CN103739231A - 一种具有自防锈功能的混凝土用钢纤维防锈剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自防锈作用的混凝土用钢纤维的制备方法。本发明所述的具有自防锈功能的混凝土用钢纤维防锈剂的组成包括：有机硅烷、醇、阻锈组分和水。本发明通过在钢纤维表面吸附阻锈组分并形成致密的憎水保护膜，使钢纤维不但能在大气环境中有很好的防腐蚀效果，在有氯盐污染的混凝土中也会表现出良好的自身防锈功能，并且所形成的保护膜不影响钢纤维与混凝土的粘结力，因而不会影响钢纤维对混凝土的增强、阻裂作用。

Description

一种具有自防锈功能的混凝土用钢纤维防锈剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土用钢纤维领域，更具体地，本申请涉及一种能够自防锈的钢纤维及其制备方法。

背景技术

混凝土用钢纤维的应用环境特殊，在混凝土拌合过程中与水泥、石子、砂、水等原材料拌合，随着水泥水化反应的进行与混凝土基体粘结并形成一个整体，从而起到提高混凝土强度、防止混凝土开裂（即增强、阻裂）等作用，因而钢纤维与混凝土基体的粘结性能极为重要。

钢纤维在应用之前长期储存通常会出现表面锈蚀，拌合进入混凝土中会直接影响其阻裂、增强作用的发挥；浇筑于混凝土中后，暴露在混凝土表面的钢纤维受环境中水分、氧气的作用也常出现锈蚀，生成黄色锈蚀产物，影响结构美观；此外，在含钢纤维的混凝土结构若在含氯盐的侵蚀环境中服役，也可能因为氯盐的侵入而出现锈蚀。钢纤维的防锈对于保证其对混凝土的增强、阻裂作用具有重要意义。

金属，尤其是钢铁的防锈早已受到广泛重视。最常见且简便的防锈大多通过在钢材表面涂覆油类物质实现，但这种处理方法会严重破坏两者间的粘结性能，因而无法用于钢纤维的防锈处理。

ZL200810054643.9公开了采用丙烯酸酯乳液或水性聚氨脂乳液为成膜物配以缓蚀剂和助剂等组分的水性防锈剂。尽管经过短期试验证实涂覆后螺纹钢与混凝土的握裹强度大于未涂覆的，但在混凝土pH>13的强碱性环境中，上述乳液形成的保护薄膜极易发生水解而导致其保护作用失效。

ZL200710010247.1公开了羧酸盐、乙醇胺、硼酸类与聚乙二醇组成的防锈剂。但由于混凝土中存在大量的Ca²⁺，会羧酸盐中的羧酸根发生化学反应而沉淀，从而严重影响防锈剂的作用效果。

ZL200810101779.0也提出由混合醇胺、无机碱、防锈剂、铜合金缓蚀剂、杀菌防腐剂、消泡剂、去离子水等组成的水基金属防锈剂组合物。该发明主要应用于钢材加工工序间的防锈。

ZL201010579818.5发明了一种在钢板表面短期防锈蚀覆膜的工艺方法。将0.5%~5%草酸钾、1.2%~5.5%甘氨酸锌、1.5%~3%EDTA、0.3%~2.5%钛螯合剂、15%~20%聚氧乙烯醚乳液配制成环保型有机水溶性防锈剂，涂覆在刚生产的钢板表面，防止钢板在库存和运输过程中因为气候变化而发生锈蚀。   

混凝土通常需要长期服役，因而其中钢纤维防锈的长期效果是核心和关键。上述两专利中所述的防锈处理作用周期较短，因而在混凝土用钢纤维的防锈中难以应用。

ZL201110245986.5中公开了一种钢纤维的防锈方法，主要通过氢氧化钠 、硝酸钠、亚硝酸钠的氧化还原反应，在钢纤维表面形成Fe₃O₄的氧化膜，然后通过与氢氧化钙混合、干燥后在钢纤维表面覆盖CaCO₃保护膜，将其用于摩擦材料的制备中，取得显著的防锈效果。事实上，由于混凝土内部本身具有较高的碱性，钢纤维在混凝土中会自动形成上述专利中所述的Fe₃O₄氧化膜，但实际应用过程中仍会出现受氯盐污染的混凝土内部钢纤维锈蚀的现象，说明该发明中所陈述的防锈方法在无氧存在的树脂等有机材料中适用，但在混凝土用钢纤维中应用效果不佳。

发明内容

本发明针对现有技术中的钢材防锈剂不能应对受氯盐污染的混凝土中钢纤维防锈问题，提供一种能够实现自身防锈的混凝土用钢纤维的防锈剂及其制备方法，以及所述钢纤维防锈剂在钢纤维制备过程中的应用。应用该防锈剂后，不但能实现钢纤维在大气环境中（如储存、运输过程）的防锈，还可实现其在受氯盐污染的混凝土中的自防锈，且不影响钢纤维与混凝土基体间的粘结力，确保其在混凝土中使用时对混凝土的增强和阻裂效果。

