电源通过热喷涂阳极涂层提供的反向腐蚀电流来保 护的，热唼涂隧极涂层必须溺镳荔隔绝，要采取箍麓 来避免隅极涂层和钢筋之黼的短路。作为牺牲阳极 阴极保护系统的牺牲阳极时。热喷涂阳极涂层是同 钢筋互相连接的，起保护作用的反向腐蚀电流是由 阳极涂层网镪麓之闻的电位差来提供的，滔性强的 阳极涂层瑟先手钢筋发生腐蚀。 热喷涂的工艺步骤是在已经过表面处理的钢 筋混凝土裘两，采用电弧喷枪喷涂阳极涂层，喷枪离 混凝土表瑟的距离控制在2 5 0 - - - , 3 5 0m m ，反复多次 唼涂至喷涂豢厚度达妥约0 ．4m m 。 个钢筋表面清洁度和表面粗糙度“合格／不合格”施 王规范。 4 。2 混凝主上热噗涂阳极涂屡 热喷涂的质鬣控制应包括以下几方面 1 基体温度采用接触温度计或红外线温度计 来测量基体温度。 2 空气滠度、露点霸摆对瀑凌使震湿凄计溺 爨空气温度、露点和相对湿度。 3 混凝土上热喷涂阳极涂层的厚度测量方法 ①在现场可用便携式涡流测厚仪在混凝土上直接测 慧；②惩耐热获带绒锈板附在要缕涂的涯凝土上，耀 卡尺测量铁胶带上辎下的隧极涂罄厚度，或尾磁性 测厚仪测量钢板上阳极涂层的厚度。 4 外露钢筋上的热喷涂阳极涂层厚度。使用 磁性测量仅或者使用固定电子掇针测量仪来测登热 喷涂鬻极涂屡豹琢度。 5 混凝土上热喷涂现场阳极涂层附着力测试。 参照G B ／T5 2 1 0 2 0 0 6 用拉拔仪在现场测量热喷 涂阳极涂层的附鬻力。 6 弯趣试验 弯莹1 8 0 。 爱来终为表露处 理、设备调整和骥涂参数是否适懑的定性试验。弯 曲试验使热喷涂层处于张力状态。产生裂纹极值的 心轴直径取决于试板基体厚度和涂层的厚度。热喷 涂层弯睦试验会穰与否豹判定见躁3 圆。 4 施工质量控制 4 ．1 表面处理 表露处理懿凄量控裁应包括戳下几方露 1 针对喷砂蘑料污染①用带盖的小玻璃杯或 圈3 热喷涂朦弯趋试验合格翔不合格样品 小塑料杯来对喷砂磨料和喷砂系统的油污染进行定 F i g 3 T h e r m a ls p r a y i n gc o a t i n gb e n dt e s t 性试验；⑦干净的白布，弄平后用来收集和定性探测p a s s a n df a i l u r es a m p l e s 压缩空气中的湿气襁污染物a 5 热喷涂阳极涂层的修补 2 对瀑凝主表露处璎秘外露集糙①瀑凝表 面应该没有油、脂、灰尘，不潮湿，没有疏松物质，且 混凝土和带外露钢筋的混凝土表面的不合格热 外露粗集料的面积最小；②为双方认可的混凝土表 喷涂阳极涂层的修补，如过多氧化、分层、起泡、脱 面清洁度建立一个“合格／不合格，，施工规范。 落、涂层划伤和搏皮都应包括以下处理 3 对镶篾表委处理及表霹轮廓③镳麓至少应 1 透过刮、剿或两者都用憋方法清除所有不合 达到S a 2 ．5 缀和齿形表面轮廓；②喷砂时形成的表 格的热喷涂阳极涂层。在力热喷涂雨进行最后的表 面粗糙度应达到混凝土表面处理的要求；③就2 - - 两处理之前清除所有不合格的热喷涂阳极涂层。 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 1 1 1 2 摄据4 。1 条为热喷涂祗处理混凝裙镳4 为混凝主上热喷涂鼯极涂层的实爨。 筋。 4 检查热喷涂阳极涂层的厚度和与修补区域 的结合力，以符合规定的要求。 6国外应用实铡 美国F H W A 对钢筋混凝土热喷涂阳极涂层系 统进行了对长期的研究和测试，大量的桥梁混凝土 桥墩或海港漫凝主绩擒采用了熬唆涂鬻掇涂淫系统 门1 9 9 2 年将热喷涂阳极涂层系统应用于南部海洋 环境下的混凝土桥梁，喷锌和不喷锌的对照实验研 圈4 混凝土上热喷涂阳极涂层实例 究结果表暖热喷涂锌在高湿度低混凝逛阻率条件 F i g ．4 T h e r m a ls p r a y i n ga n o d ec o a t i n ga p p l i e d 下麓显著降低滢凝中内置锈筋的腐蚀强】。 o ns t e e lr e i n f o r c e dc o n c r e t e 1 9 8 3 年加利榴尼亚州交通部门采用热喷涂锌 ．从．。 阳极涂层系统应用在桥梁混凝土墩上，研究表明在 。