CN105461349B - 一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂及其制备方法。所述用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂由以下各组分按重量百分比混合而成：渗透反应组分10‑30%，催化剂组分0.5‑2.0%，润湿分散组分0.01‑0.05%，阻锈组分1‑5%，疏水组分5‑10%，稳定组分 0.5‑2%，余量为水。本发明所述阻锈强化剂可有效改善钢纤维混凝土表层强度、耐锈蚀、抗介质渗透等物理力学和耐久性能，极大地减少因钢纤维腐蚀引起的表面锈斑、混凝土力学性能下降等问题，大幅提升侵蚀性介质环境中钢纤维混凝土结构的外观质量和耐久性。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂及其制备方法。
背景技术
钢纤维混凝土是在普通混凝土基础上掺入一定量的钢纤维使其均匀无序乱向分布在其中，以阻碍混凝土内部微裂缝扩展和阻滞宏观裂缝发生，从而显著地改善混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击、抗爆和抗疲劳等性能。目前，钢纤维混凝土已在民建、市政、交通、海洋、隧道和水利等各工程领域得到广泛应用。
然而，在混凝土浇筑后，暴露于表面的钢纤维受环境中水分、氧气的作用，常出现锈蚀现象；此外，混凝土在含氯盐等侵蚀性介质作用的环境中，钢纤维更易发生锈蚀。钢纤维锈蚀后导致混凝土结构表面外观质量下降，同时随着钢纤维锈蚀向混凝土内部发展，引起钢纤维-混凝土界面破坏，将严重影响钢纤维混凝土结构的正常服役。因此，钢纤维的防锈对于保证其对混凝土的增强增韧作用具有重要意义。
目前，直接针对钢纤维的防锈处理报道并不多见，对于钢材等金属材料常用的防锈措施则大多是在其表面涂覆油类保护层，但这种处理方式将严重影响钢纤维与混凝土的界面粘结性能，因而对于钢纤维防锈并不适用。
ZL201110245986.5公开了一种用于制造摩擦材料的钢纤维防锈方法，在钢纤维表层喷洒一层喷氢氧化钠、硝酸钠、亚硝酸钠的混合水溶液，然后与氢氧化钙粉末混合均匀后干燥。但由于该方法中所使用的氢氧化钠、硝酸钠和亚硝酸钠等物质对混凝土工作性能、水化过程产生明显影响，因而无法用于制备钢纤维混凝土；另外，钢纤维在混凝土高碱性条件下即会自发地生成上述专利中所述的Fe3O4氧化膜，但仍无法阻止服役于含氯盐环境中的混凝土内钢纤维锈蚀。因此，该方法仅适用于无氧条件下的树脂等有机材料中钢纤维防锈，不能满足钢纤维混凝土防锈的需要。
ZL201410006427.2则公开了一种采用有机硅烷、醇和阻锈组分处理混凝土用钢纤维的防锈剂。该方法仍然是一种针对钢纤维在制备混凝土前的预先防锈处理，而混凝土中钢纤维锈蚀往往集中发生在结构与大气或侵蚀性介质接触的暴露面表层，混凝土结构内部钢纤维发生锈蚀的风险较低，因此对所有钢纤维进行防锈处理既浪费资源，也无必要；此外，当混凝土结构处于氯盐等侵蚀性介质环境中时，上述专利中所述方法依然无法阻止氯盐向混凝土内部迁移引起钢筋锈蚀导致混凝土结构服役性能退化。
发明内容
本发明针对现有技术中的防锈处理不能应对混凝土中钢纤维锈蚀，或现有技术易造成大量资源、能源的浪费，且无法阻止氯盐等侵蚀介质向混凝土内部迁移造成钢筋锈蚀等问题，提供一种能够同时实现混凝土结构中钢纤维防锈与表层混凝土强化的阻锈强化剂及其制备方法，以及所述阻锈强化剂在钢纤维混凝土结构表层的应用。应用该阻锈强化剂后，不但能实现混凝土结构中钢纤维的防锈，还可实现混凝土结构表层性能强化，极大地降低侵蚀性介质向内迁移引起的混凝土劣化和钢筋锈蚀风险，提高钢纤维混凝土结构耐久性与服役寿命。
本发明提供了一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂，由以下各组分按重量百分比混合而成：
所述渗透反应组分为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂和硅溶胶中的任意一种；
所述催化剂组分为氟硅酸镁、氟硅酸钠、氟硅酸铵和聚合磷酸铝中的任意一种；
所述润湿分散组分为在25℃，PH＝8-14范围内，溶液表面张力小于40mN/m的表面活性剂，其作用是提高碱性溶液润湿铺展能力；
所述阻锈组分为亚硝酸钙、钼酸钠、苯甲酸钠、乙醇胺、N-甲基乙醇胺、二乙醇胺和N,N-二甲基乙醇胺中的任意一种或二种的组合；
所述疏水组分为甲基硅酸钾、甲基硅酸钠和甲基硅醇钠中的任意一种；
所述稳定组分为异丙醇、二乙基己醇、二异丁基甲醇中的任意一种。
