PC构件外露钢筋水性防腐涂料的开发与应用

张 绪,彭 浩,付弯弯,孙子豪,刘明晓,谭晓明

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430023)

引言

钢筋防腐是目前世界各国面临的一个重要问题,每年因金属腐蚀对交通、建筑等造成的直接经济损失约占年国民生产总值的3%[1]。目前,在建筑领域国内各地相继出台了对房屋建筑装配率的要求,装配式建筑得到广泛关注,但装配式构件一般较大,室内储存不太现实,这就会造成在交付使用前装配式构件外露钢筋遭到不同程度的锈蚀,近而影响结构承载力。[2]随着我国建筑行业的快速发展和人民生活水平的不断提升,我国人民对环保的意识也不断增强,绿水青山就是金山银山的思想不断深入骨髓,与之相匹配的环保型钢筋防腐涂料的开发与应用是必然趋势。

传统防腐油漆中易挥发性有机溶剂较多,对环境、生物等都造成一定影响[3-4]。水性防腐涂料不仅具有易贮存、VOCs低、环保等优势,而且在施工上较为便利[5]。目前,水性涂料在建筑涂料使用占比高达95%之多[6]。本文主要以丙烯酸乳液为主体开发水性防腐涂料,用于装配式构件外露钢筋的防腐。装配式构件由于施工现场的工期、气候条件、运输周期等问题,使生产出来的构件在时间上或长或短都会被露天存放一段时间,其外露钢筋很容易被工业大气、雨水等腐蚀,从而在一定程度上影响验收和使用,如果锈蚀严重还会存在一定安全问题。目前,国内各地均陆续出台对新建建筑装配率的要求,未来装配式建筑前景可期,所以针对装配式构件外露钢筋水性防腐涂料的开发很有必要。

1 材料与方法

1.1 实验材料与试剂

丙烯酸乳液:广州立诺新材料科技有限公司;润湿剂、增稠剂1、成膜助剂、增稠剂2:广州市润宏化工有限公司;钛白粉:晟鹏化工;沉淀硫酸钡:盛达微粉;亚硝酸钠:上海郡马科技有限公司;防闪锈剂:青岛恩泽化工有限公司;分散剂、消泡剂1、消泡剂2:迪高助剂;三氧化二铁:麦克林。

1.2 实验仪器

搅拌机:常州荣华仪器制造有限公司;烘箱:上海一恒仪器;分析天平:赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;电化学工作站:武汉科思特仪器股份有限公司;漆膜冲击试验机:德杜仪器;附着力测试仪:衡州艾普计量仪器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 基本配方

表1为配方一水性丙烯酸防腐涂料基本配方,表2为配方二水性丙烯酸防腐涂料基本配方。

表1 基本配方一

表2 基本配方二

1.3.2 制备工艺

配方一:按照所需加入去离子水、增稠剂1,控制搅拌机的转速在600-800r/min,低速搅拌5min;搅拌结束后向容器内加入消泡剂1、分散剂、润湿剂,试剂加入结束后控制搅拌机转速在800-1000r/min,搅拌20min;搅拌结束后加入钛白粉、沉淀硫酸钡,加入结束后进行搅拌,控制搅拌机转速1500-2000r/min,搅拌30min;搅拌结束后加入去离子水、丙烯酸乳液、消泡剂2、成膜剂1、成膜剂2、防闪锈剂、10%亚硝酸钠溶液,试剂添加完成后搅拌机转速控制在800r/min进行搅拌20分钟;最后加入增稠剂2,搅拌机转速在600r/min搅拌10min即可制得水性丙烯酸防腐涂料。

配方二:按照所需量依次在调漆容器中加入丙烯酸乳液、去离子水、增稠剂1,控制搅拌机的转速在600-800r/min,低速搅拌20min;搅拌结束后向器皿中加入消泡剂1、分散剂、PE-100润湿剂,加入完成后进行分散,搅拌机转速控制在600-700r/min,搅拌15min;搅拌结束后向器皿中加入沉淀硫酸钡、铁红,加入完成后进行搅拌,搅拌机转速控制在1200-1300r/min,搅拌20分钟;搅拌结束后加入丙烯酸乳液再进行搅拌,这时搅拌机转速转入中低速900r/min,搅拌10min;最后依次加入消泡剂2、成膜剂1、成膜剂2、防闪锈剂CK-34、10%亚硝酸钠溶液、增稠剂2、防闪锈剂CK-20,在转速600r/min下进行搅拌15分钟,制成水性丙烯酸防腐涂料。

2 结果与讨论

将制得的两种水性防腐涂料与市面所售三种水性防腐涂料进行对比,将打磨、清洗、烘干后的马口铁板浸在五种不同涂料中30秒取出悬挂,使其自然干燥成膜。漆膜干燥后测得其厚度均在15-30μm范围内。对马口铁板上成型漆膜开展附着力(划格法)、柔韧性、耐冲击性、电化学实验。

其中,标准试板参照GB/T 9271-2008制作,漆膜厚度测定参照GB/T 13452.2-2008/ISO 2808:2007测量,漆膜附着力参照漆膜附着力及其测试方法测试[7],柔韧性采用轴棒法测试参照GB/T 1731-2020测试,抗冲击实验参照GB/1732-2020实验。

2.1 漆膜干燥时间

干燥时间是反映涂料物理性能的重要参数之一,一般是指涂料从流体状态到全部形成固体涂膜的时间。涂料的干燥时间长短与涂料施工的间隔时间有比较大的关系,与漆膜的质量也有一定的重要关系。

