CN103819167B - 一种钢筋混凝土用湿固化阴极保护涂层及其制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢筋混凝土用自固化阴极保护涂层及其制备和使用方法。该阴极保护涂层由基料和粉料按一定比例混合而成，基料主要由无机硅酸盐，硅溶胶，硅烷偶联剂和分散剂等组成，粉料主要由锌粉，镁粉和少量超导金属组成。使用时将粉料与基料混合均匀后涂覆于混凝土表面，再通过导线与钢筋相连，从而有效保护钢筋免于腐蚀。该发明具有优异的腐蚀抑制效果，用于混凝土阴极保护，应用成本显著低于传统阴极保护技术。同时制备的阴极保护涂层具有性能稳定，阴极保护效果优异等特点，产品具有广阔的应用市场。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢筋混凝土保护材料，特别是涉及一种钢筋混凝土用阴极保护涂层及其制备方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
近年来，随着国家大型工程建设规模的扩大以及自然条件的恶化，混凝土中钢筋的腐蚀现象日益显现，给国民经济或人民生命财产安全带来不可估量的损失。
为了解决已建结构中钢筋的锈蚀问题，人们开发了诸于电化学除氯、电化学再碱化、阴极保护等预防和修复钢筋腐蚀的电化学措施。其中，阴极保护是一种非常有效的预防和保护措施，但由于阴极保护在工程应用中实施难度较大，使用和维护成本高，推广应用较慢。
为了将具有显著腐蚀抑制效果的阴极保护方法应用于混凝土结构中，美国航空航天局(NASA)肯尼迪中心LouisG.MacDowell与JosephJ.Curran提出了一种全新的抑制钢筋腐蚀的技术——钢筋混凝土结构用阴极保护涂层，并申请了美国专利，专利号为US6627065B1。其主要是通过一种涂层载体与无机锌，镁等活性金属组成的一种富金属涂层，再通过导线将富金属涂层与混凝土中钢筋连接，组成电化学系统。利用富金属涂层的高负电位将混凝土结构中钢筋的电位拉低至腐蚀区以下，从而有效保护钢筋免于锈蚀。此技术作为混凝土结构中应用的全新技术对混凝土结构中的钢筋腐蚀具有完全抑制作用，而且有别于传统的阴极防护，不需要外加电流，也不需要设备的投入和维护等昂贵费用，具有广阔的应用前景。
现有专利技术中所用富金属涂层以富硅酸乙酯为主要载体，与金属锌粉及镁粉等混合制备而成。其中硅酸乙酯水溶液容易水解，水解后生成的二氧化硅胶体粒径难以控制，储存稳定性差，容易发生凝胶等。为了更好的提升阴极防护涂层的稳定性，延长混凝土结构用阴极防护涂层的使用寿命，更好的保护钢筋免于锈蚀，本发明提出了一种新型钢筋混凝土结构用阴极防护涂层及其制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种表面应用型钢筋混凝土阴极保护涂层及其制备和使用方法，使其应用于钢筋混凝土中时，不仅具有优良防腐阻锈效果，同时使阴极防护涂层具有优良的稳定性能。
本发明所述表面应用型钢筋混凝土阴极保护涂层由基料和富金属粉料两种组分组成：
所述基料由下述组分组成：
所述无机硅酸盐的模数在0.5-3，固含量为25%-55%，选自硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的任意一种或两种以任意比例混合；
所述硅溶胶的粒径为5-20nm；
所述硅烷偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷，3-缩水甘油基三甲氧基硅烷，巯丙基三乙氧基硅烷中的任意一种或两种以任意比例混合；
所述分散剂为聚羧酸和/或聚乙烯吡咯烷酮类分散剂。
所述富金属粉料的主要成分为锌粉和镁粉，二者的质量比例为为1:0.1-2，所述富金属粉料的组成还包括少量铟和镉金属中的一种或两种，添加量占富金属粉料质量的0.1%-1%。
本发明的相比于现有技术，改进了基料的组成，主要原因一方面是由于所配硅酸盐模数不是太高，另一方面通过硅烷偶联剂和硅溶胶的反应加上分散剂的加入，减少凝胶形成，从而提高基料的稳定性。
本发明所述表面应用型钢筋混凝土阴极保护涂层基料的制备方法为：
（1）将模数0.5-3，固含量为25-55%的无机硅酸盐倒入带有搅拌器的容器中，添加量占基料的40-70%，加入0-40%水，转速400r/min下搅拌10分钟，使硅酸盐溶液混合均匀；
