内河港口码头嵌岩桩钢护筒梯度防腐设计_姚红良.pdf

11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8内河港口码头嵌岩桩钢护筒梯度防腐设计 姚红良 黄团冲 刘江舟 叶轩宇 江西省港口集团有限公司 摘 要：为提高内河港口码头嵌岩桩钢护筒抗冲蚀性能，引入梯度结构设计理念，研发一种由高抗冲蚀防腐层、密封阻隔层和抗冲蚀保护层复合而成的内河港口码头嵌岩桩钢护筒梯度防腐新技术，并分析了密封阻隔层和抗冲蚀保护层厚度设计参数对其防护效果的影响。研究表明该新型防腐技术防护效果优良，且密封阻隔层和抗冲蚀保护层越厚越明显，防护效果相比纳米改性单层防腐技术可提高40%60%，应用前景广阔。关键词：内河港口码头；嵌岩桩钢护筒；梯度防腐；抗冲蚀性能1.引言嵌岩桩钢护筒抗冲蚀性能对内河港口码头安全运营和服役寿命至关重要。目前,国内外对内河港口码头嵌岩桩钢护筒主要参照水运工程钢结构设计规范（JTS152-2012）等标准,采用红丹防锈漆等单层防腐传统技术进行防护1。但诸多工程实践2表明现行单层防护技术普遍存在涂层磨损、网裂、界面起泡与脱落等过早失效问题,尤其在富含沙流速大水流持续不断冲蚀作用下使用不到5年即失效,远未达到设计使用寿命(10-50年)。笔者3采用环氧沥青纳米改性技术研发了一种高抗蚀单层防腐新技术,实践表明该技术效果良好,可将内河港口码头嵌岩桩钢护筒抗冲蚀性能提高约60%。在此基础上,本文尝试引入梯度结构设计理念,研发一种由高抗冲蚀防腐层、密封阻隔层和抗冲蚀保护层复合而成的内河港口码头嵌岩桩钢护筒梯度防腐新技术,并采用模型实验结合应用示范检验其防护技术效果以及密封阻隔层和抗冲蚀保护层厚度设计参数对其影响,旨在进一步提高内河港口码头嵌岩桩钢护筒在富含沙流速大水流等复杂服役条件下的抗冲蚀性能,为同类工程提供参考。2.梯度防腐设计梯度防腐设计是在内河港口码头嵌岩桩钢护筒防腐设计中,引入梯度结构设计理念将现行单层防腐结构设计为由高抗冲蚀防腐层、密封阻隔层和抗冲蚀保护层3个功能层组成的梯度防腐结构,如图1所示,其中高抗冲蚀防腐层采用满足水运工程钢结构设计规范(JTS152-2012)中技术指标要求的防腐涂料喷涂而成,厚度150300m；密封阻隔层采用满足矿脂防蚀带(DB37 T 2317-2013)中技术指标要求且水蒸气透过率小于0.45mg/cm2的高致密防腐胶带缠绕而成,层厚3-4mm；抗冲蚀保护层采用满足结构加固修复用碳纤维片材(JG/T 167-2016)中技术指标要求且抗磨损系数不小于1.5的碳纤维布缠绕而成,层厚12cm。梯度防腐技术施工工艺主要包括以下4个步骤：首先,按ISO8501Sa2.5标准技术要求,采用喷沙除锈方法将钢护筒等钢基底表面上的浮锈、杂质等除去；然后,按本文上述设计方法将防腐涂料均匀喷涂在钢基底表面上,固化后形成高抗冲蚀防腐层；接着,将预先浸有缓蚀剂的高致密防腐胶带斜向45缠绕在高抗冲蚀防腐层上形成密封阻隔层,叠层的压边宽度1cm；最后,将碳纤维布用水下固化环氧树脂反斜向45粘贴缠绕在密封阻隔层上形成抗冲蚀保护层,叠层的压边宽度1cm。为防止各层间发生界面脱粘等现象,各层间界图1 梯度防腐设计示意图注：A抗冲蚀保护层；B密封阻隔层；C高抗冲蚀防腐层；D钢护筒。珠江水运 2023 0295DOI:10.14125/ki.zjsy.2023.02.01411mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8面并采用矿脂防蚀膏处理。3.模型实验3.1试件制作模型试件按本文上述梯度防腐设计方法与制作工艺,采用Q345B钢管制作,钢管内径100 mm,壁厚20mm,长1500 mm。防腐涂料采用参照文献3方法自制的纳米改性环氧沥青漆；高致密防腐胶带采用市售聚丙烯纤维增强防腐胶带,使用时预先在含有防锈剂、缓蚀剂、稠化剂、润滑剂等矿物脂中浸渍23d；碳纤维布采用市售抗磨损系数为2.0的一级碳纤维布。3.2实验方法首先将模型试件直立固定在预先盛有含沙量2.8kg/m3的模拟江水水工模拟槽中,如图2(b)所示,然后研究模拟江水流速为3.6m/s下的本所建立的梯度防腐技术抗冲蚀效 果,实验方案见表1,连续模拟380h,并采用涂层表面冲蚀和涂层-钢界面黏结表征,测试方法参照编号高抗冲蚀防腐层厚度/m密封阻隔层厚度/mm抗冲蚀保护层厚度/cm0#150001#1503.01.02#1503.51.03#1504.01.04#1504.01.5表1 模型实验方案图2 涂层表面冲蚀变化规律图3 涂层-钢界面黏结变化规律(a)涂层吸水率(b)涂层湿附着力(a)质量损失(b)厚度损失96学术ACADEMIC11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8文献4。