CN111763028A - 一种咪唑衍生物作为新建钢筋混凝土防腐蚀材料的应用 - Google Patents

一种咪唑衍生物作为新建钢筋混凝土防腐蚀材料的应用 Download PDF

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    • C04B2103/61—Corrosion inhibitors

Abstract

本发明公开一种咪唑衍生物作为新建钢筋混凝土防腐蚀材料的应用，所述咪唑衍生物的化学结构如下式I所示，其中，R选自C8‑C16烷基。本发明应用中，在咪唑环上引入极性基团，制成一种羟基功能化的咪唑季铵盐，其能够作为阳离子阻锈剂，通过外加电场作用导入新建混凝土中，对混凝土中的钢筋产生良好的抗腐蚀性能，或者通过自然迁移方式迁移到混凝土中，改善新建混凝土的孔隙率。

Description

一种咪唑衍生物作为新建钢筋混凝土防腐蚀材料的应用
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种咪唑衍生物作为新建钢筋混凝土防腐蚀材料的应用。
背景技术
随着钢筋混凝土在海洋环境下广泛的应用，由于其自身必然存在着孔隙，因而海水中富含的盐类，尤其是氯离子极易进入钢筋混凝土的内部，导致钢筋面临严峻的腐蚀风险，由于钢筋的腐蚀从内部开始，因而发现时钢筋往往已经发生腐蚀，导致钢筋混凝土的结构性能下降甚至破坏，极大的限制了海工建筑的使用性能和服役寿命，进一步引起的安全事故和经济损失明显增加。因此从源头上预防钢筋的腐蚀成为关键，其中使用钢筋阻锈剂是一种最方便、经济性好的有效方法。
现阶段钢筋阻锈剂的种类很多，按照化学成分可分为无机、有机及复合类。无机阻锈剂以亚硝酸盐类最为常用，曾广泛应用于工程建筑中，但由于其溶出物含有的致癌作用导致继续大规模应用的可能性很小；有机阻锈剂以醇胺类最为常用，其通过在钢筋表面形成单分子层吸附膜阻止、延缓钢筋腐蚀，但研究表明其在混凝土中的渗透、迁移能力十分有限，因而真实阻锈效果并不理想；综合来看，绿色环保、迁移能力出色的钢筋阻锈剂是目前的研究热点。
针对新建钢筋混凝土结构，传统钢筋阻锈剂一般以加水拌合的方式添加到新拌混凝土中，或将阻锈剂用作防腐涂料刷在混凝土表面通过渗透、扩散的方式进入混凝土内部、钢筋表面，然而受限于已有的钢筋阻锈剂的自然迁徙能力，防腐蚀的效果有待提高；另一方面，钢筋和混凝土基体间的空隙是钢筋腐蚀的必要条件，因此，减少新建钢筋混凝土内部两者间空隙可以直接降低腐蚀介质的渗入量，进而缓解钢筋的锈蚀。考虑以上两点，开发绿色的、可改善混凝土孔隙的、迁移能力强的新型钢筋阻锈剂可以多重效果地防止钢筋锈蚀。
发明内容
发明目的：为了克服现有钢筋阻锈剂应用上的不足，本发明提供一种能在碱性混凝土模拟液具备更好溶解性的、迁移能力强的绿色有机阻锈剂的新应用，通过自然迁移、外加电源的方式应用到新建钢筋混凝土中，效果显著。
技术方案：为达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种咪唑衍生物作为新建钢筋混凝土防腐蚀材料的应用，所述咪唑衍生物的化学结构如下式I所示：
Figure BDA0002543275660000021
其中，R选自C8-C16烷基。
作为优选：
所述R选自C12H25-或C16H33-，这些烷基包括直链或者含有支链的烷基。
所述咪唑衍生物的制备方法包括以下步骤：
(1)将咪唑与含8到16个碳原子的卤代烷溶于有机溶剂中，在高温高压条件下反应，干燥后得到中间体；
(2)将上述得到的中间体与2-溴乙醇在有机溶剂中混合，移至反应釜中，然后高温高压条件下反应，干燥后，即得所述咪唑衍生物。
步骤(1)中，参与反应的咪唑与卤代烷按照摩尔比1：0.5进行混合，反应温度在120-150℃，反应时间为12-24h。
步骤(2)中，所述中间体与2-溴乙醇按摩尔比比例1：(1-1.2)进行混合，反应温度90-120℃，反应时间为4-6h。
所述的咪唑衍生物在预防新建钢筋混凝土腐蚀中的应用。具体应用时，将所述阻锈剂溶解于碱性的混凝土模拟孔溶液中，通过自然迁移或外部电源加速的方式进入钢筋混凝土中，对新建钢筋混凝土进行孔隙率和防腐蚀性能改善。
本发明提供的咪唑衍生物为一种羟基功能化的咪唑离子液，其是一种由阴、阳离子构成的功能性有机物，是一种新型环境友好溶剂，具有导电性高、热稳定性强、不易挥发、溶解度大、极性可控等优良物理化学性能，广泛应用于萃取分离、有机合成、电化学和催化等领域。功能化的咪唑离子液通过引入强吸附性的极性基团，可以实现对钢筋的有效阻锈。
因此，本发明应用中，在咪唑环上引入极性基团，制成一种羟基功能化的咪唑离子液，其能够作为有机阻锈剂应用，对不同的金属材料，尤其是钢筋，具有良好的缓蚀性，同时兼具良好的导电性，溶解性。
有益效果：相对于现有技术，本发明应用具有以下优势：
(1)从原子元素及分子结构层面上考虑，本发明提供的咪唑衍生物，所涉及成分含有N、O杂原子，并带有极性羟基团，易与Fe形成螯合物，增强了阻锈成分在钢筋表面的吸附能力，从而形成钢筋保护膜。
