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CN105670366B - 一种用于钢筋防腐的低通孔率涂层及其涂覆方法 - Google Patents

一种用于钢筋防腐的低通孔率涂层及其涂覆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于钢筋防腐的低通孔率涂层，原料包括以下组分：长石粉45‑70份、硼砂15‑30份、四硼酸钙10‑20份、氟石5‑15份、粘土4‑8份、密着剂1.0‑10份、增稠剂1.0‑1.5份。本发明还公开了上述用于钢筋防腐的低通孔率涂层的涂覆方法，包括以下步骤：1)干混；2)湿混；3)预处理；4)涂覆；5)烘烤；6)烧结；7)常温冷却。本发明具有突出的抗腐蚀能力、极高的韧性及较高的自身耐久性。

Description

一种用于钢筋防腐的低通孔率涂层及其涂覆方法
技术领域
本发明属于用于混凝土结构的金属材料领域，尤其是涉及一种用于钢筋防腐的低通孔率涂层及其涂覆方法。
背景技术
进入21世纪，我国已经迈入了沿海经济大发展的时代，可以预见未来一段时期内将有大批海港码头、跨海桥梁、隧道、海上采油平台等使用钢筋混凝土结构。混凝土结构中钢筋被锈蚀成为影响钢筋混凝土耐久性的一项主要因素。因此，利用新材料、新技术解决钢筋腐蚀问题是当前土木工程领域科技工作者面临的最紧迫的任务之一。
随着钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀和防护机理研究的不断深入，钢筋覆膜技术得到了迅速发展。目前按涂层材料可以将钢筋覆膜技术分为三种：(1)金属材料。如不锈钢热喷涂涂层钢筋、镀锌钢筋等；(2)有机材料。如环氧树脂涂层钢筋；(3)无机材料。如磷酸盐涂层钢筋、瓷釉涂层钢筋等。
从工程应用情况分析，采用金属材料对钢筋进行涂层，成本较高，通常达到普通钢筋价格的2-5倍，因此不能大批量的应用于腐蚀严重的沿海大型工程中。
采用环氧树脂涂覆钢筋，普遍采用静电喷涂方法，将环氧树脂粉末喷涂在带肋钢筋和光圆钢筋的表面，使其形成一种具有外包层的钢筋。如中国专利号CN201593271公开了《一种环氧树脂涂层钢筋》，在钢筋表面涂覆有环氧树脂涂层，其有效地解决了钢筋结构容易被腐蚀的问题，可以提高建筑物的使用寿命。虽然环氧树脂涂层钢筋有很好的耐蚀性，但与混凝土的粘结强度明显降低，而且环氧树脂涂层暴露在空气中容易被氧化，其防腐性能大受影响。
中国专利CN103074960公开了《一种双层环氧树脂涂层钢筋及其制备方法》，其包括基层钢筋，基层钢筋外涂有涂层，内涂层外涂覆有外涂层。外涂层更具有耐磨抗腐蚀性能，能满足在各种恶劣环境下的建设工程的需要。但仍存在以下问题：1、其外层的环氧树脂与混凝土之间粘结力依然薄弱；2、为保证双涂层界面的粘结，需要精密的技术设备支持；3、双涂层使成本翻倍，经济性不佳。
中国专利CN104404502公开了《一种磷酸盐基钢筋防腐涂层》，该专利涉及一种用于海洋钢筋混凝土中钢筋的腐蚀涂层材料，该防腐涂层与钢筋表面的结合性能好，结构致密，固化后强度高。但其本质属于粘结剂，可用于混凝土的破损修复，但存在磷酸盐粘结剂在受拉状态，容易开裂的问题。
采用有机材料对钢筋进行覆膜防腐保护，由于其主要成分是有机物质，在风水日晒的临海环境中，涂层会随时间发生老化；采用无机材料对钢筋进行覆膜防腐保护，涂层从成分组成上克服了有机类涂层随时间老化的缺点，但是，涂层脆性大大增加，限制了它在建筑钢筋中的应用。
针对海上、沿海等潮湿环境使用的钢筋容易被锈蚀的问题，也有专利公开了成本低，抗腐蚀能力高、韧性高及自身耐久性好的涂料及涂覆方法，但是上述专利涂层的内部通孔率较大，本发明经过试验，采用不同的配方降低了涂层内部的通孔率，进一步提高涂层的耐腐蚀性能。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种成本低、防腐性能好、韧性高的用于钢筋防腐的低通孔率涂层及其涂覆方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于钢筋防腐的低通孔率涂层，原料包括以下组分：长石粉45-70份、硼砂15-30份、四硼酸钙10-20份、氟石5-15份、粘土4-8份、密着剂1.0-10份、增稠剂1.0-1.5份。
