CN111153626A - 一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂及其制备方法，该阻锈剂包括30‑50份N，N‑二甲基乙醇胺、20‑30份聚羧酸三元共聚物、5‑10份2‑苯基咪唑啉季铵盐、10‑15份氢氧化物、1‑5份水性聚苯胺、2‑5份多元醇磷酸酯、40‑60份水，pH为11‑13.5。本发明的混凝土钢筋阻锈剂对混凝土结构有良好的保持性，且具有高效的钢筋阻锈性能，可应用于海港工程、沿海建筑、民用建筑等钢筋混凝土结构。

Description

一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体的涉及一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂及其制备方法。
背景技术
钢筋混凝土是由水泥、砂、石和钢筋构成的一种组合材料。钢筋的作用是改善混凝土的抗拉性能。钢筋混凝土是世界上应用最普遍、范围最广的结构材料之一。混凝土中的水泥是一种碱性材料原料。水泥水解时会产生大量Ca(OH)2，并充满混凝土的孔隙中，形成Ca(OH)2的过饱和溶液，pH值通常在12至13之间。钢筋被包裹在强碱性介质中时，其表面会生成一层致密的尖晶石固溶体Fe3O4–γFe2O3钝化膜，可以阻止钢筋的腐蚀。
然而，钢筋的腐蚀会导致钢筋混凝土结构材料性能下降甚至失效。除了改变钢筋混凝土材料本身的抗腐蚀性能外，常用的外部防腐方法有：采用阴极保护、在钢筋或混凝土表面涂刷防腐层、使用钢筋阻锈剂等。氯离子是引起钢筋腐蚀的重要原因，这已在大量工程中得到证实。氯离子能破坏钢筋表面的钝化膜，使钢筋发生局部腐蚀。形成阻隔层、通过氧化作用引起钢筋表面钝化以及改善混凝土内部与钢筋接触的介质环境是阻锈剂发挥作用的主要途径。由于客观原因，现有技术主要是对现有具有阻锈功能的物质进行复配。由于特定的腐蚀环境导致海工混凝土采用的阻锈剂有其特殊性，所采用的阻锈剂不仅需要发挥良好的阻锈效果，同时也不能对混凝土性能产生不良影响。
中国专利CN 107216423 A公开了一种钢筋混凝土阻锈剂及其制备方法，相比于现有技术，制备过程简便、原料易得，所制备得到的阻锈剂属于高分子材料，性质稳定、绿色环保、缓蚀阻锈性能优异，同时还具有优良的耐盐水性，可广泛应用于近海、海港码头、沿海工业和民用钢筋混凝土建筑。中国专利CN103755200A公开了一种掺入型咪唑离子液体混凝土钢筋阻锈剂和应用。所述阻锈剂组成按重量百分比为：咪唑离子液体5～30％，有机醇5～15％，有机金属盐0.3～1.5％，水60～85％。使用时按阻锈剂推荐用量直接加到水中溶解混合即可，同时按组成中水的比例扣减相应混凝土浇注时的用水量，其添加量以每立方米混凝土构建物所需要的水泥重量计算。本发明可有效降低和减缓混凝土中钢筋的锈蚀，降低氯离子对钢筋表面钝化性能的破坏，从而延长氯离子诱发钢筋腐蚀的时间。该阻锈剂可广泛应用于近海、海港码头、沿海工业和民用钢筋混凝土建筑。
如何开发优良性能的海工混凝土的钢筋阻锈剂仍然是市场上迫切需要解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供了用于海工混凝土的钢筋阻锈剂及其制备方法，该阻锈剂能够有效保护钢筋混凝土在海水中不被腐蚀，能够延长使用寿命，同时也不会降低钢筋混凝土的性能。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括30-50份N，N-二甲基乙醇胺、20-30份聚羧酸三元共聚物、5-10份2-苯基咪唑啉季铵盐、10-15份氢氧化物、1-5份水性聚苯胺、2-5份多元醇磷酸酯、40-60份水，pH为11-13.5。
进一步地，一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括35-45份N，N-二甲基乙醇胺、22-28份聚羧酸三元共聚物、6-8份2-苯基咪唑啉季铵盐、12-13份氢氧化物、2-4份水性聚苯胺、3-4份多元醇磷酸酯、45-55份水，pH为12-13。
进一步地，一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括40份N，N-二甲基乙醇胺、25份聚羧酸三元共聚物、7份2-苯基咪唑啉季铵盐、12份氢氧化物、2份水性聚苯胺、50份水，pH为12.7。
