CN105819691B - 用于钢筋防腐的小孔径无机涂层及其涂覆方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钢筋防腐的小孔径无机涂层，原料包括以下组分：玻璃粉40‑60份、助熔剂30‑50份、四氧化三锰4‑15份、纳米三氧化二铝1‑10份、陶瓷减水剂1‑5份。还公开了一种用于钢筋防腐的小孔径无机涂层的涂覆方法，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。本发明工艺简单，强度高、孔径小、致密性能好、防腐性能好，同时韧性高。

Description

用于钢筋防腐的小孔径无机涂层及其涂覆方法

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小孔径无机涂层及其涂覆方法。

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。

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、涂层内部孔径小的用于钢筋防腐的小孔径无机涂层及其涂覆方法。

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小孔径无机涂层，原料包括以下组分：玻璃粉40-60份、助熔剂30-50份、四氧化三锰4-15份、纳米三氧化二铝1-10份、陶瓷减水剂1-5份。

进一步的，所述玻璃粉过300-500目筛。

进一步的，所述助熔剂与玻璃粉的重量比为(0.6-0.8):1。

进一步的，所述助熔剂为硼砂。

进一步的，所述陶瓷减水剂为草酸钠、草酸铵中的一种或两种。

助熔剂既是涂层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，与玻璃粉协同作用加速涂层的形成。不同种类和不同重量比的助熔剂会影响涂层的最终烧结温度与烧结所需时间。助熔剂先于玻璃粉熔化，并粘结在玻璃粉周围。相对玻璃粉，助熔剂用量过少，涂层烧结温度过高；相对玻璃粉，助熔剂用量过多，过量的助熔剂无法与玻璃粉结合，反而会阻碍玻璃粉-助熔剂主体结构的形成，最终影响涂层结构的强度。

陶瓷减水剂是涂层烧结前的浆料中的添加剂。在浆料中微量添加，就可以大大减少浆料的需水量。涂层中孔洞的形成部分是烧结升温时水分蒸发造成的，所以，减少浆料的需水量可以明显减小涂层内的孔洞大小。涂层内孔洞减小，可以显著降低外部腐蚀物质的侵入速度，从而提高涂层的耐腐蚀性能。

本发明还公开了一种用于钢筋防腐的小孔径无机涂层的涂覆方法，包括如下步骤：

1)干混：将按组分比例称量的玻璃粉与助熔剂、四氧化三锰、纳米三氧化二铝及陶瓷减水剂倒入容器中，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与水的质量比为(3-6)：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500-660℃，烧结10分钟；

7)常温冷却，即得。

本发明在原有无机涂层技术的基础上，尝试使用不同配方并使用高效陶瓷减水剂，使得涂层内部的孔洞的直径大大下降，涂层整体的耐腐蚀性能进一步提高。其针对建筑钢筋受力变长和遇水易腐蚀的特性，以玻璃粉、助熔剂、陶瓷减水剂为主要原料，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，孔径大大减少，耐腐蚀性能得到明显提升。本发明的无机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。

综上所述，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5-7倍；(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。

本发明的有益效果是，工艺简单，强度高、孔径小、致密性能好、防腐性能好，同时韧性高。

附图说明

图1为常规无机涂层的电镜扫描图。

图2为本发明无机涂层的电镜扫描图。

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：将玻璃粉过400目筛，取50份过筛后的玻璃粉、35份硼砂、10份四氧化三锰、4份纳米三氧化二铝及1份草酸钠，其中硼砂与玻璃粉的的重量比为0.7:1，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20份水，其中混合物A与水的质量比为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：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600℃，保温烧结10分钟，自然冷却至室温，即得到涂覆有防腐的小孔径无机涂层的钢筋。

实施例2

预处理：同实施例1。

制取涂料：将玻璃粉过500目筛，取45份过筛后的玻璃粉、 32份硼砂、9份纳米三氧化二铝、11份四氧化三锰及3份草酸铵，其中硼砂与玻璃粉的重量比为0.72:1，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25份水，其中混合物A与水的质量比为4:1，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620℃，保温烧结10分钟，自然冷却至室温，即得到涂覆有防腐的小孔径无机涂层的钢筋。

