CN106116438A - 一种磷酸镁基钢筋防护涂层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磷酸镁基钢筋防护涂层材料及其制备方法。所述磷酸镁基钢筋防护涂层材料，由磷酸镁胶凝组分、凝结时间调控组分、韧性提升组分、辅助增强组分、钢筋缓蚀组分与工作性调节组分混合而成。本发明可提升钢筋自出厂后运输、储存、加工与埋置于混凝土的全寿命周期有效防护；同时，有效改善涂层钢筋与混凝土的粘结力，通过在钢筋表面形成钝化膜实现磷酸镁基防护涂层之外的第二道钢筋防护层，从而有效提升钢筋耐腐蚀能力。

Description

一种磷酸镁基钢筋防护涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种磷酸镁基钢筋防护涂层材料。

背景技术

作为土木工程领域广泛使用的钢筋混凝土结构，钢筋锈蚀导致的结构失效是混凝土耐久性领域重点关注的核心问题。在过去几十年，严酷环境中钢筋混凝土的腐蚀机理与防护技术已得到了快速发展，针对钢筋锈蚀问题形成了钢筋阻锈剂、涂层钢筋与混凝土外防护涂料三大类技术。相对于其他两种技术，现有涂层钢筋防护效果好、自钢筋出厂、运输、储存到埋置于混凝土内部，全寿命周期性防护。因此，涂层钢筋在钢筋混凝土结构耐久性防护技术中占有重要地位。

根据防护机理的不同，现有涂层钢筋可以分为三大类：物理封闭型与化学反应型。

化学反应型涂层钢筋包括镀锌涂层钢筋、无机硅酸盐富锌涂层钢筋等技术，主要通过牺牲活性较高的金属作为阳极，从而保护作为阴极的钢筋。目前，这类钢筋防护涂层技术存在的问题在于制备工艺复杂、设备要求高、与混凝土握裹力较差，此外价格较高。

物理封闭型涂层钢筋包括环氧涂层钢筋(CN201593271《一种环氧树脂涂层钢筋》、CN103074960《一种双层环氧树脂涂层钢筋及其制备方法》)、磷酸铝涂层钢筋(CN104404502《一种磷酸盐基钢筋防腐涂层》)、陶瓷涂层钢筋(CN201210291249《陶瓷涂料涂层钢筋》)与聚合物水泥涂层钢筋(CN201110174304《水泥基迁移型钢筋阻锈涂料》、CN201310383193《一种钢筋无机防腐涂料的制备方法》、CN201510374612《一种水泥基混凝土钢筋防锈涂料及其制备方法和应用》)等技术，主要通过在钢筋表面形成低渗透的封闭涂层，隔断水分、氧气与氯离子与钢筋表面的接触和反应，从而有效抑制钢筋锈蚀。目前，这类钢筋防护涂层中环氧涂层钢筋应用最广泛，于1973年美国首次试用于桥面板，此后陆续在全球得到应用。

然而，环氧涂层钢筋技术存在如下技术问题：环氧涂层钢筋现在主要采用静电喷涂方法环，对设备与工艺要求高；氧涂层钢筋在施工现场加工与捆扎时易于发生破坏，从而导致钢筋在局部产生明显的点蚀现象；环氧涂层与混凝土界面粘结力较弱；环氧涂层硬度高、但脆性大，易导致局部破损。磷酸铝涂层钢筋技术中磷酸铝涂层的力学性能较差，埋入混凝土中后在外力荷载作用下发生开裂，导致钢筋点蚀加剧；同时，该体系中铝粉可与磷酸盐溶液发生反应释放出气体，导致涂层酥松多孔，降低涂层的渗透性，对钢筋的保护作用发生明显降低。与磷酸铝涂层钢筋技术相似，聚合物水泥涂层钢筋技术同样存在力学性能差、在外加荷载作用下易导致破坏的问题。陶瓷涂层技术则需要专用高温设备与工艺处理，且涂覆陶瓷涂层钢筋不适合于施工现场的加工与使用。

基于上述分析可知：涂层钢筋技术还能在下述四个方面进行改进：首先，钢筋表面涂层需要具有较高的力学性能与韧性，可以实现运输、加工与埋置的荷载作用不发生破坏；其次，该涂层应能够在5-70℃的潮湿环境中自主实现凝结硬化，以免还需要专门的固化设备与加热工艺；再次，该涂层材料应具有优良的可加工性能，在施工现场可以方便地对涂层钢筋加工中发生破坏部位进行快速修补；最后，该涂层材料与混凝土之间的界面粘结力应较强。