本发明所述的具有自防锈功能的混凝土用钢纤维防锈剂的组成包括：有机硅烷、醇、阻锈组分和水，其质量组成比例如下，以重量百分数计：

有机硅烷         5-10%

醇               20-30%，

阻锈组分         0.2-0.5%，

水         余量。

其中，有机硅烷为两种硅烷的混合物，可为以下组合中的任意一种，且每种组合中的两种物质的质量比为2:1~4:1：

氨丙基三乙氧基硅烷与丙基三乙氧基硅烷

氨丙基三乙氧基硅烷与乙烯基三乙氧基硅烷

二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺与丙基三乙氧基硅烷

二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺与乙烯基三乙氧基硅烷

醇可为甲醇、乙醇或异丙醇中的任意一种，

阻锈组分可为苯并三唑、羧基苯并三唑、硫脲中的任意几种以任意比例混合的混合物。

本发明所述具有自防锈功能的混凝土用钢纤维防锈剂的制备方法如下：

将醇溶解于水中，搅拌均匀，配制成质量分数为20-30%的溶液；加入防锈组分并不断搅拌，使防锈组分质量分数为0.2-0.5%；然后将硅烷混合物缓慢加入该溶液，使硅烷质量分数为5%-10%，持续搅拌2小时，静置6h，制备成本发明中所述防锈液。

本发明所述具有自防锈功能的混凝土用钢纤维防锈剂的使用方法如下：

（1）将钢纤维置于温度为40℃，清洗剂为5%的氢氧化钠溶液的超声波清洗池中，用超声波清洗15分钟，取出后用高速风机吹干。

（2）将（1）中清洗完成的钢纤维于（1）中配制的防锈液中浸泡2分钟。

（3）将（2）处理完成后的钢纤维在80-90℃热风中吹干2-4小时，形成均与致密的防锈膜。

本发明的作用原理是：浸泡过程中防锈液内所含的防锈分子与钢发生物理化学反应，牢固吸附于钢纤维表面；同时，硅烷一端支链水解后产生的硅羟基可与金属表面反应形成M-O-Si（M代表金属）结构，在此后的烘干过程中，硅烷另一端支链相互交联，形成空间网状结构，形成均匀的憎水保护膜，并将防锈组分包裹在保护膜内，从而使钢纤维具有良好的防锈性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明：

为了评价本发明在氯盐污染混凝土中的长期效果，在混凝土的制备过程中使用盐水拌合，标准养护180d后。具体操作如下：

（1）称取适量的分析纯氯化钠，将其溶解于自来水中，配制成质量分数为1.0%的氯化钠溶液。

（2）将（1）中配制的1.0%氯化钠溶液作为拌合水，参照JGJ55中规定的混凝土配合比进行混凝土拌合，所用胶材为江南小野田P·Ⅱ42.5 水泥，用量380kg/cm³，砂率为42%。钢纤维掺量为20kg/cm³。

（3）将混凝土拌合物浇筑成型100mm×100mm×100mm的立方体试件，带模养护1d后拆模，放入标准养护室养护至180d。

（4）用压力机将养护180d后的试件压碎，随机选出20根钢纤维，参照YB/T 9231中锈蚀面积百分率测定方法，测定钢纤维表面锈蚀率。

实施例1：配制含20%异丙醇、0.5%的羧基苯并三唑搅拌均匀后，加入质量比为2:1的氨丙基三乙氧基硅烷与丙基三乙氧基硅烷混合物，使硅烷溶液质量分数为5%。将超声清洗后的钢纤维在本溶液中浸泡2分钟，然后于80℃热风中吹干2小时。按照CECS13-2009《纤维混凝土试验方法标准》测试钢纤维与水泥砂浆间粘结力，使用盐水拌合混凝土评价钢纤维在氯盐污染混凝土中的自防锈能力，通过露天放置评价钢纤维储存过程中的防腐蚀能力。最终结果显示：防锈钢纤维与砂浆的粘结力与未经防锈处理的钢纤维的比值为105%，盐水拌合钢纤维混凝土养护180d后，其中钢纤维锈蚀率4.8%，露天放置180天后钢纤维表面锈蚀率为3.5%。

实施例2：配制含30%甲醇、0.4%的苯并三唑搅拌均匀后，加入质量比为2:1的二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺与丙基三乙氧基硅烷混合物，使硅烷溶液质量分数为10%。将超声清洗后的钢纤维在本溶液中浸泡2分钟，然后于80℃热风中吹干2小时。所得防锈钢纤维与混凝土的粘结力与未经防锈处理的钢纤维的比值为99%，盐水拌合钢纤维混凝土养护180天后，其中钢纤维锈蚀率2.9%，露天放置180天后钢纤维表面锈蚀率为2.1%，。

