CN113481453A - 一种多体系防护层钢筋及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种多体系防护层钢筋及其制备方法，该钢筋包括芯部的钢基体、热镀锌铝系合金覆盖层(2)、树脂基外涂层(3)。所述热镀锌铝系合金覆盖层(2)的铝含量为0.1～10wt％，包括锌铝镁、锌铝硅或锌铝锆系列镀层，优选Galfan合金镀层，镀层厚度为10～30微米。制备方法，采用连续施镀工艺进行热镀。本发明提供的合金镀层/涂层多体系防护层可比单独镀锌或单独涂层防护提供完善的腐蚀保护，而且制备工艺先进、环保高效、节能减排、成本适中，可最大限度延长苛刻环境下建筑物的服役寿命，适用于建筑、桥梁、海港设施等领域。

Description

一种多体系防护层钢筋及其制备方法

技术领域

本发明属于金属腐蚀防护技术领域，具体涉及一种热镀锌铝系合金镀层/涂层多体系防护层钢筋及其制备方法。

背景技术

钢筋的耐腐蚀性能好坏是决定建筑物使用寿命的重要影响因素之一。为提高苛刻环境下钢筋混凝土结构的使用寿命，研究者聚焦于提高钢筋的耐蚀性以满足工程结构高性能长寿命的设计需求。目前主要采用的方法有：1)环氧涂层钢筋；2)热镀锌钢筋；3)不锈钢筋；

环氧涂层钢筋在国外兴起，自上世纪80年代开始环氧涂层钢筋开始在国内进行推广使用，并取得积极的效果，然而环氧涂层钢筋面临老化、破损、孔隙等缺陷问题，而环氧涂层钢筋虽对腐蚀性介质具有良好的屏蔽作用，但其在制备、浇筑施工或搬运过程中极易对涂层造成破坏，此外涂层在制备过程中难免存在微孔缺陷或漏涂等，环氧涂层涂层一旦被破坏，腐蚀性介质会造成局部快速腐蚀，直接影响钢筋混凝土的使用寿命。单独的热镀锌钢筋在海洋等环境和碱性混凝土浇筑过程中，锌层腐蚀速率加快，难以为钢筋混凝土结构提供长久有效的防护，难以满足苛刻环境下的长效防腐需求。采用不锈钢钢筋会使用到大量的Cr/Ni等合金元素，造成使用成本太高，难以广泛应用和推广。

针对钢筋混凝土中钢筋的腐蚀问题，中国专利201320220754.9公开一种锌、环氧双涂层钢筋及加工方法，该专利采用在钢筋上热喷涂获得锌层，锌层厚度在50-100μm，锌层与基体之间并非冶金结合，锌层通常抗弯折能力差，金属锌属于消耗贵金属，涂层厚度较厚大大增加了成本，因此现有技术中这种双体系防护层存在成本高、锌层过厚，而且锌层与基体在钢筋折弯过程容易引起锌层开裂的问题，进而影响涂层的完整性。

因此，有必要采取更为有效且成本适中的防护措施对钢筋进行全面腐蚀控制，最大限度延长钢筋混凝土结构的服役寿命，降低维护成本。

发明内容

本发明针对当前苛刻环境下钢筋的腐蚀引起混凝土结构破坏等一系列问题，提供一种热镀锌铝系合金镀层/涂层多体系防护层钢筋及其制备方法。本发明提供的合金镀层/涂层多体系防护层可比单独镀锌或单独涂层防护提供完善的腐蚀保护，而且制备工艺先进、环保高效、节能减排、成本适中，可最大限度延长苛刻环境下建筑物的服役寿命，适用于建筑、桥梁、海港设施等领域。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种热镀锌铝系合金镀层/涂层多体系防护层钢筋，其特征在于：该钢筋包括芯部的钢基体、热镀锌铝系合金覆盖层(2)、树脂基外涂层(3)，形成热镀锌铝系合金镀层/涂层双体系防护层钢筋。

进一步地，所述热镀锌铝系合金覆盖层(2)的铝含量约为0.1～10wt％，包括锌铝镁、锌铝硅和锌铝锆等系列镀层，优选Galfan合金镀层，镀层厚度为10～30微米。

进一步地，所述的热镀锌铝系合金镀层/涂层双体系防护钢筋，所述的树脂基涂层厚度为50～400μm，树脂基涂层包括但不限于环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、聚酯树脂等。