作为优选，长石粉过800-1000目筛，氟石过500-800目筛。
作为优选，硼砂与长石粉的重量比为(0.21-0.67):1。
作为优选，四硼酸钙与长石粉的重量比为(0.14-0.45)：1。
作为优选，长石粉为钾长石粉。
作为优选，长石粉为正长石粉或透长石粉。
作为优选，密着剂为三氧化二钴、二氧化锰、氧化镍中的一种或两种。
作为优选，增稠剂为甲基纤维素、羟甲基纤维素钠中的一种或两种。
长石多为片状结构，在烧结过程中，长石粉形成无数片层堆积在钢筋周围。同时，片层状的晶体在沿着片层面的方向具有极高的韧性，使得当钢筋在纵向拉伸时，晶体可以跟随钢筋发生极大的形变。
硼砂既是涂料致密结构的重要构成物质，又在涂层烧结过程中，起到降低烧结温度、改善烧结性能的作用，与长石粉协同作用加速涂层的形成。硼砂先于长石粉熔化，并粘结在长石粉周围，是涂料的助溶剂和粘结剂，适量使用可以降低涂层的烧结温度。相对长石粉，硼砂用量过少，涂层烧结温度过高；硼砂与长石粉硼砂用量过多，过量的硼砂无法与长石粉结合，反而会阻碍长石粉-硼砂主体结构的形成，最终影响涂层结构的强度。
四硼酸钙作为涂层基体的重要组成物质，在烧结的过程中，与硼砂共同起到降低烧温度。并且由于四硼酸钙本身不含结晶水，在涂层烧制时，可以大大减少由于结晶水的蒸发而造成的涂层通孔现象。即在烧结阶段，随着温度升高，涂层内的游离水和结晶水不会不断蒸发，导致一系列连通外部的空洞形成。
增稠剂可以改变涂料在常温下的粘稠程度，而粘稠度会直接影响到涂料浸渍于钢筋表面的难易程度。涂料过于稀薄，不易粘挂于钢筋表面，烧结后涂层厚度也薄，涂层耐腐蚀性不佳；涂料过于粘稠，涂料粘挂于钢筋表面过厚，会改变钢筋的原始形态，并且过厚的涂层会耗费过多粉料，提高了成本。
粘土本身是一种耐火材料，不易熔化，但是在粉料体系中少量添加，可以使得原本上下分层的水和粉料混合成浆料，抑制了粉料与水的分层现象。
本发明还公开了一种用于钢筋防腐的低通孔率涂层的涂覆方法，包括如下步骤：
1)干混：将按组分比例称量的长石粉与硼砂、四硼酸钙、氟石、粘土、密着剂及增稠剂倒入容器中，拌合均匀，置于混料机中充分搅拌得到混合物A；
2)湿混：在混合物A中加入水，混合物A与水的重量比为(2-5)：1，置于混料机中充分混合得到浆状涂料B，备用；
3)预处理：对钢筋表面进行除锈处理，清洗干净后烘干；
4)涂覆：将步骤3)中得到的钢筋浸入步骤2)中得到的混合物B料液中，钢筋被旋转的同时从涂料B中抽出；
5)烘烤：将步骤4)中被均匀涂覆的钢筋置于90-130℃下，烘烤20-40分钟；
6)烧结：将步骤5)中得到的烧结有涂料B的钢筋置于电炉中以3-10℃/分钟的速度升温至550-700℃，烧结10分钟；
7)常温冷却，即得。
严格控制烘干温度：过高的烘干温度会使得涂层中的水快速蒸发，造成涂层内部膨胀，影响烧结后涂层的致密性。过低的烘干温度，大大增加了烘干时间，消耗过多能源。
烧结温度控制在550-700℃，可以在较低的温度下有效降低通孔率，当烧结温度到达550℃时，涂层内部水分和气体散失基本完成，在气体和水分散失的过程中会留下空洞，连续的空洞相连则构成了通孔。当达到550℃以上后，涂层基体开始软化，涂层内部呈现收缩趋势，内部的通孔在收缩过程中慢慢闭合，形成独立的孔洞。