（2）为了更好的促进硅溶胶在硅酸盐溶液中的分散，提高搅拌速度600-1500r/min,向搅拌器中加入固含量25%，粒径为5-20nm的硅溶胶10-35%，搅拌1-3h。
（3）待溶液由乳白色逐渐变为透明时，添加硅烷偶联剂，添加量占基料的1-10%，60℃下搅拌30-60min。硅烷偶联剂的加入主要起到两方面作用：一方面，硅烷偶联剂可以修饰硅溶胶粒子，增加硅溶胶粒子的溶解分散能力，另一方面，硅烷偶联剂的加入，基料与粉料的粘结能力增强，有利于提高涂层的致密性和稳定性。
（4）为了进一步确保溶液体系的稳定和均一，待上述反应完全后，向溶液中添加分散剂，搅拌10-40min，转速600-1500r/min；搅拌完毕即得本发明所述表面应用型钢筋混凝土阴极保护涂层基料。
本发明所述表面应用型钢筋混凝土阴极保护涂层产品的使用方法为：使用之前将不锈钢丝网固定混凝土表面，再将粉料与基料按质量比1:1-4的比例混合均匀，涂覆于不锈钢丝网上，待表干后用导线将涂层与混凝土内钢筋相连接。
由于涂层的电位明显负于钢筋，钢筋与涂层连接后，会将钢筋的电位拉低至腐蚀区以下，从而保护钢筋免于腐蚀。同时由于镁电极电位低于锌和铁，添加的镁粉可以将钢筋的腐蚀电位拉至更低，从而对钢筋形成更有效的保护。而粉料中添加铟和镉金属中的一种或两种会增强涂层的导电性，有利于形成完整的阴极保护电路。此外，本发明作为全新的钢筋混凝土腐蚀防护方法，相比于传统的阴极保护，具有施工简单，应用方便，成本低廉等优点。
具体实施方式
实施例1
将模数0.5，固含量25%的硅酸钠400g和水489g加入搅拌器中，转速400r/min下搅拌10分钟，然后向搅拌器中加入粒径10nm固含量25%的硅溶胶100g,提高转速至1000r/min搅拌1h后溶液由乳白色变为透明，添加硅烷偶联剂氨丙基三乙氧基硅烷10g,温度保持60℃下搅拌30分钟。反应完全后加入分散剂聚羧酸1g,继续搅拌10分钟。粉料按锌粉：镁粉为1:0.1的比例分别取900g锌粉和90g镁粉，再添加1g铟粉末，混合均匀。然后将基料与粉料组分比1：2的比例高速搅拌，混合均匀后涂覆于混凝土表面，待表面干后24h将钢筋混凝土试件放于氯盐腐蚀环境下评价钢筋耐蚀性能，实验结果见表1与表2.
实施例2
将模数2，固含量35%的硅酸钾400g和水345g加入搅拌器中，转速400r/min下搅拌10分钟，然后向搅拌器中加入粒径5nm固含量25%的硅溶胶200g,提高搅拌速度至1500转/分，搅拌3h后溶液由乳白色变为透明，添加硅烷偶联剂巯丙基三乙氧基硅烷50g,温度保持60℃下搅拌60分钟，搅拌速度1500r/min。反应完全后加入分散剂聚羧酸5g,搅拌20分钟。粉料按锌粉：镁粉为1:2的比例，分别取300g和600g混合，再添加9g镉粉末，混合均匀。然后将基料与混合均匀的粉料按1:3的比例高速搅拌，混合均匀涂覆于混凝土表面，待表面干后24h将钢筋混凝土试件在氯盐腐蚀环境下评价钢筋耐蚀性能，实验结果见表1.
实施例3
将模数1，固含量55%的硅酸锂500g和水240g加入搅拌器中，转速400r/min下搅拌10分钟，然后向搅拌器中加入粒径20nm固含量25%的硅溶胶150g,搅拌2h后溶液由乳白色变为透明粘稠液体，添加硅烷偶联剂三缩水甘油基三乙氧基硅烷100g,温度保持60℃下搅拌60分钟，搅拌速度1200r/min。反应完全后加入分散剂聚羧酸10g,搅拌40分钟。粉料按锌粉：镁粉为1:1的比例各取500g混合，再添加5g铟粉末和5g镉粉末，混合均匀。然后将基料与混合均匀的粉料按1:4的比例高速搅拌，混合均匀涂覆于混凝土表面，待表面干后24h将钢筋混凝土试件在氯盐腐蚀环境下评价钢筋耐蚀性能，实验结果见表1.
实施例4
将模数3，固含量25%的硅酸钾100g，模数1.5固含量25%的硅酸锂500g和水125g加入搅拌器中，转速400r/min下搅拌10分钟，然后向搅拌器中加入粒径10nm固含量25%的硅溶胶200g,搅拌30分钟后溶液由乳白色变为粘稠液体，添加硅烷偶联剂三缩水甘油基三乙氧基硅烷50g,温度保持60℃下搅拌60分钟，搅拌速度1000r/min。反应完全后加入聚羧酸类分散剂25g,搅拌30分钟。粉料按锌粉：镁粉为1：0.5的比例分别取600g和300g混合，再添加5g铟粉末，混合均匀。然后将基料与混合均匀的粉料按1:3的比例高速搅拌，混合均匀涂覆于混凝土表面，待表面干后24h将钢筋混凝土试件在氯盐腐蚀环境下评价钢筋耐蚀性能，实验结果见表1.