进一步地，一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括50份N，N-二甲基乙醇胺、30份聚羧酸三元共聚物、10份2-苯基咪唑啉季铵盐、15份氢氧化物、5份水性聚苯胺、5份多元醇磷酸酯、60份水，pH为12.4。
进一步地，一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括30份N，N-二甲基乙醇胺、20份聚羧酸三元共聚物、5份2-苯基咪唑啉季铵盐、10份氢氧化物、1份水性聚苯胺、3份多元醇磷酸酯、40份水，pH为12.2。
进一步地，聚羧酸三元共聚物，其采用甲基丙烯酸、聚乙二醇单甲醚、甲基丙烯磺酸钠作为单体发生聚合反应生成。具体的制备方法为：
在反应器中加入一定量的去离子水和聚乙二醇单甲醚，待温度升到80-150摄氏度，加入链转移剂巯基乙酸和过氧化氢，待反应液稳定之后，开始滴加甲基丙烯酸及甲基丙烯酸的混合单体2～2.5h和引发剂硫酸亚铁2.5～3h。滴加完之后恒温反应2～3h，冷却至室温，用20-30％的NaOH调节其pH值至6.4～7.2，得到聚羧酸三元共聚物。
进一步，甲基丙烯酸、聚乙二醇单甲醚、甲基丙烯磺酸钠单体之间的摩尔比为(1-2)：(4-8)：(2-3)。
一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)在容器中加入水，然而加热至40-50℃下依次加入N，N-二甲基乙醇胺、2-苯基咪唑啉季铵盐、水性聚苯胺，搅拌5-10min；
(2)继续加热至60-65℃，再次加入多元醇磷酸酯、聚羧酸三元共聚物并搅拌5-10min，最后加入氢氧化物调节pH值。
本发明具有如下有益效果：
1、N，N-二甲基乙醇胺分子通过在钢筋表面物理化学吸附形成保护膜，抑制氯离子对钢筋表面的腐蚀，其中分子极性基团中的N，0等杂环原子通过超共轭效应、氢键、空间位阻效应，牢固地吸附在钢筋表面，改变了钢筋表面的电荷状态和界面性质；另外，分子中的碳氢等非极性基团憎水基起隔离作用，能有效阻碍氯离子在阴极区的运动，隔离有害的氯离子与钢筋接触而达到减少钢筋锈蚀的目的，可以显著降低钢筋锈蚀速度。
2、导电聚合物材料聚苯胺结构上存在离域的共轭π电子而导电，在钢筋金属表面形成一层钝化的氧化物保护膜，当表面存现缺陷时由于其导电性使得钢筋金属处于钝化态，从而发挥较好的保护性能。
3、咪唑啉季铵盐在掺氯盐混凝土试块中的电迁移研究，电场加速了阻锈剂的迁移，同时可有效降低氯含量，增加钢筋腐蚀电阻。
4、依然保持了混凝土的性能，其减水性以及抗压强度还有所提高。
附图说明
图1为实施例与对比例的Tafel极化曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述特征、目的以及优点更加清晰易懂，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括40份N，N-二甲基乙醇胺、25份聚羧酸三元共聚物、7份2-苯基咪唑啉季铵盐、12份氢氧化物、2份水性聚苯胺、3份多元醇磷酸酯、50份水，pH为12.7。其制备方法包括以下步骤：(1)在容器中加入水，然而加热至45℃下依次加入N，N-二甲基乙醇胺、2-苯基咪唑啉季铵盐、水性聚苯胺，搅拌5min；(2)继续加热至60℃，再次加入多元醇磷酸酯、聚羧酸三元共聚物并搅拌5min，最后加入氢氧化物调节pH值。
实施例2
一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括50份N，N-二甲基乙醇胺、30份聚羧酸三元共聚物、10份2-苯基咪唑啉季铵盐、15份氢氧化物、5份水性聚苯胺、5份多元醇磷酸酯、60份水，pH为12.4。其制备方法包括以下步骤：(1)在容器中加入水，然而加热至50℃下依次加入N，N-二甲基乙醇胺、2-苯基咪唑啉季铵盐、水性聚苯胺，搅拌5min；(2)继续加热至65℃，再次加入多元醇磷酸酯、聚羧酸三元共聚物并搅拌5min，最后加入氢氧化物调节pH值。
实施例3