所述的用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂，所述的润湿分散组分由硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、卵磷脂、三异丙醇胺、全氟表面活性剂、氟碳表面活性剂、有机硅表面活性剂的任意一种或二种的任意比例的混合物组成。
所述的用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取一半用量的水置于反应器中，加入渗透反应组分，以60r/min的搅拌速度搅拌10min；
(2)称取另一半水置于反应器中，依次加入催化剂组分和润湿分散组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min，溶液充分溶解后自然冷却至室温；
(3)在搅拌速度为120r/min的搅拌环境下，在步骤(1)配制的溶液中，缓慢加入步骤(2)配制的溶液、阻锈组分、疏水组分和稳定组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min后静置，密封制成用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂。
本发明所述的用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂，在钢纤维混凝土拆模后的3天后均匀涂覆或喷洒于混凝土结构外露面或经常与侵蚀性介质接触表面，所述阻锈强化剂涂刷用量为2-4kg/m2。
上述阻锈强化剂中渗透反应组分、催化剂组分、润湿分散组分、阻锈组分、疏水组分和稳定组分及其各自质量比例可实现如下综合效果：
阻锈强化剂涂覆于混凝土表面时，基于毛细孔吸附作用与扩散机制，渗透反应组分与润湿组分有利于进入混凝土表层与水泥水化产物发生反应，同时渗透反应组分受催化剂组分作用，自身生成致密的无机聚合物结构填充在混凝土孔隙中，从而改善混凝土表层致密性并提升抗介质渗透能力；阻锈组分中的防锈分子与钢发生物理化学反应，牢固吸附在钢纤维表面成膜或促使其钝化，实现对钢纤维的保护；疏水组分在混凝土结构表面形成“反毛细管效应”的憎水层，减少水分与侵蚀性介质向内部传输；稳定组分通过降低阻锈强化剂的表面张力，减少或抑制泡沫产生。同时，渗透反应组分与疏水组分协同作用，减少了混凝土表层阻锈组分被水分等介质稀释、耗散现象，保障了阻锈组分的长效阻锈效果。综上所述，阻锈强化剂上述物种组分及其配比有利于实现混凝土中钢纤维防锈和提升混凝土表层抗侵蚀性介质渗透能力，有效提高混凝土结构耐久性与服役寿命。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述阻锈强化剂涂覆于钢纤维混凝土结构表面时，实现混凝土表层钢纤维的防锈；
(2)本发明所述阻锈强化剂涂覆于钢纤维混凝土结构表面时，提高混凝土表层抗介质渗透能力，极大地延缓水分、氯离子等易引起钢纤维、钢筋锈蚀的介质向混凝土内迁移。最终，通过在混凝土结构表面的处理，实现混凝土由表及里钢纤维与钢筋的长效阻锈防护。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
为了评价本发明在氯盐侵蚀环境中钢纤维混凝土的长期效果，在混凝土制备养护28d后，分别将表面涂刷阻锈强化剂的混凝土与空白组混凝土浸没于盐水中。具体操作如下：
制备：参照JGJ 55中规定的混凝土配合比进行混凝土拌合，胶材选用江南小野田P·II42.5水泥，用量380kg/m3，砂率42％，钢纤维掺量20kg/m3。
养护：将混凝土拌合物浇筑成型150mm×150mm×150mm的立方体试件，带模养护1d后拆模，标准养护至28d。
涂刷：将混凝土试块在室温中晾干24h后，在其表面均匀涂刷阻锈强化剂，涂刷量为2-4kg/m2，涂刷后在室温条件中养护14d。
腐蚀：将涂刷阻锈强化剂的混凝土试块与空白组试块移入盐雾箱中，在25℃、95％RH、1％NaCl盐雾环境中放置30d。
测试：用压力机将在盐雾箱中放置30d后的混凝土试块压碎，随机在混凝土表层1cm范围内选出20根钢纤维，参照GB/T 50082中失重率的测试方法，测定钢纤维的失重率；参考GB/T 50082抗氯离子渗透试验中氯离子渗透深度测试方法，测定混凝土内氯离子渗透深度。
实施例1
一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂及其制备方法，所述阻锈强化剂由以下各组分按重量百分比混合而成：
渗透反应组分，硅酸钠，30％，
催化剂组分，氟硅酸钠，2.0％，