实施例5
将模数2.5，固含量25%的硅酸钠300g、模数3，固含量25%的硅酸锂425g加入搅拌器中，转速400r/min下搅拌10分钟。然后搅拌速度增加至1500r/min，向搅拌器中加入粒径20nm固含量25%的硅溶胶150g,硅溶胶固含量为10%，搅拌3h，待溶液由乳白色变为粘稠液体后，添加硅烷偶联剂氨丙基三乙氧基硅烷10g和三缩水甘油基三乙氧基硅烷10g,温度保持60℃下搅拌60分钟，搅拌速度1500r/min。反应完全后加入分散剂聚羧酸15g,继续搅拌30分钟。粉料按锌粉：镁粉为1：1.5的比例各取400g和600g，再添加10g铟粉末，混合均匀。然后将基料与混合均匀的粉料按1:2的比例高速搅拌，混合均匀涂覆于混凝土表面，待表面干后24h将钢筋混凝土试件在氯盐腐蚀环境下评价钢筋耐蚀性能，实验结果见表1.
实施例6
将模数2.5，固含量25%的硅酸钠150g、模数3，固含量35%的硅酸钾250g和水440g加入搅拌器中，转速400r/min下搅拌5分钟，然后提高搅拌速度至1200r/min，向搅拌器中加入粒径20nm的固含量25%的硅溶胶100g,硅溶胶固含量10%，搅拌2h后溶液由乳白色变为透明粘稠液体，添加硅烷偶联剂巯丙基三乙氧基硅烷25g和三缩水甘油基三乙氧基硅烷25g,温度保持60℃下搅拌60分钟，搅拌速度1200r/min。反应完全后加入分散剂聚羧酸10g,搅拌30分钟。粉料按锌粉：镁粉为1:2的比例各取300g和600g混合，再添加1g铟和5g镉粉末，混合均匀。然后将基料与混合均匀的粉料按1:2的比例高速搅拌，混合均匀涂覆于混凝土表面，待表面干后24h将钢筋混凝土试件在氯盐腐蚀环境下评价钢筋耐蚀性能，实验结果见表1.
应用实施例1
为了考察不同实施例中涂层的性能，依据GB/T1728-1989的测试方法，评价了涂层的表干和实干时间，同时参考GB/T9286-1988的测试方法评价涂层的附着力等级，基料的稳定性主要通过观察基料放置60天后有无出现沉淀物及凝胶来评价，涂层的耐候性参考GB/T9276的测试方法。此外还考察了阴极保护后，钢筋的耐腐蚀性能。耐腐蚀性能试验参考美国标准ASTMG109对混凝土中钢筋的腐蚀性能的测试方法，将阴极涂层与混凝土上层一根钢筋相连，在盐水腐蚀19周后，监测上层一根钢筋与下层两根钢筋间的电位差及腐蚀电流密度，以上测试结果见表1。
表1涂层的成膜及钢筋的耐腐蚀性能
Claims (2)
1.一种表面应用型钢筋混凝土阴极保护涂层，其特征在于：所述表面应用型钢筋混凝土阴极保护涂层由基料和富金属粉料两种组分组成：
所述基料由下述组分组成：
所述无机硅酸盐的模数在0.5-3，固含量为25％-55％，选自硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的任意一种或两种以任意比例混合；
所述硅溶胶的粒径为5-20nm；
所述硅烷偶联剂为氨丙基三乙氧基硅烷，3-缩水甘油基三甲氧基硅烷，巯丙基三乙氧基硅烷中的任意一种或两种以任意比例混合；
所述分散剂为聚羧酸和/或聚乙烯吡咯烷酮类分散剂；
所述富金属粉料的主要成分为锌粉和镁粉，二者的质量比为1:0.1-2，所述富金属粉料的组成还包括少量铟和镉金属中的一种或两种，添加量占富金属粉料质量的0.1％-1％；
所述表面应用型钢筋混凝土阴极保护涂层的制备方法，包括下述步骤：
1)将前述无机硅酸盐和水装入搅拌器中，转速400r/min下搅拌10分钟；
2)向搅拌容器中添加硅溶胶，添加量占基料的10％-35％，搅拌1-3h，搅拌速度600-1500r/min；
3)待溶液由乳白色变为透明时，添加硅烷偶联剂，60℃下搅拌30-60min，搅拌速度600-1500r/min；
4)反应完全后，向溶液中添加分散剂，搅拌10-40min，转速600-1500转/分；搅拌完毕即得所述表面应用型钢筋混凝土阴极保护涂层产品。
2.权利要求1所述表面应用型钢筋混凝土阴极保护涂层的使用方法，其特征在于：将基料与富金属粉料质量比1：2的比例高速搅拌，混合均匀后涂覆于混凝土表面。
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