发明内容

为实现上述四项改进，本发明提供一种磷酸镁基钢筋防护涂层材料及其制备方法。

磷酸镁水泥是一种以酸碱中和反应为基础形成化学键而产生强度的胶凝材料，这类胶凝材料具有如下不同于传统水泥所的优异性能：早强快硬、粘结力强、体积稳定性好、耐热性好、耐高温、与旧混凝土之间的相容性好、耐久性好及环境适应性广等的优点。已有研究表明：磷酸镁水泥3h抗压强度和抗折强度分别可达72.8MPa和11.1MPa，28d抗压强度和抗折强度分别可达98.6MPa和14.8MPa。因此，磷酸镁水泥具有适于制备高强度涂料的优异基本性能。

鉴于上述钢筋防护涂层材料需要解决的关键技术问题，本发明以具有超早强与快硬特征的磷酸镁水泥为基体，采用高强水凝胶增韧改性技术与钢筋表面钝化膜技术实现磷酸镁水泥的改性，制备磷酸镁基钢筋防护涂层。

本发明所述磷酸镁基钢筋防护涂层材料由组分A和组分B双组份组成；所述组分A由磷酸镁胶凝组分、凝结时间调控组分、辅助增强组分、钢筋缓蚀组分和工作性调节组分混合而成，所述组分B由韧性提升组分和水组成；A组分与B组分比例为19:1-4.7:1；

组分A中各组分的重量份数比为：

组分B中：水和韧性提升组分的水固比为50:1至100:1；

所述的磷酸镁胶凝组分为活性氧化镁、与磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸二氢铵中的任意两种或三种的组合，上述组分中氧化镁与磷酸盐的质量比为1:1至5:1。

所述的凝结时间调控组分，为硼砂与葡萄糖钠、氯化锌、硫酸锌、醋酸钠、甲酸钠中的任意一种或两种的组合，上述组分中硼砂与其他凝结时间调控组分的质量比为9:1至4:1

所述的韧性提升组分，为聚乙烯醇水凝胶、聚丙烯酰胺水凝胶、明胶、淀粉-丙烯酸接枝聚合物水凝胶的任意两种的任意比例组合。

上述韧性提升组分需满足如下指标：杨氏模量≥7KPa,极限应变≥1000％。

所述的辅助增强组分，为氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸钾等的任意两种的任意比例组合。

所述的钢筋缓蚀组分，为亚硝酸钠、亚硝酸钙、硝酸钙、铬酸钠、铬酸钾、氯化亚锡中一种或两种的任意比例的混合剂等的任意两种或三种的混合。

所述的工作性调节组分，为纤维素、纤维素醚、石英粉、石灰石粉、滑石粉、钛白粉与立德粉的任意两种或三种的混合。

所述的磷酸镁基钢筋防护涂层材料的制备方法：按照磷酸镁胶凝组分、凝结时间调控组分、辅助增强组分与钢筋缓蚀组分的重量含量选取各组分。将上述材料组分经粉磨至颗粒粒径小于300目后，经过搅拌与混合至均匀状态后得到磷酸镁基钢筋防护涂层材料的A组分。

将韧性提升组分于50～70℃水浴中，按照水固比为50:1至100:1的比例加热溶解后冷却得到磷酸镁基钢筋防护涂层材料的B组分。

在实际应用中，A组分与B组分比例为2:1-5:1的条件下，工程现场经搅拌均匀后得磷酸镁基钢筋防护涂层材料，该涂料可通过喷涂或刷涂的工艺涂覆于钢筋表面形成防护型涂层。

本发明的有益效果是：

第一，在钢筋出厂阶段时，涂覆于钢筋表面制备具有高强与柔韧性的防护涂层，实现钢筋至出厂后运输、储存、加工与埋置于混凝土的全寿命周期有效防护；

第二，磷酸镁基钢筋防护涂层制备工艺简单、便捷，当施工现场需要对涂层钢筋进行加工处理发生破坏时，可及时手工进行修复，避免了封闭型涂层钢筋在施工易破损、难修复的技术难题；