4.结果与分析4.1涂层表面冲蚀涂层表面冲蚀用涂层质量损失和厚度损失综合评价。图2为本文模拟条件下模型试件涂层质量损失和厚度损失的依时变化规律。可见,梯度防腐与单层防腐相似,涂层的质量损失和厚度损失均随冲蚀时间增大而逐渐增大,但前者的增大速率明显较后者小,尤其损伤加速阶段,分别仅为后者的8.9%54.1%和11.5%65.6%；密封阻隔层厚度愈大愈明显,例如与1试件相比,2试件涂层380h的质量损失和厚度损失的降幅分别增加38.8%和60.6%,而4试件与3试件相比,涂层质量损失和厚度损失的降幅分别仅增加11.1%和19.2%。说明采用梯度防腐可显著降低内河港口码头嵌岩桩钢护筒涂层表面冲蚀性能,其中又以密封阻隔层厚度的影响最大。这主要是因为按梯度防腐设计,抗冲蚀保护层尤其密封阻隔层一方面可延缓水与防腐涂层的接触,降低水、沙等对涂层表面的冲蚀,另一面可起到类似过滤网作用,有效阻滞沙粒尤其大沙粒对涂层表面的冲刷和磨损。4.2涂层-钢界面黏结涂层-钢界面黏结用涂层吸水率和湿附着力综合评价。图3为本文模拟条件下模型试件涂层吸水率和湿附着力的依时变化规律。可见,梯度防腐涂层的吸水率均与单层防腐一样随冲蚀时间的增大而逐渐增大,涂层湿附着力逐渐降低,但梯度防腐涂层吸水率的增幅和湿附着力的降幅明显较后者的小,例如与0试件相比,1试件涂层由100h至380h的吸水率增幅和湿附着力降幅分别仅是前者的55.9%和55.6%；此外,密封阻隔层厚度愈大愈明显,且影响最明显,例如3试件涂层由100h至380h的吸水率增幅和湿附着力降幅,分别仅是1试件的40%和52.9%。说明采用梯度防腐可显著提高内河港口码头嵌岩桩钢护筒涂层-钢界面黏结,提高其抗冲蚀性能,且密封阻隔层越厚越显著。这是因为按梯度防腐设计,一方面抗冲蚀保护层尤其密封阻隔层可延缓水、微粒等向涂层内部尤其涂层-钢界面渗透,减少涂层及其与钢界面微裂纹的发生,另一面可起到类似过滤网作用,减缓涂层剥离和脱落。4.3应用检验江西某内河港口码头位于江西省九江,是江西省目前投资建设最大的一座内河港口码头,设计货物吞吐量65万吨/年,设计等级级,设计使用寿命50年。码头平台采用排架式高桩梁板结构,总长572m,宽30m,排架基础采用Q345B钢护筒内灌C30混凝土的500嵌岩桩,每榀排架5根,排架间距9m。嵌岩桩钢护筒参照水运工程钢结构设计规范(JTS152-2012),采用纳米有机硅改性环氧沥青漆单层防护技术进行防护3。同时,选5根嵌岩桩钢护筒采用本研究所研发的梯度防腐蚀技术进行探索,高抗冲蚀防腐层厚设为150m,密封阻隔层厚4mm,抗冲蚀保护层厚1cm。检测结果显示,与纳米有机硅改性环氧沥青漆单层防腐技术相比,以高抗冲蚀防腐层、密封阻隔层和抗冲蚀保护层为功能层建立的梯度防腐技术防护效果更优良,使用3年来涂层未出现开裂、脱落等过早失效破坏现象。5.结论（1）以高抗冲蚀防腐层、密封阻隔层和抗冲蚀保护层为功能层建立的梯度防腐技术,可显著提高内河港口码头嵌岩桩钢护筒在富含沙大水流服役条件下的抗冲蚀性能,且密封阻隔层越厚越明显,与纳米改性单层防腐技术相比抗蚀性能可提高40%60%。（2）梯度防腐技术优良主要源于密封阻隔层和抗冲蚀保护层可起到逐缓和过滤网的作用,从而可有效阻滞含沙江水对内河港口码头嵌岩桩钢护筒涂层表面的冲蚀以及对涂层-钢界面黏结的破坏。（3）应用示范检测表明,与纳米有机硅改性环氧沥青漆等单层防腐技术相比,梯度防腐技术长期防护效果更优良,在内河港口码头防腐技术领域具有较大的应用前景。【基金项目：江西省交通运输厅科技项目(2019C0016)；江西省重点研发计划项目(20202BBG73035）。】参考文献：1沈旭鸿.钢板桩在内河航道护岸工程中的应用J.中国水运,2021(10):136-138.2涂东宝.港口水运工程施工技术要点分析J.珠江水运,2021(10):77-78.3姚红良,黄团冲,叶轩宇,等.纳米有机硅改性环氧沥青防腐涂料高性能化设计J.中国水运,2021(11):58-59.4张永强.表面预处理工艺对涂层结合性能的影响D.大连:大连理工大学硕士学位论文,2014.珠江水运 2023 0297