一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括30份N，N-二甲基乙醇胺、20份聚羧酸三元共聚物、5份2-苯基咪唑啉季铵盐、10份氢氧化物、1份水性聚苯胺、3份多元醇磷酸酯、40份水，pH为12.2。其制备方法包括以下步骤：(1)在容器中加入水，然而加热至40℃下依次加入N，N-二甲基乙醇胺、2-苯基咪唑啉季铵盐、水性聚苯胺，搅拌5min；(2)继续加热至60℃，再次加入多元醇磷酸酯、聚羧酸三元共聚物并搅拌6min，最后加入氢氧化物调节pH值。
对比例1
一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括25份聚羧酸三元共聚物、7份2-苯基咪唑啉季铵盐、12份氢氧化物、2份水性聚苯胺、3份多元醇磷酸酯、50份水。其制备方法包括以下步骤：(1)在容器中加入水，然而加热至45℃下依次加入2-苯基咪唑啉季铵盐、水性聚苯胺，搅拌5min；(2)继续加热至60℃，再次加入多元醇磷酸酯、聚羧酸三元共聚物并搅拌5min，最后加入氢氧化物调节pH值。
对比例2
一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括40份N，N-二甲基乙醇胺、7份2-苯基咪唑啉季铵盐、12份氢氧化物、2份水性聚苯胺、3份多元醇磷酸酯、50份水。其制备方法包括以下步骤：(1)在容器中加入水，然而加热至45℃下依次加入N，N-二甲基乙醇胺、2-苯基咪唑啉季铵盐、水性聚苯胺，搅拌5min；(2)继续加热至60℃，在依次加入多元醇磷酸酯并搅拌5min，最后加入氢氧化物调节pH值。
对比例3
一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括40份N，N-二甲基乙醇胺、25份聚羧酸三元共聚物、12份氢氧化物、2份水性聚苯胺、3份多元醇磷酸酯、50份水。其制备方法包括以下步骤：(1)在容器中加入水，然而加热至45℃下依次加入N，N-二甲基乙醇胺、水性聚苯胺，搅拌5min；(2)继续加热至60℃，再次加入多元醇磷酸酯、聚羧酸三元共聚物并搅拌5min，最后加入氢氧化物调节pH值。
对比例4
一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，按重量份计，包括40份N，N-二甲基乙醇胺、25份聚羧酸三元共聚物、7份2-苯基咪唑啉季铵盐、12份氢氧化物、3份多元醇磷酸酯、50份水。其制备方法包括以下步骤：(1)在容器中加入水，然而加热至45℃下依次加入N，N-二甲基乙醇胺、2-苯基咪唑啉季铵盐，搅拌5min；(2)继续加热至60℃，再次加入多元醇磷酸酯、聚羧酸三元共聚物并搅拌5min，最后加入氢氧化物调节pH值。
以下主要以实施例1以及对比例1-4进行表征，通过对比来阐述本发明的技术方案和取得的技术效果。
根据《混凝土外加剂》(GB 8076--2008)规定，减水率为坍落度基本相同时基准混凝土和掺外加剂混凝土单位用水量之比。试验测得海工混凝土的钢筋阻锈剂的减水率见表1。参照GB/T8076-2008《混凝土外加剂》中规定制备混凝土，用于测试阻锈剂对混凝土性能的影响。其中，基准水泥用量330kg/m3，水胶比0.55，阻锈剂掺量为2kg/m3，砂、石子及砂率均满足标准要求。测试掺入实施例1和对比例1～4阻锈剂对混凝土凝结时间及强度的影响，见表1。
表1
Figure BDA0002354496580000061
通过上述数据可以看出，其他实施例中的减水率以及不同龄期抗压强度均低于本发明实施例，由此可见，本发明海工混凝土的钢筋阻锈剂在一定程度上能够提高混凝土结构的强度，且减水率大于25％，完全符合混凝土外加剂的添加标准。在不含聚羧酸三元共聚物的情况下，减水率显著降低，该阻锈剂并不符合混凝土外加剂的添加标准。
利用Autolab电化学工作站在0.5mol·L-1NaCl溶液中测试阻锈效果。其中，钢筋电极作为工作电极，参比电极和辅助电极分别为饱和甘汞电极和铂电极。图1中a-e为实施例1、对比例1-4对应的Tafel曲线。表2是对应Tafel曲线的拟合参数。从拟合数据，本发明实施例的海工混凝土的钢筋阻锈剂具有最小的腐蚀电流密度和最大的极化电阻Rp。这是因为阻锈剂在钢筋表面形成了致密、均匀的钝化膜，能够显著提高钢筋在0.5mol·L-1NaCl溶液中的防腐蚀性能。由此可见，本发明的阻锈剂可以有效降低和减缓混凝土中钢筋的腐蚀、降低氯离子对钢筋表面钝化膜的破坏，对钢筋起到良好的阻锈和保护作用。
表2