润湿分散组分，十二烷基苯磺酸钠，0.05％，
阻锈组分，亚硝酸钙和乙醇胺，5％，
疏水组分，甲基硅酸钾，7％；
稳定组分，异丙醇，1.5％；
余量为水，总重量以100％计。
所述阻锈强化剂的制备方法：首先称取一半用量的水置于反应器中，加入渗透反应组分，以60r/min的搅拌速度搅拌10min；然后称取另一半水置于反应器中，依次加入催化剂组分和润湿分散组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min，溶液充分溶解后自然冷却至室温；最后在搅拌速度120r/min的搅拌环境下在第一步配制的溶液中，缓慢加入第二步配制的溶液、阻锈组分、疏水组分和稳定组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min后静置，密封制成用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂。
涂刷以上阻锈强化剂后最终测试结果显示：盐雾腐蚀30d后混凝土表层1cm范围内钢纤维锈蚀失重率为5.9％，氯离子渗透深度为1.1mm。
实施例2
一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂及其制备方法，所述阻锈强化剂由以下各组分按重量百分比混合而成：
渗透反应组分，硅酸钾，25％，
催化剂组分，氟硅酸镁，0.9％，
润湿分散组分，卵磷脂和三异丙醇胺，0.03％，
阻锈组分，钼酸钠和二乙醇胺，1％，
疏水组分，甲基硅酸钠，5％；
稳定组分，二乙基己醇，0.5％；
余量为水，总重量以100％计。
所述阻锈强化剂的制备方法：首先称取一半用量的水置于反应器中，加入渗透反应组分，以60r/min的搅拌速度搅拌10min；然后称取另一半水置于反应器中，依次加入催化剂组分和润湿分散组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min，溶液充分溶解后自然冷却至室温；最后在搅拌速度120r/min的搅拌环境下在第一步配制的溶液中，缓慢加入第二步配制的溶液、阻锈组分、疏水组分和稳定组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min后静置，密封制成用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂。
涂刷以上阻锈强化剂后最终测试结果显示：盐雾腐蚀30d后混凝土表层1cm范围内钢纤维锈蚀失重率为4.2％，氯离子渗透深度为1.5mm。
实施例3
一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂及其制备方法，所述阻锈强化剂由以下各组分按重量百分比混合而成：
渗透反应组分，硅酸锂，10％，
催化剂组分，氟硅酸铵，0.5％，
润湿分散组分，全氟表面活性剂，0.01％，
阻锈组分，苯甲酸钠和N-甲基乙醇胺，2％，
疏水组分，甲基硅醇钠，10％；
稳定组分，二异丁基甲醇，2.0％；
余量为水，总重量以100％计。
所述阻锈强化剂的制备方法：首先称取一半用量的水置于反应器中，加入渗透反应组分，以60r/min的搅拌速度搅拌10min；然后称取另一半水置于反应器中，依次加入催化剂组分和润湿分散组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min，溶液充分溶解后自然冷却至室温；最后在搅拌速度120r/min的搅拌环境下在第一步配制的溶液中，缓慢加入第二步配制的溶液、阻锈组分、疏水组分和稳定组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min后静置，密封制成用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂。
涂刷以上阻锈强化剂后最终测试结果显示：盐雾腐蚀30d后混凝土表层1cm范围内钢纤维锈蚀失重率为3.7％，氯离子渗透深度为1.6mm。
实施例4
一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂及其制备方法，所述阻锈强化剂由以下各组分按重量百分比混合而成：
渗透反应组分，硅溶胶，20％，
催化剂组分，聚合磷酸铝，1.0％，
润湿分散组分，氟碳表面活性剂，0.01％，
阻锈组分，N-甲基乙醇胺和N,N-二甲基乙醇胺，4％，
疏水组分，甲基硅酸钠，8％；
稳定组分，异丙醇，1.0％；
余量为水，总重量以100％计。