针对建筑钢筋受力变长和遇水易腐蚀的特性，本发明以长石粉、硼砂及四硼酸钙为主要原料，并掺入微量的其它化学成份，经过优化合理配比，高温熔化后覆在钢筋表面，使其形成一层具有极高韧性和致密三维结构的保护层。对处于海水浪溅区的混凝土结构物，使用经过烧结的涂层钢筋，相对于有机环氧涂层在耐久性方面将更胜一筹；致密的烧结涂层相对于普通金属(镀锌等)材质涂层，其不会随时间变化而被海水中的离子分解消耗，即能更长久保护建筑物中的钢筋。经过改进涂料配方，本发明涂层的内部空隙结构趋于致密化，通孔现象得到明显改善，耐腐蚀性能得到明显提升。本发明的韧性涂层可以跟随钢筋协同伸长，保证涂层在钢筋使用时的完整性，并且致密的防腐涂层可以长久阻隔外部腐蚀物的渗入和腐蚀。
本发明具有的优点和积极效果是(1)突出的抗腐蚀能力。由高温涂料烧制的钢筋防腐涂层能够大幅度提升钢筋的耐腐蚀能力，达到普通钢筋耐腐蚀能力的4-6倍，而且烧结温度适当提高，涂层内部的通孔减少，通孔率降低，提高了涂层的耐腐蚀性；(2)极高的韧性，可以随同建筑钢筋拉伸变形，保证涂层钢筋在正常使用时的完整性；(3)材料自身耐久性强。高温涂料是无机材料，自身具有较强的耐久性，可以长久、有效地发挥作用。
综上所述，本发明的有益效果是，工艺简单，成本低，强度高、致密性能好，防腐性能好，同时韧性高，涂层通孔率低，耐腐蚀性能好。
附图说明
图1为普通防腐涂层内部的扫描电镜图。
图2为本发明涂层内部的扫描电镜图。
图3为A处结构放大图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
预处理：取一段钢筋，用磨砂纸除锈之后再用5％的稀硫酸冲洗表面除锈，然后用清水冲洗干净，烘干备用。
制取涂料：将正长石粉过800目筛，氟石过500目筛，取45份过筛后的正长石粉、28份硼砂、12份四硼酸钙、5份过筛后的氟石、5份粘土、3.8份三氧化二钴及1.2份甲基纤维素，其中硼砂与长石粉的重量比为0.62:1，四硼酸钙与长石粉的重量比为0.27:1，加入混料罐中用搅拌棒拌合30秒，再将混料罐置于混料机中进行干混3-5分钟，充分混合得到混合物A。干混完毕后在混合物A中加入50份水，其中混合物A与水的重量比为2:1，将其搅拌直到呈浆状，置入混料机中进行湿混5-7分钟，充分混合得到涂料B，取出涂料B置于容器中静置10分钟，观察到涂料B无分层、表层无水层即可。将涂料B倒入储蓄罐中备用。
涂覆：用铁夹夹住预处理过的钢筋，把钢筋浸入涂料B中，缓慢旋转钢筋的同时把钢筋从涂料B中抽出，涂料B均匀涂覆于钢筋表面。
烘烤：在烘箱中放置两块耐火垫块，把从涂料B中抽出的钢筋架立于两块耐火垫块上，在90℃下烘烤20分钟。
烧结：将从烘箱中取出的干燥钢筋放入电炉中以5℃/分钟的速度升温，直到温度达到,560℃，保温烧结10分钟，自然冷却至室温，即得到涂覆有低通孔率涂层的钢筋。
实施例2
预处理：同实施例1。
制取涂料：将透长石粉过900目筛，氟石过625目筛，取57份过筛后的透长石粉、15份硼砂、13.2份四硼酸钙、6份过筛后的氟石、6份粘土、1.5份二氧化锰及1.3份羟甲基纤维素钠，其中硼砂与透长石粉的重量比为0.26:1，四硼酸钙与透长石粉的重量比为0.23:1，加入混料罐中用搅拌棒拌合30秒，再将混料罐置于混料机中进行干混3-5分钟，充分混合得到混合物A。干混完毕后在混合物A中加入50份水，其中混合物A与水的重量比为2:1，将其搅拌直到呈浆状，置入混料机中进行湿混5-7分钟，充分混合得到涂料B，取出涂料B置于容器中静置10分钟，观察到涂料B无分层、表层无水层即可。将涂料B倒入储蓄罐中备用。
涂覆：同实施例1。
烘烤：在烘箱中放置两块耐火垫块，把从涂料B中抽出的钢筋架立于两块耐火垫块上，在100℃下烘烤20分钟。
烧结：将从烘箱中取出的干燥钢筋放入电炉中以8℃/分钟的速度升温，直到温度达到620℃，保温烧结10分钟，自然冷却至室温，即得到涂覆有低通孔率涂层的钢筋。
实施例3
预处理：同实施例1。