实施例3

预处理：同实施例1。

制取涂料：将玻璃粉过300目筛，取55份过筛后的玻璃粉、36份硼砂、5份四氧化三锰、2份纳米三氧化二铝、1份草酸钠及1份草酸铵，其中硼砂与玻璃粉的的重量比为0.65:1，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17份水，其中混合物A与水的质量比为6:1，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25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550℃，保温烧结10分钟，自然冷却至室温，即得到涂覆有防腐的小孔径无机涂层的钢筋。

实施例4

预处理：同实施例1。

制取涂料：将玻璃粉过400目筛，取50份过筛后的玻璃粉、34份硼砂、10份四氧化三锰、2份纳米三氧化二铝及4份草酸钠，其中硼砂与玻璃粉的的重量比为0.72:1，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17份水，其中混合物A与水的质量比为6:1，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580℃，保温烧结10分钟，自然冷却至室温，即得到涂覆有防腐的小孔径无机涂层的钢筋。

实施例5

预处理：同实施例1。

制取涂料：将玻璃粉过400目筛，取52份过筛后的玻璃粉、34份硼砂、7份四氧化三锰、5份纳米三氧化二铝及2份草酸钠，其中硼砂与玻璃粉的的重量比为0.65:1，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18份水，其中混合物A与水的质量比为5.5:1，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650℃，保温烧结10分钟，自然冷却至室温，即得到涂覆有防腐的小孔径无机涂层的钢筋。

为了验证本发明的钢筋防腐的小孔径无机涂层和涂覆方法的 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，将本发明的防腐小孔径无机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5-7倍，因此本发明的钢筋防腐小孔径无机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

将本发明无机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。同时将已有的常规无机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。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，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。

本发明通过观察扫描电镜下涂层内部单个孔洞的直径大小，来间接判断涂层性能的优劣程度(即电镜照片中的孔洞直径较小的涂层，其耐腐蚀性能相对较好)，并且进行加速腐蚀实验来验证判断结果的真实性。

由于单张扫描电镜照片中孔洞数量众多，本发明以单张照片中直径最大的孔洞作为比较耐腐蚀性的依据，即电镜照片中最大孔洞的直径越小，对应的涂层耐腐蚀性越好。

由于孔洞直径对比结果的相似性，下面列举了已有的常规无机涂层和本发明无机涂层的孔洞直径计算过程和结果对比，并且附上两种涂层的加速腐蚀实验数据。为了简便起见，下文把已有的常规无机涂层称为涂层1(即图1中的涂层)，把本发明无机涂层称为涂层2(即图2中的涂层)。

通过计算可得，图2涂层内孔洞的最大直径为104微米，而图1涂层内孔洞的最大直径为176微米。说明本发明无机涂层的孔洞直径有明显减小，而且由加速腐蚀试验数据可知，涂层的耐腐蚀性能有了进一步提高。

补充说明：1.像素值单位为Pixels

2.例如图2中

3.图2中标尺长度300微米，图1中标尺长度500微米。

4)涂层1与涂层2的加速腐蚀实验对比

分别取两个实验组，每组分为已有的常规无机涂层钢筋(涂层1)和本发明的小孔径无机涂层钢筋(涂层2)各三个试样，总计试验钢筋个数为6个。将其置于5％的氯化钠溶液中,通电后进行加速腐蚀试验。

从上表可得，将本发明无机涂层(涂层2)高温涂覆于螺纹钢筋的表面，其耐腐蚀时间明显长于涂层1，因此，涂层内部孔径缩小确实可以明显改进涂层的耐腐蚀性能。

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 (5)

1.一种用于钢筋防腐的小孔径无机涂层，其特征在于：原料包括以下组分：玻璃粉40-60份、助熔剂30-50份、四氧化三锰4-15份、纳米三氧化二铝1-10份、陶瓷减水剂1-5份; 所述陶瓷减水剂为草酸钠、草酸铵中的一种或两种。

2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述玻璃粉过300-500目筛。

3.根据权利要求1或2所述的涂层，其特征在于：所述助熔剂与玻璃粉的重量比为(0.6-0.8):1。

4.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于：所述助熔剂为硼砂。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述用于钢筋防腐的小孔径无机涂层的涂覆方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）干混：将按组分比例称量的玻璃粉与助熔剂、四氧化三锰、纳米三氧化二铝及陶瓷减水剂倒入容器中，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与水的质量比为（3-6）：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）中得到的钢筋置于电炉中以3-10℃/分钟的速度升温至580-660℃，烧结10分钟；

7）常温冷却，即得。