所述阻锈强化剂的制备方法：首先称取一半用量的水置于反应器中，加入渗透反应组分，以60r/min的搅拌速度搅拌10min；然后称取另一半水置于反应器中，依次加入催化剂组分和润湿分散组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min，溶液充分溶解后自然冷却至室温；最后在搅拌速度120r/min的搅拌环境下在第一步配制的溶液中，缓慢加入第二步配制的溶液、阻锈组分、疏水组分和稳定组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min后静置，密封制成用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂。
涂刷以上阻锈强化剂后最终测试结果显示：盐雾腐蚀30d后混凝土表层1cm范围内钢纤维锈蚀失重率为3.5％，氯离子渗透深度为1.5mm。
实施例5
一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂及其制备方法，所述阻锈强化剂由以下各组分按重量百分比混合而成：
渗透反应组分，硅酸钾，25％，
催化剂组分，氟硅酸镁，2.0％，
润湿分散组分，硬脂酸钠和有机硅表面活性剂，0.03％，
阻锈组分，亚硝酸钙，4％，
疏水组分，甲基硅醇钾，7％；
稳定组分，异丙醇，1.2％；
余量为水，总重量以100％计。
所述阻锈强化剂的制备方法：首先称取一半用量的水置于反应器中，加入渗透反应组分，以60r/min的搅拌速度搅拌10min；然后称取另一半水置于反应器中，依次加入催化剂组分和润湿分散组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min，溶液充分溶解后自然冷却至室温；最后在搅拌速度120r/min的搅拌环境下在第一步配制的溶液中，缓慢加入第二步配制的溶液、阻锈组分、疏水组分和稳定组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min后静置，密封制成用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂。
涂刷以上阻锈强化剂后最终测试结果显示：盐雾腐蚀30d后混凝土表层1cm范围内钢纤维锈蚀失重率为5.2％，氯离子渗透深度为1.4mm。
对比例1
对比例1中缺少渗透反应组分，其它与实施例1相同。
一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂及其制备方法，所述阻锈强化剂由以下各组分按重量百分比混合而成：
催化剂组分，氟硅酸钠，2.0％，
润湿分散组分，十二烷基苯磺酸钠，0.05％，
阻锈组分，亚硝酸钙和乙醇胺，5％，
疏水组分，甲基硅酸钾，7％；
稳定组分，异丙醇，1.5％；
余量为水，总重量以100％计。
所述阻锈强化剂的制备方法：首先称取水置于反应器中，依次加入催化剂组分和润湿分散组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min，溶液充分溶解后自然冷却至室温；最后在搅拌速度120r/min的搅拌环境下缓慢加入阻锈组分、疏水组分和稳定组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min后静置，密封制成用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂。
涂刷以上阻锈强化剂后最终测试结果显示：盐雾腐蚀30d后混凝土表层1cm范围内钢纤维锈蚀失重率为9.1％，氯离子渗透深度为12.3mm。
对比例2
对比例2中缺少阻锈组分，其它与实施例1相同。
一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂及其制备方法，所述阻锈强化剂由以下各组分按重量百分比混合而成：
渗透反应组分，硅酸钠，30％，
催化剂组分，氟硅酸钠，2.0％，
润湿分散组分，十二烷基苯磺酸钠，0.05％，
阻锈组分，亚硝酸钙和乙醇胺，5％，
疏水组分，甲基硅酸钾，7％；
稳定组分，异丙醇，1.5％；
余量为水，总重量以100％计。
所述阻锈强化剂的制备方法：首先称取一半用量的水置于反应器中，加入渗透反应组分，以60r/min的搅拌速度搅拌10min；然后称取另一半水置于反应器中，依次加入催化剂组分和润湿分散组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min，溶液充分溶解后自然冷却至室温；最后在搅拌速度120r/min的搅拌环境下在第一步配制的溶液中，缓慢加入第二步配制的溶液、疏水组分和稳定组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min后静置，密封制成用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂。