进一步地，所述的所述的热镀锌铝系合金镀层/涂层双体系防护钢筋的制备方法，热镀过程为连续施镀工艺，可采用下述两种工艺来实现：

1)将轧制后得到的盘条经过较直、除锈、水洗、保护加热、热镀合金和气刀抹式的方式获得热镀锌铝合金的钢筋；钢筋表面形成锌铝合金镀层后，冷却至静电喷涂所需的预热温度后直接进行静电喷涂形成树脂外涂层，经固化冷却处理最终得到镀层/涂层双体系防护钢筋。

2)将经过轧制后得到的盘条经过较直、除锈后，依次经过水洗、喷淋助剂、烘干、热镀合金、气刀抹拭、静电喷涂后固化冷却的方式获得双体系防护层钢筋；所述助剂的主要成分包括(质量分数)：10％～20％ZnCl₂/ZnBr₂或两者混合物、0.5～1％KF、1～4％SnCl₂/SnSO₄或两者混合物，余量为水；烘干温度为150～200℃，热镀时间为20～60s,热镀最佳温度为420～470℃。

进一步地，所述的除锈工艺，可采用非化学法去除钢筋表面氧化皮，包括但不限于打磨、抛丸、喷砂、激光烧蚀等方式，亦或采用传统的酸洗除锈；所述的保护加热工艺，将经除锈和水洗后的洁净钢筋进入充满惰性气体或还原性气或两者混合气体的密闭环境中进行高频感应加热，保持钢筋表面不被氧化，随后浸入熔融的锌铝合金液中进行热镀合金。

本发明还提供一种热镀锌铝系合金镀层/涂层多体系防护层钢筋，该钢筋包括：

芯部的钢基体，

与钢基体冶金结合的热镀锌铝系合金覆盖层(2)，

包覆在热镀锌铝系合金覆盖层外表面的钝化膜，

在钝化膜外表面涂覆的树脂基外涂层(3)。

所述钝化膜可以为硅烷缓蚀剂钝化膜，能够与锌铝合金发生反应对其形成保护层，又能连接树脂基外涂层，可以形成多重防护，在树脂基外涂层发生破坏时，硅烷缓蚀剂钝化膜一定程度上修复树脂基外涂层，进一步延长了钢筋的耐腐蚀寿命。

上述热镀锌铝系合金镀层/涂层多体系防护层钢筋的制备方法是：将轧制后得到的盘条经过较直、除锈、水洗、保护加热、热镀合金和气刀抹式的方式获得热镀锌铝合金的钢筋；钢筋表面形成锌铝合金镀层后，热度合金后的工件温度为400多度，可在热镀合金进行气体抹拭后加一道初步水冷却工艺，初步降温至200～300摄氏度，随即进行钝化处理，高温下可迅速成膜，此时也达到了静电喷涂所需的预热温度直接进行静电喷涂形成树脂外涂层，经固化冷却处理最终得到多重体系防护钢筋。所述钝化处理过程是：工件进入硅烷偶联剂、缓蚀剂、乙醇、水、成膜促进剂的钝化膜溶液中进行短时间浸渍处理。

在用于海洋等较极端环境中，钝化膜还可以为超疏水膜，超疏水膜的成膜剂各主要组分的含量是：

硅烷交联剂：1％～10％(V％)

腐蚀抑制剂：0.001～0.005(mol/L)

离子辅助剂：0.01～0.1(mol/L)

成膜促进剂：2～5(ml/L)

表面能调节剂：0.01～0.1(mol/L)

pH调节剂：3～5(pH)；

上述的体积百分比是相对整个成膜剂的百分比，浓度范围也是基于整个成膜剂体系的浓度范围。

所述的硅烷交联剂为乙烯基硅氧烷、甲基硅氧烷、乙基硅氧烷、氟烷基硅烷、氨基硅烷、环氧基硅烷以及双硅烷中的至少一种；

所述腐蚀抑制剂为稀土盐类抑制剂，包括硝酸铈、氯化铈、硝酸镧、氯化镧中的至少一种；

所述离子辅助剂为具有彩色颜色的金属盐，该金属盐能与金属基体发生置换反应；

所述成膜促进剂既能作为氧化剂又能作为促进剂；

所述表面能调节剂能与由离子辅助剂引入的被氧化的金属元素或其氧化物生成具有特定颜色的盐；

所述pH调节剂为质量分数为4％～10％的硝酸溶液。

所述成膜促进剂为双氧水；所述的表面能调节剂为长链脂肪酸，包括硬脂酸、肉豆蔻酸、十四酸、全氟辛酸或十二酸中的至少一种；所述离子辅助剂为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、或醋酸铜中的至少一种。