(2)从使用的角度考虑，本发明提供的咪唑衍生物在碱性的混凝土模拟孔溶液中具有良好的溶解性，可通过自然迁移或外加电流的方式将其迁移到钢筋混凝土内部，对新建钢筋混凝土进行孔隙率改善以及预防腐蚀。
(3)从可持续发展的角度看，本发明提供的咪唑衍生物绿色环保，制备所需的大部分材料简单易得，购买方便且成本不高。
附图说明
图1为本发明咪唑衍生物的红外光谱图。
图2为本发明咪唑衍生物作为防腐蚀材料应用到新建钢筋混凝土的装置示意图。
图3为实施例1(实例1)中新建钢筋混凝土中的有机阻锈剂迁移前后对比的孔隙率曲线图。
图4为实施例2(实例2)中新建钢筋混凝土中的有机阻锈剂迁移前后对比的电化学阻抗谱图。
具体实施方式
为对本发明进行更好的说明，举实例如下：
具体实施过程所所涉及的新建钢筋混凝土，配合比如下：175kg/m3水，340Kg/m3水泥，1035kg/m3标准砂，780kg/m3玄武岩碎石；按照混凝土制备工艺得到所需的钢筋混凝土。
实施例1：
(1)取咪唑与溴代十二烷按1:0.5的比例与乙酸乙酯相容，然后移至反应釜，将反应釜放置在鼓风干燥箱中，设置温度120℃，在高温高压下反应14h后，置于真空干燥箱中干燥后得到中间体；
(2)将上述得到的中间体与2-溴乙醇按比例1:1与甲苯混合均匀后，移至反应釜中，再将反应釜放置鼓风干燥箱中，设置温度100℃，在高温高压下反应5h，将产物在真空干燥箱中60℃干燥12h，最终得到所述有机阻锈剂。
(3)将有机阻锈剂溶于作为混凝土模拟孔溶液的饱和氢氧化钙溶液中，模拟孔溶液中有机阻锈剂浓度为0.05mol/L，通过自然迁移的方式让有机阻锈剂导入新建钢筋混凝土内部，进行孔隙率的改善。
所述合成有机阻锈剂路线如下：
Figure BDA0002543275660000041
实施例2：
(1)取咪唑与溴代十六烷按1:0.5的比例与乙酸乙酯相容，然后移至反应釜，将反应釜放置在鼓风干燥箱中，设置温度140℃，在高温高压下反应12h后，置于真空干燥箱中干燥后得到中间体；
(2)将上述得到的中间体与2-溴乙醇按比例1:1.2与甲苯混合均匀后，移至反应釜中，再将反应釜放置鼓风干燥箱中，设置温度120℃，在高温高压下反应4h，将产物在真空干燥箱中60℃干燥12h，最终得到所述有机阻锈剂。
(3)将上述有机阻锈剂溶于饱和氢氧化钙溶液中作为通电使用的电解液，电解液中有机阻锈剂浓度为0.05mol/L，按照图2装置示意图，钢筋连接外部电源阴极，钛网连接阳极，通电28d，将有机阻锈剂导入新建钢筋混凝土内部，对钢筋的抗腐蚀性能进行改善。
所述合成有机阻锈剂路线如下：
Figure BDA0002543275660000051
实施例3：
本发明应用中，新建钢筋混凝土的孔隙率通过压汞法进行表征
对上述实施例所应用的新建钢筋混凝土进行性能评价，采用压汞法测试试样的孔隙率，测试仪器采用美国MICROMERTICS公司生产的AUTOPORE IV 9510型压汞仪,该仪器可测量孔径的范围是3.6nm～400μm，最大压力为414MPa。压汞实验样品需先用无水乙醇终止水化，再放入真空干燥箱中干燥48h，设置温度为40℃。
测试结果如下：
根据图3可以看到：有机阻锈剂自然迁移进入新建钢筋混凝土内部后，试样的孔隙率曲线相比迁移前有了一定的偏移，即孔隙率出现了一定程度的下降，表明本发明的有机阻锈剂迁移进入新建钢筋混凝土中可以改善其孔隙率。
通过表1测得的有机阻锈剂自然迁移前后孔隙率值可以看到，迁移后试样的孔隙率相比迁移前出现下降，下降幅度为10.7％，因此证明有机阻锈剂可以一定程度上通过自然迁移改善新建混凝土的孔隙结构。
实施例4：
本发明应用中，新建钢筋混凝土抗腐蚀性能通过电化学性能测试表征
对上述实施例所应用的新建钢筋混凝土进行性能评价，采用交流阻抗法、线性极化两种电化学方法测试对试样的防腐性能进行测试，测试系统采用的是三电极体系，以测试钢筋为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，不锈钢片为辅助电极，通过PARSTAT2273电化学工作站进行测试。
电化学阻抗谱的测试频率范围为0.01～100000Hz，动电位极化曲线扫描速度为0.5mV/s，扫描范围为-0.01～0.01V，得到的极化曲线由仪器自带拟合软件对电化学参量进行拟合，得到腐蚀电流密度icorr、极化电阻Rp等参数。
测试结果如下：
混凝土中钢筋的电化学阻抗谱图中，后半圆是低频区部分，代表内埋钢筋的腐蚀反应电荷转移电阻，圆弧半径越大，钢筋抗腐蚀性能越强。根据图4可以发现通电后的低频区圆弧半径明显变大，说明有机阻锈剂通过外部电源加速，对钢筋混凝土中的钢筋进行了有效的保护。
通过表2的线性极化及其拟合结果，可以看到通电后，有机阻锈剂在钢筋混凝土中发挥了明显的阻锈效果，降低了混凝土中钢筋的腐蚀电流密度，使得腐蚀电位正移，极化电阻也明显增大了。说明有机物通过导电方式应用到新建钢筋混凝土中，可以有效改善钢筋混凝土构件的抗腐蚀性能。
表1实例1处理后孔隙率变化
Figure BDA0002543275660000061
表2实例2处理后线性极化参数变化
Figure BDA0002543275660000062