涂刷以上阻锈强化剂后最终测试结果显示：盐雾腐蚀30d后混凝土表层1cm范围内钢纤维锈蚀失重率为18.2％，氯离子渗透深度为1.4mm。
对比例3
ZL201210277978.3公开了一种由脂肪酸和N,N-二甲基乙醇胺反应制备而成的有机钢筋混凝土阻锈剂。所得样品涂刷于混凝土表面后，经30d盐雾腐蚀，混凝土表层1cm范围内钢纤维失重率为10.3％，氯离子渗透深度为12.7mm。
对比例4
ZL201010517142.7发明了一种具有迁移扩散功能的阻锈剂。所得样品涂刷于混凝土表面后，经30d盐雾腐蚀，混凝土表层1cm范围内钢纤维失重率为6.5％，氯离子渗透深度为14.3mm。
对比例5
ZL201110245986.5提出了一种用于制造摩擦材料的钢纤维防锈方法，在钢纤维表层喷洒一层氢氧化钠、硝酸钠、亚硝酸钠的混合水溶液，然后与氢氧化钙粉末混合均匀后干燥。所得样品处理钢纤维制备混凝土后，经盐雾腐蚀30d，其中混凝土表层1cm内钢纤维锈蚀失重率为8.9％，氯离子渗透深度为13.5mm。
对比例6
ZL20141006427.2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。所得样品制备混凝土后，经盐雾腐蚀30d，其中混凝土表层1cm内钢纤维锈蚀失重率为4.1％，氯离子渗透深度为12.2mm。
本发明的各原料上下限取值，以及其区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
Claims (4)
1.一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂，其特征在于，由以下各组分按重量百分比混合而成：
渗透反应组分 10-30%，
催化剂组分 0.5-2.0%，
润湿分散组分 0.01-0.05%，
阻锈组分 1-5%，
疏水组分 5-10%，
稳定组分 0.5-2%，
水 余量，
总重量以100%计；
所述渗透反应组分为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂和硅溶胶中的任意一种；
所述催化剂组分为氟硅酸镁、氟硅酸钠、氟硅酸铵和聚合磷酸铝中的任意一种；
所述润湿分散组分为在25℃，PH=8-14范围内，溶液表面张力小于40 mN/m的表面活性剂；
所述阻锈组分为亚硝酸钙、钼酸钠、苯甲酸钠、乙醇胺、N-甲基乙醇胺、二乙醇胺和N,N-二甲基乙醇胺中的任意一种或二种的组合；
所述疏水组分为甲基硅酸钾、甲基硅酸钠和甲基硅醇钠中的任意一种；
所述稳定组分为异丙醇、二乙基己醇、二异丁基甲醇中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂，其特征在于，所述的润湿分散组分由硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、卵磷脂、三异丙醇胺、全氟表面活性剂、氟碳表面活性剂、有机硅表面活性剂的任意一种或二种的任意比例的混合物组成。
3.权利要求1或2所述的一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）称取一半用量的水置于反应器中，加入渗透反应组分，以60r/min的搅拌速度搅拌10min；
（2）称取另一半水置于反应器中，依次加入催化剂组分和润湿分散组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min，溶液充分溶解后自然冷却至室温；
（3）在搅拌速度为120r/min的搅拌环境下，在步骤（1）配制的溶液中，缓慢加入步骤（2）配制的溶液、阻锈组分、疏水组分和稳定组分，以120r/min的搅拌速度搅拌30min后静置，密封制成用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂。
4.权利要求1或2所述的一种用于钢纤维混凝土表层的阻锈强化剂的应用方法，其特征在于：在钢纤维混凝土拆模后的3天后均匀涂覆或喷洒于混凝土结构外露面或经常与侵蚀性介质接触表面，所述阻锈强化剂涂刷用量为2-4kg/m2。
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