I<sub>corr</sub>A/cm<sup>2</sup> α<sub>c</sub>V/dec β<sub>c</sub>V/dec R<sub>p</sub>Ω·cm<sup>2</sup> E<sub>corr</sub>/V
实施例1 4.923×10<sup>-8</sup> 0.062 0.072 2.956×10<sup>5</sup> -0.179
对比例1 3.721×10<sup>-7</sup> 0.099 0.516 1.005×10<sup>5</sup> -0.187
对比例2 4.162×10<sup>-7</sup> 0.094 0.704 8.668×10<sup>4</sup> -0.173
对比例3 2.473×10<sup>-7</sup> 0.108 0.223 1.299×10<sup>5</sup> -0.192
对比例4 1.515×10<sup>-7</sup> 0.085 0.133 1.491×10<sup>5</sup> -0.182
本领域技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改，因此所有等同的技术方案也应属于本发明的范畴。

Claims (8)

1.一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，其特征在于，按重量份计，包括30-50份N，N-二甲基乙醇胺、20-30份 聚羧酸三元共聚物、5-10份2-苯基咪唑啉季铵盐、10-15份氢氧化物、1-5份水性聚苯胺、2-5份多元醇磷酸酯、40-60份水，pH为11-13.5。
2.根据权利要求1所述的一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，其特征在于，按重量份计，包括35-45份N，N-二甲基乙醇胺、22-28份 聚羧酸三元共聚物、6-8份2-苯基咪唑啉季铵盐、12-13份氢氧化物、2-4份水性聚苯胺、3-4份多元醇磷酸酯、45-55份水，pH为12-13。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，其特征在于，按重量份计，包括40份N，N-二甲基乙醇胺、25份聚羧酸三元共聚物、7份2-苯基咪唑啉季铵盐、12份氢氧化物、2份水性聚苯胺、50份水，pH为12.7。
4.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，其特征在于，按重量份计，包括50份N，N-二甲基乙醇胺、30份 聚羧酸三元共聚物、10份2-苯基咪唑啉季铵盐、15份氢氧化物、5份 水性聚苯胺、5份多元醇磷酸酯、60份水，pH为12.4。
5.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，其特征在于，按重量份计，包括30份N，N-二甲基乙醇胺、20份 聚羧酸三元共聚物、5份2-苯基咪唑啉季铵盐、10份氢氧化物、1份水性聚苯胺、3份多元醇磷酸酯、40份水，pH为12.2。
6.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，其特征在于，聚羧酸三元共聚制备方法为：在反应器中加入一定量的去离子水和聚乙二醇单甲醚，待温度升到80-150摄氏度，加入链转移剂巯基乙酸和过氧化氢，待反应液稳定之后，开始滴加甲基丙烯酸及甲基丙烯酸的混合单体2～2.5h和引发剂硫酸亚铁 2.5～3h；滴加完之后恒温反应 2～3h，冷却至室温，用20-30%的NaOH调节其 pH 值至 6.4～7.2，得到聚羧酸三元共聚物。
7.根据权利要求6所述的一种用于海工混凝土的钢筋阻锈剂，其特征在于，甲基丙烯酸、聚乙二醇单甲醚、甲基丙烯磺酸钠单体之间的摩尔比为（1-2）：（4-8）：（2-3）。
8.一种权利要求1-7任一项所述的用于海工混凝土的钢筋阻锈剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）在容器中加入水，然而加热至40-50℃下依次加入N，N-二甲基乙醇胺、2-苯基咪唑啉季铵盐、水性聚苯胺，搅拌5-10min；
（2）继续加热至60-65℃，再次加入多元醇磷酸酯、聚羧酸三元共聚物并搅拌5-10min，最后加入氢氧化物调节pH值。
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