实施例3：配制含30%乙醇、0.2%的硫脲、0.2%的苯并三唑搅拌均匀后，加入质量比为3:1的二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺与丙基三乙氧基硅烷混合物，使硅烷溶液质量分数为8%。将超声清洗后的钢纤维在本溶液中浸泡2分钟，然后于80℃热风中吹干2小时。所得防锈钢纤维与混凝土的粘结力与未经防锈处理的钢纤维的比值为107%，盐水拌合钢纤维混凝土养护180天后，其中钢纤维锈蚀率为3.2%，露天放置180天后钢纤维表面锈蚀率2.3%。

实施例4：配制含25%异丙醇、0.2%的羧基苯并三唑搅拌均匀后，加入质量比为4:1的二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺与乙烯基三乙氧基硅烷混合物，使硅烷溶液质量分数为10%。将超声清洗后的钢纤维在本溶液中浸泡2分钟，然后于80℃热风中吹干2小时。所得防锈钢纤维与混凝土的粘结力与未经防锈处理的钢纤维的比值为105%，盐水拌合钢纤维混凝土养护180天后，其中钢纤维锈蚀率为4.5%，露天放置180天后钢纤维表面锈蚀率为3.4%。

对比例1：

去除阻锈成分，使用实施例1的其他组成和相同的使用方法，其所得防锈钢纤维与混凝土的粘结力与未经防锈处理的钢纤维的比值为105%，露天放置180天后钢纤维表面锈蚀率为5.2%，盐水拌合钢纤维混凝土养护180天后，其中钢纤维锈蚀率为12.6%。

对比例2：

ZL200810054643.9采用丙烯酸酯乳液或水性聚氨脂乳液为成膜物配以缓蚀剂和助剂等组分的水性防锈剂。所得样品浸泡钢纤维，盐水拌合钢纤维混凝土养护180天后，其中钢纤维锈蚀率为20.9%。

对比例3：

ZL200710010247.1公开了羧酸盐、乙醇胺、硼酸类与聚乙二醇组成的防锈剂。

所得样品浸泡钢材，盐水拌合钢纤维混凝土养护180天后，其中钢纤维锈蚀率为23.3%。

对比例4：

ZL200810101779.0也提出由混合醇胺、无机碱、防锈剂、铜合金缓蚀剂、杀菌防腐剂、消泡剂、去离子水等组成的水基金属防锈剂组合物。所得样品浸泡钢纤维，盐水拌合钢纤维混凝土养护180天后，其中钢纤维锈蚀率26.5%。

对比例5：

ZL201010579818.5，将0.5%~5%草酸钾、1.2%~5.5%甘氨酸锌、1.5%~3%EDTA、0.3%~2.5%钛螯合剂、15%~20%聚氧乙烯醚乳液配制成环保型有机水溶性防锈剂，制得后涂覆在钢纤维表面；盐水拌合钢纤维混凝土养护180天后，其中钢纤维锈蚀率16.4%。

对比例6：

ZL201110245986.5，使用该专利所述方法，处理钢纤维表面，盐水拌合钢纤维混凝土养护180天后，其中钢纤维锈蚀率19.7%。

Claims (3)

1.一种具有自防锈功能的混凝土用钢纤维防锈剂，其特征在于：其组成包括：有机硅烷、醇、阻锈组分和水，其质量组成比例如下，以重量百分数计：

有机硅烷         5-10%

醇               20-30%，

阻锈组分         0.2-0.5%，

水               余量；

其中，有机硅烷为两种硅烷的混合物，可为以下组合中的任意一种，氨丙基三乙氧基硅烷与丙基三乙氧基硅烷，

氨丙基三乙氧基硅烷与乙烯基三乙氧基硅烷，

二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺与丙基三乙氧基硅烷，

二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺与乙烯基三乙氧基硅烷；

且每种组合中的两种物质的质量比为2:1~4:1；

醇可为甲醇、乙醇或异丙醇中的任意一种；

阻锈组分可为苯并三唑、羧基苯并三唑、硫脲中的任意几种以任意比例混合的混合物。

2.权利要求1所述具有自防锈功能的混凝土用钢纤维防锈剂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

将醇溶解于水中，搅拌均匀，配制成质量分数为20-30%的溶液；加入防锈组分并不断搅拌，使防锈组分质量分数为0.2-0.5%；然后将硅烷混合物缓慢加入该溶液，使硅烷质量分数为5%-10%，持续搅拌2小时，静置6h，制备成本发明中所述防锈液。

3.权利要求1所述的具有自防锈功能的混凝土用钢纤维防锈剂的使用方法，其特征在于：具体步骤如下：

（1）将钢纤维置于温度为40℃，清洗剂为5%的氢氧化钠溶液的超声波清洗池中，用超声波清洗15分钟，取出后用高速风机吹干；

（2）将（1）中清洗完成的钢纤维于（1）中配制的防锈液中浸泡2分钟；

（3）将（2）处理完成后的钢纤维在80-90℃热风中吹干2-4小时，形成均与致密的防锈膜。