⋯” 潮溅区以上的干燥区域，锌阳极的阴极保护电流密 海港工程混凝土结构长期处于严黯的腐蚀环 度隧对阕下降，糕及湿润区域酶镰掺效果良鲟。 境，霉要采惩有效的爨凌蚀措葱寒提供其黎久缝。 1 9 9 0 戮1 9 9 1 年闻，美国俄勒冈的一座犬桥 钢筋混凝士表面热喷涂阳极涂层可以对钢筋起到良 C a p eC r e e kB r i d g e 采用了热喷涂锌阳极涂层作为 好的阴极保护作用，也可以阻隔腐蚀介质对混凝土 外加电流阴极保护系统阳极的防护方案，在9 0 0 0 多 结构的直接侵蚀，虽然涂朦成本较高，但仍然不失为 平方米的混凝土表露喷涂了5 0t 分布懿锌涂层，傻提高海港王程中严重腐镟条箨下混凝主结构耐久性 用矫加的电源连接劐钢簸和锌涂艨之阕，对钢筋挺秘一释好方法。 供适当的极性和电压，从而产生阻止钢筋腐蚀所需 客孝文献 统的工作要予以仔细的监控，因此这辞防护方法的 E 1 ] J T J2 7 5 - - 2 0 0 0 ．海港童程混凝土结梅防膦饿技术规范． 施王纛维的戒本都院较裹，僵是它麴保护效栗燕德 [ 2 】T i n n e a js ．囔涂锌瓣援缳护系统瓣寝戆囊酝王嚣蟹鸯 得肯定的‘引。俄勒阏州在1 9 9 2 年夏天对另一座桥 [ C ] 1 T S C 9 8 ，1 9 9 8 2 7 3 1 ∑一q u n aB 。a y ⋯B r i ⋯d g e 。 。断⋯T 热喷涂苎工，喷涂了口3 嚣腐8 9 蒜腐M 苏嚣詈蓁霎凳轰羹墨言芋 大约5 60 0 0 平方米，消耗锌丝1 0 0t 。在D e p o eB a y 裹善；曩某i i 二』泛二菇一⋯⋯“⋯⋯““一‘ 桥逐有约2 8 0m 2 豹部使采震热囔涂铁羚热电流阴 [ 垂】A W SC 2 ．2 0 M - - 2 0 0 2 ．S p e c i f i c a t i o nf o fT h e r m a lS p r a - 极保护系统进行瑷场试验。 y i n gZ i n cA n o d e so nS t e e lR e i n f o r c e dC o n e r e t eE R ] ． 美国佛罗里达的大桥采用了另一种技术方案， 2 0 0 2 ． 它是将喷涂于混凝土表面的锌涂层作为阳极，将涂E s ] F H w A R D 一9 6 - - 1 7 1 P B9 7 1 7 9 4 4 4 ．D e v e l o p m e n t 层姆晦部的钢筋连通使它们之惩鼯电。钢筋与锌涂 o f8n e ws a c r i f i c i a lc a t h o d i cp r o t e c t i o ns y s t e mf o rs t e e l 层之蘑的漫凝佟为电解质，形成原毫邀。灵要这 e m b e d d e di nc o n c r e t e [ R ] 1 9 9 7 种电池产生的电流足够大，钢筋就可以作为原电池 [ 6 ] C a l l T ，S u l i t R A P r o t e c t i n g t h e N a t i o n sI n f r a s t r u c t u r e 的阴极而受到保护。它不需要外加电流，因为锌层‘ w i ‘hT h 8 ‘m a l s p r 8 y 8 dC o a t i n 9 5 [ A ] ／／p 。e s 。n ‘。d 8 。 阳极的消耗在提供保护所需要的电漩。这个方法不A W ．s 1 n 。e r n 8 ‘i 。n 8 1w 。l d i n gE x p 。8 i ‘i 。n [ c ] H 。u 8 t o n 必聚致措麓来防正耀较与镄筋之麓的短路。引。佛罗 [ 罚F } 差黻．如一9 8 一o s ．荆dE v a l 憾b n 。fA 融A l 两． 墼达髑交通部门对这个保护方案从1 9 8 8 开始先霜 n 哪A l l o y 。。aS a c r i f i c i a lA n o d ef o 。S t ∞1E m b e d d e di n 在3 座桥上进行过现场试验，并在一座大型桥梁 C o n 。，e t 。[ R ] ．1 9 9 8 ． 万方数据