制取涂料：将正长石粉过800目筛，氟石过800目筛，取49份过筛后的正长石粉、16份硼砂、10.6份四硼酸钙、9.5份过筛后的氟石、5.5份粘土、4.2份三氧化二钴、4份氧化镍及1.2份甲基纤维素，其中硼砂与长石粉的重量比为0.33:1，四硼酸钙与正长石粉的重量比为0.22:1，加入混料罐中用搅拌棒拌合30秒，再将混料罐置于混料机中进行干混3-5分钟，充分混合得到混合物A。干混完毕后在混合物A中加入40份水，其中混合物A与水的重量比为2.5:1，将其搅拌直到呈浆状，置入混料机中进行湿混5-7分钟，充分混合得到涂料B，取出涂料B置于容器中静置10分钟，观察到涂料B无分层、表层无水层即可。将涂料B倒入储蓄罐中备用。
涂覆：同实施例1。
烘烤：在烘箱中放置两块耐火垫块，把从涂料B中抽出的钢筋架立于两块耐火垫块上，在100℃下烘烤20分钟。
烧结：将从烘箱中取出的干燥钢筋放入电炉中以5℃/分钟的速度升温，直到温度达到,650℃，保温烧结10分钟，自然冷却至室温，即得到涂覆有低通孔率涂层的钢筋。
实施例4
预处理：同实施例1。
制取涂料：将正长石粉过800目筛，氟石过625目筛，取46份过筛后的正长石粉、15份硼砂、19份四硼酸钙、10.6份过筛后的氟石、4.2份粘土、3.2份三氧化二钴及1.1份甲基纤维素，其中硼砂与正长石粉的重量比为0.33:1，四硼酸钙与正长石粉的重量比为0.41:1，加入混料罐中用搅拌棒拌合30秒，再将混料罐置于混料机中进行干混3-5分钟，充分混合得到混合物A。干混完毕后在混合物A中加入40份水，其中混合物A与水的重量比为2.5:1，将其搅拌直到呈浆状，置入混料机中进行湿混5-7分钟，充分混合得到涂料B，取出涂料B置于容器中静置10分钟，观察到涂料B无分层、表层无水层即可。将涂料B倒入储蓄罐中备用。
涂覆：同实施例1。
烘烤：在烘箱中放置两块耐火垫块，把从涂料B中抽出的钢筋架立于两块耐火垫块上，在90℃下烘烤30分钟。
烧结：将从烘箱中取出的干燥钢筋放入电炉中以5℃/分钟的速度升温，直到温度达到670℃，保温烧结10分钟，自然冷却至室温，即得到涂覆有低通孔率涂层的钢筋。
实施例5
预处理：同实施例1。
制取涂料：将正长石粉过800目筛，氟石过625目筛，取55份过筛后的正长石粉、15份硼砂、12.1份四硼酸钙、5.5份过筛后的氟石、4.5份粘土、3.5份三氧化二钴、3份二氧化锰及1.4份甲基纤维素，其中硼砂与正长石粉的重量比为0.27:1，四硼酸钙与正长石粉的重量比为0.22:1，加入混料罐中用搅拌棒拌合30秒，再将混料罐置于混料机中进行干混3-5分钟，充分混合得到混合物A。干混完毕后在混合物A中加入40份水，其中混合物A与水的重量比为2.5:1，将其搅拌直到呈浆状，置入混料机中进行湿混5-7分钟，充分混合得到涂料B，取出涂料B置于容器中静置10分钟，观察到涂料B无分层、表层无水层即可。将涂料B倒入储蓄罐中备用。
涂覆：同实施例1。
烘烤：在烘箱中放置两块耐火垫块，把从涂料B中抽出的钢筋架立于两块耐火垫块上，在130℃下烘烤20分钟。
烧结：将从烘箱中取出的干燥钢筋放入电炉中以5℃/分钟的速度升温，直到温度达到680℃，保温烧结10分钟，自然冷却至室温，即得到涂覆有低通孔率涂层的钢筋。
为了验证本发明的用于钢筋防腐的低通孔率涂层和涂覆方法的效果，进行了试验。
1)分别取三个实验组，每组分为有涂层钢筋和无涂层钢筋各三个试样，总计试验钢筋个数为18个。将其置于5％的氯化钠溶液中,通电后进行加速腐蚀试验。
表1钢筋加速腐蚀试验
从表1可得，将本发明的用于钢筋防腐的低通孔率涂层高温涂覆于螺纹钢筋的表面，再将钢筋置于5％的氯化钠溶液，钢筋保持不被腐蚀的时间是无涂层钢筋的4-6倍，因此本发明的用于钢筋防腐的低通孔率涂层能有效延缓钢筋在水中的腐蚀。
2)另选择三个实验组，每组分别为3根试验钢筋，每根涂层钢筋上贴上2个电阻应变片。开始实验时钢筋置于拉伸实验机上，测量应变随荷载变化情况，电阻应变片连接应变仪测量涂层钢筋上的应变变化。
表2钢筋拉伸试验
注：应变大小是无量纲值，1个应变＝106u eps
建筑用钢筋使用时关注一个指标：屈服强度以及对应的屈服应变值。建筑结构设计时，结构设计师按照GB 50010-2010，混凝土结构设计规范进行设计。
3)电镜观察