第三，磷酸镁基钢筋防护涂层为无机涂层材料，与混凝土具有相容性好的特征，同时磷酸镁水泥粘结强度较高，因此可有效改善涂层钢筋与混凝土的粘结力；

第四，磷酸镁基钢筋防护涂层自身具有钢筋缓蚀组分，通过在钢筋表面形成钝化膜实现磷酸镁基防护涂层之外的第二道钢筋防护层，从而有效提升钢筋耐腐蚀能力。

第五，磷酸镁基钢筋防护涂层采用了高强水凝胶作为韧性提升组分，从而有效提升涂层的柔软抗裂性。

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。

实施例1：

一种磷酸镁基钢筋防护涂层材料及其制备方法，它包括如下步骤：

A组分：总计95％

磷酸镁胶凝组分：活性氧化镁40％、磷酸二氢钠41％；

凝结时间调控组分：葡萄糖钠0.6％、硼砂2.4％；

辅助增强组分：氧化钙2％；

钢筋缓蚀组分：亚硝酸钠1％、亚硝酸钙1％；

工作性调节组分：纤维素1.5％、石英粉5.5％

B组分：总计5％

韧性提升组分：聚乙烯醇水凝胶5％，杨氏模量15KPa,极限应变为1350％；

按照磷酸镁胶凝组分、凝结时间调控组分、辅助增强组分与钢筋缓蚀组分的重量含量选取各组分。将上述材料组分经粉磨至颗粒粒径小于300目后，经过搅拌与混合至均匀状态后得到磷酸镁基钢筋防护涂层材料的A组分。将韧性提升组分于50℃水浴中，按照水固比为50:1的比例加热溶解后冷却得到磷酸镁基钢筋防护涂层材料的B组分。在实际应用中，A组分与B组分比例为2:1的条件下，工程现场经搅拌均匀后得磷酸镁基钢筋防护涂层材料，该涂料可通过喷涂与刷涂的工艺涂覆于钢筋表面形成防护型涂层。

通过盐水浸烘环境中钢筋腐蚀面积百分率(参照JGJ/T 192《钢筋阻锈剂应用技术规程》，下同)、盐水溶液中防锈性能(参照JGJ/T 192《钢筋阻锈剂应用技术规程》，下同)、和钢筋间握裹力试验(参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，下同)，对比市售环氧涂层与聚合物水泥涂层对建筑HRB400钢筋性能的影响，结果表明：磷酸镁基防护涂层明显提升了钢筋的耐腐蚀性，同时优于环氧涂层与聚合物水泥涂层的性能。

表1磷酸镁基钢筋防护涂层材料对建筑HRB400钢筋防护性能的影响

实施例2：

一种磷酸镁基钢筋防护涂层材料及其制备方法，它包括如下步骤：

A组分：总计92％

磷酸镁胶凝组分：活性氧化镁43％、磷酸二氢钾14％；

凝结时间调控组分：硼砂7.2％、甲酸钠0.8％；

辅助增强组分：氢氧化钙1％、碳酸钠4％；

钢筋缓蚀组分：铬酸钠1％、氯化亚锡5％；

工作性调节组分：纤维素醚1％、滑石粉15％

B组分：总计8％

韧性提升组分：聚丙烯酰胺水凝胶6％，杨氏模量10KPa,极限应变为1410％；明胶2％，，杨氏模量19KPa,极限应变为,1120％；

制备方法：按照磷酸镁胶凝组分、凝结时间调控组分、辅助增强组分与钢筋缓蚀组分的重量含量选取各组分。将上述材料组分经粉磨至颗粒粒径小于300目后，经过搅拌与混合至均匀状态后得到磷酸镁基钢筋防护涂层材料的A组分。将韧性提升组分于70℃水浴中，按照水固比为100:1的比例加热溶解后冷却得到磷酸镁基钢筋防护涂层材料的B组分。在实际应用中，A组分与B组分比例为3:1的条件下，工程现场经搅拌均匀后得磷酸镁基钢筋防护涂层材料，该涂料可通过喷涂与刷涂的工艺涂覆于钢筋表面形成防护型涂层。

通过盐水浸烘环境中钢筋腐蚀面积百分率(参照JGJ/T 192《钢筋阻锈剂应用技术规程》，下同)、盐水溶液中防锈性能(参照JGJ/T 192《钢筋阻锈剂应用技术规程》，下同)、和钢筋间握裹力试验(参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，下同)，对比市售环氧涂层与聚合物水泥涂层对建筑HRB400钢筋性能的影响，结果表明：磷酸镁基防护涂层明显提升了钢筋的耐腐蚀性，同时优于环氧涂层与聚合物水泥涂层的性能。