Claims (8)

1.一种咪唑衍生物作为新建钢筋混凝土抗腐蚀材料的应用，所述咪唑衍生物的化学结构如下式I所示：
Figure FDA0002543275650000011
其中，R选自C8-C16烷基。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述R选自C12H25-或C16H33-。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述咪唑衍生物的制备方法包括以下步骤：
(1)将咪唑与含8到16个碳原子的卤代烷溶于有机溶剂中，继而在高温高压条件下反应，干燥后得到中间体；
(2)将上述得到的中间体与2-溴乙醇在有机溶剂中混合，移至反应釜中，然后高温高压条件下反应，干燥后，即得所述咪唑衍生物。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，步骤(1)中，参与反应的咪唑与卤代烷按照摩尔比1：0.5进行混合，反应温度在120-150℃，反应时间为12-24h。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，步骤(2)中，所述中间体与2-溴乙醇按摩尔比的比例1：(1-1.2)进行混合，反应温度90-120℃，反应时间为4-6h。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的咪唑衍生物在预防新建钢筋混凝土腐蚀中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，应用时，将所述阻锈剂溶解于碱性的混凝土模拟孔溶液中，通过自然迁移的方式渗透到新建钢筋混凝土中，对新建钢筋混凝土中混凝土孔隙改善。
8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，应用时，将所述阻锈剂溶解于碱性的混凝土模拟孔溶液中，通过外部电源加速的方式导入新建钢筋混凝土中，对钢筋的抗腐蚀性能进行改善。
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