这种超疏水膜是基于氧化自组装反应逐步生长成膜的原理，通过在离子沉积的过程中实现氧化并通过自组装生成脂肪酸盐生长成膜，形成具有特定颜色的脂肪酸盐，并在成膜过程中与硅烷/缓蚀剂相互交联协同防护，生成的膜层致密、结合力好，具有良好的自清洁性，即使膜层超疏水性丧失，其致密的膜层也能起到良好防护效果，在树脂外涂层发生破坏时，超疏水膜中的缓蚀剂(腐蚀抑制剂)会迁移至破损处形成进一步防护，阻碍腐蚀的发生，在树脂外涂层严重破坏的情况下，超疏水膜和锌铝合金层也能作为两层屏障为钢基体进一步提供防护作用能延缓基体的腐蚀速率，实现对膜层结构和耐蚀性的修复。

本发明所述的双体系防护钢筋的应用领域包括但不限于公路、桥梁、隧道、建筑、海港设施等。

本发明的有益效果或先进性体现在：

本发明的创造性在于采用一种连续热镀合金/涂装工艺实现具有高耐蚀热镀合金层/涂层双体系钢筋的制备，具有流程短、成本适中、防护性能好等优势。

锌铝系合金镀层可以为钢筋基体提供牺牲阳极保护和屏障保护，阻碍金属与腐蚀介质之间的电流腐蚀和传质过程。镀层/涂层两者协同防护，为钢筋提供了一种全面的腐蚀控制路径，外涂层的存在可有效延缓镀层的腐蚀速率，即使外涂层发生侵蚀破坏，锌铝合金镀层可继续为钢基体提供屏障保护和阴极保护。

与现有的钢筋防护工艺相比，合金镀层/涂层双重体系可以比单独镀锌或单独涂层防护提供完善的腐蚀保护，相比于不锈钢筋，本发明提供的钢筋具有相对低的成本，且防护性能不低于不锈钢筋，可最大限度延长建筑物的使用寿命。与单独锌镀钢筋相比，锌铝系(以Zn-5％Al-Re为例)合金镀层较薄，但其耐腐蚀性为锌镀层钢筋的3～5倍，具有显著节约资源、降低成本的优势。

本方法采用非酸洗除锈联合保护感应加热的工艺进行合金镀层的涂覆后再进行静电喷涂的连续成型方式获得热镀合金镀层/树脂涂层双体系防护层钢筋，可减少有机溶剂的使用；与热喷涂工艺相比，热浸镀属于冶金结合，涂层的结合力更好、涂层致密度高；而热喷涂锌通常表面粗糙孔隙率高，而且对设备工艺参数要求较高。

本发明采用的是一种连续热镀/涂装的方式，对钢筋的涂层结构进行了改进，并在热镀工艺后增加了静电喷涂涂装工艺，形成一种新的高性能钢筋涂装生产线，本发明可免去静电喷涂中的预热环节，利用热镀后的预热(200℃左右)可直接进行静电喷涂工艺，节约能耗。因此，本发明的连续热镀工艺具有显著的成本优势和应用推广前景。

本发明中采用热浸镀的方式获得锌铝合金镀层，合金镀层厚度可减少为背景专利锌层厚度的1/5～1/3，，减薄自然大大节约制备成本，而且锌铝合金镀层耐蚀性为锌层的3-5倍，因此，相比热喷涂锌本发明的环保热镀具有较高性价比。

本发明中进一步引入钝化膜，钝化膜较薄，既能与树脂外涂层作用，又能与锌铝合金层作用，建立了二者连接的桥梁，使得膜层与钢基体结合更加牢固，在弯折时也不易破损，性能更好。

附图说明

附图1为本发明双涂层体系钢筋的截面结构示意图。

附图2为本发明实施的工艺流程示意图。

图1中：1铁基钢筋；2热镀锌铝系合金覆盖层；3树脂基外涂层。

图2中：1轧制钢筋；2除锈；3水洗；4保护加热；5热镀合金；6气刀抹式；7静电喷涂；8固化冷却。若采用工艺2)则流程中4为喷淋助剂+烘干。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

如图1所示，本发明中的热镀锌铝系合金镀层/涂层双体系防护层钢筋，所述双体系防护层钢筋由内至外依次包括芯部的铁基钢筋1、热镀锌铝系合金覆盖层2、树脂基外涂层3，钢基体(铁基钢筋)与锌铝合金镀层/涂层紧密结合形成双体系防护层钢筋。

本发明中所述锌铝系合金覆盖层(2)的铝含量约为0.1～10wt％，包括锌铝镁、锌铝硅和锌铝锆等系列镀层，优选Galfan(Zn-5％Al-Re)合金镀层，镀层厚度为10～30μm；