表2磷酸镁基钢筋防护涂层材料对建筑HRB400钢筋防护性能的影响

实施例3：

一种磷酸镁基钢筋防护涂层材料及其制备方法，它包括如下步骤：

A组分：总计82.5％

磷酸镁胶凝组分：活性氧化镁45.8％、磷酸二氢钾5％、磷酸二氢铵4.2％；

凝结时间调控组分：硼砂6.4％、醋酸钠1％、硫酸锌0.6％；

辅助增强组分：氢氧化钾1％、碳酸钾2.5％；

钢筋缓蚀组分：亚硝酸钙1％、硝酸钙3％；

工作性调节组分：石灰石粉7％、立德粉5％。

B组分：总计17.5％

韧性提升组分：淀粉-丙烯酸接枝聚合物水凝胶17.5％，杨氏模量9KPa,极限应变为1700％；

制备方法：按照磷酸镁胶凝组分、凝结时间调控组分、辅助增强组分与钢筋缓蚀组分的重量含量选取各组分。将上述材料组分经粉磨至颗粒粒径小于300目后，经过搅拌与混合至均匀状态后得到磷酸镁基钢筋防护涂层材料的A组分。将韧性提升组分于60℃水浴中，按照水固比为70:1的比例加热溶解后冷却得到磷酸镁基钢筋防护涂层材料的B组分。在实际应用中，A组分与B组分比例为5:1的条件下，工程现场经搅拌均匀后得磷酸镁基钢筋防护涂层材料，该涂料可通过喷涂与刷涂的工艺涂覆于钢筋表面形成防护型涂层。

通过盐水浸烘环境中钢筋腐蚀面积百分率(参照JGJ/T 192《钢筋阻锈剂应用技术规程》，下同)、盐水溶液中防锈性能(参照JGJ/T 192《钢筋阻锈剂应用技术规程》，下同)、和钢筋间握裹力试验(参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，下同)，对比市售环氧涂层与聚合物水泥涂层对建筑HRB400钢筋性能的影响，结果表明：磷酸镁基防护涂层明显提升了钢筋的耐腐蚀性，同时优于环氧涂层与聚合物水泥涂层的性能。

表3磷酸镁基钢筋防护涂层材料对建筑HRB400钢筋防护性能的影响

Claims (2)

1.一种磷酸镁基钢筋防护涂层材料，其特征在于，由组分A和组分B双组份组成；所述组分A由磷酸镁胶凝组分、凝结时间调控组分、辅助增强组分、钢筋缓蚀组分和工作性调节组分混合而成，所述组分B由韧性提升组分和水组成；A组分与B组分比例为19:1-4.7:1；

组分A中各组分的重量份数比为：

组分B中：水和韧性提升组分的水固比为50:1至100:1；

所述的磷酸镁胶凝组分为活性氧化镁、与磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、磷酸二氢铵中的任意一种或两种的组合，前述组合中氧化镁与磷酸盐的质量比为1:1至5:1；

所述的凝结时间调控组分，为硼砂与葡萄糖钠、氯化锌、硫酸锌、醋酸钠、甲酸钠中的任意一种或两种的组合，上述组分中硼砂与其他凝结时间调控组分的质量比为9:1至4:1；

所述的辅助增强组分，为氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、碳酸钠、碳酸钾中的任意两种的任意比例组合；

所述的钢筋缓蚀组分，为亚硝酸钠、亚硝酸钙、硝酸钙、铬酸钠、铬酸钾、氯化亚锡中的一至三种的任意比例的混合；

所述的工作性调节组分，为纤维素、纤维素醚、石英粉、石灰石粉、滑石粉、钛白粉与立德粉的任意两种或三种的任意比例的混合；

所述的韧性提升组分，为聚乙烯醇水凝胶、聚丙烯酰胺水凝胶、明胶、淀粉-丙烯酸接枝聚合物水凝胶的任意两种的任意比例组合；且满足如下指标：杨氏模量≥7KPa,极限应变≥1000％。

2.权利要求1所述的磷酸镁基钢筋防护涂层材料的制备方法，其特征在于，按照磷酸镁胶凝组分、凝结时间调控组分、辅助增强组分与钢筋缓蚀组分的重量含量选取各组分；将上述材料组分经粉磨至颗粒粒径小于300目后，经过搅拌与混合至均匀状态后得到磷酸镁基钢筋防护涂层材料的A组分；

将韧性提升组分于50～70℃水浴中，按照水固比为50:1至100:1的比例加热溶解后冷却得到磷酸镁基钢筋防护涂层材料的B组分。