将本发明的涂层涂覆于钢筋表面后，自然降温，置入电镜模具中，灌入环氧树脂，静置一天待环氧树脂固化后，将带有环氧树脂的钢筋从模子上取出置于抛磨机上进行打磨抛光，放入扫描电镜试验机下观察，得到图2。同时将普通涂层置于电镜试验机下进行对比观察，得到图1。
涂层内部由于结晶水、游离水和气体的蒸发会自然形成孔洞，而孔洞分为连通孔和独立孔。涂层对钢筋的腐蚀保护首先就体现在对钢筋和腐蚀物之间的完全隔离，独立孔不影响隔离作用，连通孔则不然，连通孔会引导外部腐蚀物质渗入涂层内部，一旦涂层某处开裂或者连通孔洞直通入钢筋表面，则容易在钢筋局部形成点状腐蚀。换而言之，连通孔的存在会严重降低涂层的耐腐蚀性，独立孔则不会降低涂层耐腐蚀性。
图3中标示出通孔和独立孔的形态，具体的，两种孔洞的SEM-BSE图对比，在扫描电镜图中，连通孔由于直接连通外部的环氧树脂层，会在真空浇筑环氧树脂时，不可避免地引入液态的环氧树脂，从而导致扫描电镜图中看到连通孔内部颜色与环氧树脂层颜色相同。然而，独立孔内部颜色则与周围涂层近似相同。
对比图1和图2，可以明显看出本发明中的涂层内部通孔明显低于普通涂层，由于通孔数量，即通孔率对涂层的耐腐蚀性影响较大，从而本发明的耐腐蚀性能更佳。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于钢筋防腐的低通孔率涂层，其特征在于：原料包括以下组分：长石粉45-70份、硼砂15-30份、四硼酸钙10-20份、氟石5-15份、粘土4-8份、密着剂1.0-10份、增稠剂1.0-1.5份。
2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述长石粉过800-1000目筛，所述氟石过500-800目筛。
3.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述硼砂与长石粉的重量比为(0.21-0.67):1。
4.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述四硼酸钙与长石粉的重量比为(0.14-0.45)：1。
5.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述长石粉为钾长石粉。
6.根据权利要求5所述的涂层，其特征在于：所述长石粉为正长石粉或透长石粉。
7.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述密着剂为三氧化二钴、二氧化锰、氧化镍中的一种或两种。
8.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述增稠剂为甲基纤维素、羟甲基纤维素钠中的一种或两种。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述用于钢筋防腐的低通孔率涂层的涂覆方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)干混：将按组分比例称量的长石粉与硼砂、四硼酸钙、氟石、粘土、密着剂及增稠剂倒入容器中，拌合均匀，置于混料机中充分搅拌得到混合物A；
2)湿混：在混合物A中加入水，混合物A与水的重量比为(2-5)：1，置于混料机中充分混合得到浆状涂料B，备用；
3)预处理：对钢筋表面进行除锈处理，清洗干净后烘干；
4)涂覆：将步骤3)中得到的钢筋浸入步骤2)中得到的混合物B料液中，钢筋被旋转的同时从涂料B中抽出；
5)烘烤：将步骤4)中被均匀涂覆的钢筋置于90-130℃下，烘烤20-40分钟；
6)烧结：将步骤5)中得到的烧结有涂料B的钢筋置于电炉中以3-10℃/分钟的速度升温至550-700℃，烧结10分钟；
7)常温冷却，即得。
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