所述的树脂基涂层厚度为50～400μm，树脂类包括但不限于环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、聚酯树脂等。

进一步地，热镀锌铝系合金镀层/涂层双体系防护层钢筋的制备方法，热镀过程为连续施镀工艺，可采用下述两种工艺来实现：

1)将轧制后得到的盘条经过较直、除锈、水洗、保护加热、热镀合金和气刀抹式的方式获得；钢筋表面形成锌铝合金镀层后，冷却至静电喷涂所需的预热温度后直接进行静电喷涂形成树脂外涂层，经固化冷却处理最终得到镀层/涂层双体系防护钢筋。

2)将经过轧制后得到的盘条经过较直、除锈后，依次经过水洗、喷淋助剂、烘干、热镀合金、气刀抹拭、静电喷涂后固化冷却的方式获得；所述助剂的主要成分包括(质量分数)：10％～20％ZnCl₂/ZnBr₂或两者混合物、0.5～1％KF、1～4％SnCl₂/SnSO₄或两者混合物，余量为水；烘干温度为150～200℃，热镀时间为20～60s,热镀最佳温度为420～470℃。

本发明提供的合金镀层/涂层双重体系可比单独镀锌或单独涂层防护提供完善的腐蚀保护，而且制备工艺环保高效、节能减排、成本适中，可最大限度延长苛刻环境下建筑物的服役寿命，适用于建筑、桥梁、海港设施等领域。

如图2所示为本发明中热镀锌铝合金镀层/涂层双体系防护层钢筋的制备工艺流程图：

对于工艺1)

图2中：1轧制钢筋；2除锈；3水洗或；4保护加热；5热镀合金；6气刀抹式；7静电喷涂；8固化冷却。若采用工艺2)则流程中4为喷淋助剂+烘干。

下面以热镀Zn-5％Al-Re(Galfan)合金和热固性聚酯树脂双涂层体系为实施例对本发明中的制备工艺作具体介绍：

实施例1

将轧制后带有黑色氧化皮的钢筋(盘条)经放线和较直处理后进行穿过式抛丸除锈，得到去除氧化皮后的裸露钢筋，随后依次经过水洗或气刀抹拭(去除钢筋表面残余水渍或浮尘)，随后钢筋进入充满氮气的感应加热螺线管中进行高频感应加热，然后水平穿过熔融Galfan合金液，通过钢基体与熔融合金液(400～450℃)相互浸润、扩散生长等过程在钢筋表面形成光亮致密的锌铝合金镀层，随后采用氮气进行气刀抹拭(8)，去除钢筋表面附着的合金液以控制镀层厚度(10～30μm)，带有锌铝合金覆盖层的钢筋达到降温至200～250℃后进行静电喷涂聚酯粉末，在合金镀层上形成树脂基外涂层，经过固化冷却得到热镀锌铝合金镀层/涂层双体系防护层钢筋，随后进行检验、打包入库。

实施例2

将轧制后带有黑色氧化皮的钢筋(盘条)经放线和较直处理后采用盐酸(15wt％)进行除锈，去除氧化皮后进行水洗去除钢筋表面残留的酸液，随后依次经过气刀抹拭(去除钢筋表面残余水渍)，随后钢筋进入装有环形喷淋装置中喷淋助剂，在150～200℃环境中进行干燥处理，然后进入熔融的Galfan合金液中进行热镀合金，形成Galfan合金覆盖层，经氮气抹拭后降温至200～250℃进行聚酯粉末喷涂，在合金镀层钢筋上形成均匀的树脂基外涂层，然后固化冷却后得到热镀锌铝系合金镀层/涂层双体系防护层钢筋，然后进行检验、打包入库。

实施例3

本实施例多体系防护层钢筋，该钢筋包括：

芯部的钢基体，

与钢基体冶金结合的热镀锌铝系合金覆盖层2，

包覆在热镀锌铝系合金覆盖层外表面的钝化膜，

在钝化膜外表面涂覆的树脂基外涂层3。

所述钝化膜为硅烷缓蚀剂钝化膜。

本实施例仅是对本发明精神的举例说明，本领域技术人员或研究人员在不偏离本发明核心内容所作的补充或改进均属本发明的保护范围，本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种多体系防护层钢筋，其特征在于：该钢筋包括芯部的钢基体、热镀锌铝系合金覆盖层(2)、树脂基外涂层(3)。

2.根据权利要求1所述的多体系防护层钢筋，其特征在于，所述热镀锌铝系合金覆盖层(2)的铝含量为0.1～10wt％，包括锌铝镁、锌铝硅或锌铝锆系列镀层，优选Galfan合金镀层，镀层厚度为10～30微米。

3.根据权利要求1所述的多体系防护层钢筋，其特征在于，所述的树脂基涂层厚度为50～400μm，树脂基涂层包括但不限于环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、聚酯树脂。

4.一种权利要求1-3任一所述的多体系防护层钢筋的制备方法，其特征在于，热镀过程为连续施镀工艺，采用下述两种工艺来实现：

1)将轧制后得到的盘条经过较直、除锈、水洗、保护加热、热镀合金和气刀抹式的方式获得热镀锌铝合金的钢筋；钢筋表面形成锌铝合金镀层后，冷却至静电喷涂所需的预热温度后直接进行静电喷涂形成树脂外涂层，经固化冷却处理最终得到镀层/涂层双体系防护钢筋；

2)将轧制后得到的盘条经过较直、除锈后，依次经过水洗、喷淋助剂、烘干、热镀合金、气刀抹拭、静电喷涂后固化冷却的方式获得双体系防护层钢筋；所述助剂的主要成分包括(质量分数)：10％～20％ZnCl₂/ZnBr₂或两者混合物、0.5～1％KF、1～4％SnCl₂/SnSO₄或两者混合物，余量为水；烘干温度为150～200℃，热镀时间为20～60s，热镀最佳温度为420～470℃。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，除锈工艺采用非化学法去除钢筋表面氧化皮，包括但不限于打磨、抛丸、喷砂、激光烧蚀方式，亦或采用传统的酸洗除锈；保护加热工艺将经除锈和水洗后的洁净钢筋进入充满惰性气体或还原性气或两者混合气体的密闭环境中进行高频感应加热，保持钢筋表面不被氧化，随后浸入熔融的锌铝合金液中进行热镀合金。

6.一种多体系防护层钢筋，该钢筋包括：

芯部的钢基体，

与钢基体冶金结合的热镀锌铝系合金覆盖层(2)，

包覆在热镀锌铝系合金覆盖层外表面的钝化膜，

在钝化膜外表面涂覆的树脂基外涂层(3)。

7.根据权利要求6所述的多体系防护层钢筋，其特征在于，所述钝化膜为硅烷缓蚀剂钝化膜，能够与锌铝合金发生反应对其形成保护层，又能连接树脂基外涂层，形成多重防护，在树脂基外涂层发生破坏时，硅烷缓蚀剂钝化膜一定程度上修复树脂基外涂层，进一步延长了钢筋的耐腐蚀寿命。

8.根据权利要求6或7所述的多体系防护层钢筋，其特征在于，该钢筋的钝化膜为超疏水膜，超疏水膜的成膜剂各主要组分的含量是：

硅烷交联剂：1％～10％(V％)

腐蚀抑制剂：0.001～0.005(mol/L)

离子辅助剂：0.01～0.1(mol/L)

成膜促进剂：2～5(ml/L)

表面能调节剂：0.01～0.1(mol/L)

pH调节剂：3～5(pH)；

上述的体积百分比是相对整个成膜剂的百分比，浓度范围也是基于整个成膜剂体系的浓度范围；

所述的硅烷交联剂为乙烯基硅氧烷、甲基硅氧烷、乙基硅氧烷、氟烷基硅烷、氨基硅烷、环氧基硅烷以及双硅烷中的至少一种；

所述腐蚀抑制剂为稀土盐类抑制剂，包括硝酸铈、氯化铈、硝酸镧、氯化镧中的至少一种；

所述离子辅助剂为具有彩色颜色的金属盐，该金属盐能与金属基体发生置换反应；

所述成膜促进剂既能作为氧化剂又能作为促进剂；

所述表面能调节剂能与由离子辅助剂引入的被氧化的金属元素或其氧化物生成具有特定颜色的盐；

所述pH调节剂为质量分数为4％～10％的硝酸溶液。

9.一种权利要求6-8任一所述的多体系防护层钢筋的制备方法，其特征在于，该制备方法的过程是：将轧制后得到的盘条经过较直、除锈、水洗、保护加热、热镀合金和气刀抹式的方式获得热镀锌铝合金的钢筋；在热镀合金进行气体抹拭后加一道初步水冷却工艺，初步降温至200～300摄氏度，随即进行钝化处理，高温下迅速成膜，此时也达到了静电喷涂所需的预热温度直接进行静电喷涂形成树脂外涂层，经固化冷却处理最终得到多体系防护层钢筋。

10.根据权利要求1-3或6-8任一所述的多体系防护层钢筋，其特征在于，多体系防护层钢筋的应用领域包括但不限于公路、桥梁、隧道、建筑、海港设施。

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