漆膜按GB/T 1728-2020漆膜、腻子膜干燥时间测定法,对其五种水性涂料进行表面干燥以及实际干燥时间测定。

表面干燥时间的测定选用乙法(指触法),用手指轻触漆膜表面,如感到有些发黏,但无漆或腻子沾在手指上,即认为表面干燥。

实际干燥时间的测定选用乙法,在漆膜表面放置一个脱脂棉球,在脱脂棉球上轻轻放置一个干燥时间实验器,同时启用秒表,30秒后将干燥时间试验器和脱脂棉球拿掉,放置5min。如漆膜表面无棉球的痕迹及失光现象;若漆膜上留有1-2根棉丝,但棉球能轻轻掸掉,均认为漆膜实际干燥。

表3为五种涂料表干和实干时间。从表3可以看出,配方一、配方二略优于其他三种市售配方。

表3 五种涂料表干、实干时间

2.2 漆膜附着力试验

漆膜附着力反应漆膜与被涂面之间结合的坚牢程度,是涂料涂装性能优劣的重要指标[8]。采用划格法对浸有五种不同种类水性涂料的马口铁板进行附着力测试,如图1所示,从左到右依次为配方一、配方二、市场售卖品牌1(简称市售后面类推)、市售2、市售3。因所有试验板漆膜厚度均在60μm以下,所以刀片选择1mm。

图1 划格试验后板面情况

将制备好的马口铁板放置较为坚硬的平台上,手持划格器手柄使刀刃垂直马口铁板板面,以20-50mm/S的速度匀速划过,而后将板面旋转90度,重复上述操作,使其形成格阵图。用软毛刷在格阵图两边对角线分别向前、后轻刷板面。最后用美国3M公司生产的600-HC33测试胶带进行测试。将胶带贴在整个划格上,然后以最小角度撕下,结果根据漆膜被胶带粘落的比例来求得。试验最少在板面三个不同位置进行测试,如三个位置结果不同应多于三个位置继续试验。依次在浸涂有五种不同水性涂料的马口铁板上进行试验,结果如图1所示。根据试验结果可知附着力由高到低依次为市售3、配方二、配方一、市售2、市售1。

2.3 漆膜柔韧性测试

漆膜柔韧性也是衡量涂料性能的重要指标之一,其对涂料的应用场景以及应用季节有很大影响。

对浸涂有五种不同涂料的马口铁板进行弯曲试验,以测试其柔韧性。测试时轴棒直径由大到小依次试验,每张铁板至少测试三次,如未观察到网纹、裂纹及剥落现象则换用小一级轴棒进行测试。

通过对五种不同水性涂料进行弯曲试验,其中配方二、市售2、市售3通过最小轴棒直径1mm的测试,而配方一、市售1则能通过轴棒直径为2mm的测试。以此说明前三者柔韧性较好。

2.4 漆膜抗冲击测试

漆膜的耐冲击性也是体现涂料性能的重要指标之一。一般是指涂覆在基材上的漆膜在高速率的重力作用下发生快速变形,但不出现开裂或从基材基底脱落的能力,也体现出被测漆膜的柔韧性和对基材的附着力。[9]

参照漆膜耐冲击测定法,对浸涂有五种不同水性涂料马口铁板进行测试。将冲击器放在稳固的平台上,导管应垂直于水平面。如图2所示,其为浸涂有五种不同水性涂料的马口铁板在100cm高度抗冲击试验后结果。从结果来看配方二、市售1的抗冲击能力较其他三种配方好,其余三种配方的涂料漆膜有不同程度的剥落或裂纹。

图2 抗冲击试验100cm高度抗冲击结果

2.5 涂料固含量

涂料的固含量一般指,涂料在施工过后留下成膜的部分,其含量的高低对其形成的漆膜质量以及使用价值有直接关系。[10]通常来讲涂料的固体含量越高,在涂覆使用时其成膜度越高,可节约人工的稀释和复涂环节,因此在实际应用上具有一定的经济价值和使用价值。

表4为五种不同涂料经烘箱高温至103℃烘干到恒重的结果。

表4 计算固含量数据

首先,准备15个表面皿,用自来水、酒精、去离子水清洗干净,而后放置103℃的烘箱中烘30min,以达到完全干燥,取出后放置在含有干燥剂的干燥皿中进行冷却。冷却至室温后进行标号称重,而后每种涂料分三组分别用胶头滴管滴入表面皿中,马上称重并记录。为减小误差,涂料的放入量均在10g以上。烘干至恒重过程中取出称重时,要将其拿出后迅速放入干燥皿中,冷却至室温时,再进行称量。烘干至恒重后,按以下公式进行计算[11]:

式中:X-固体含量平均值100(%)

W1-烘干后样品和容器的质量平均值(g)

23-容器重量平均值(g)

7-样品重量平均值(g)

通过计算结果可知上述五种涂料固含量配方一、配方二,高于市售1、市售2、市售3,所以在成膜上配方一、配方二优于市售1、市售2、市售3。

2.6 电化学试验

钢筋腐蚀绝大多数腐蚀过程的本质是电化学性质的[12],而防腐涂层/涂料也会随着使用周期的增长发生腐蚀失效,一般表现为鼓泡或者直接脱落,丧失原有对钢筋的保护能力,涂料腐蚀失效的直接后果就是使被保护的刚才开始腐蚀。[13]

在使用电化学方法研究涂料腐蚀机理、腐蚀试验中,一般情况下会广泛的利用金属/电解质溶液界面(双电层)的电性质。电化学测试技术已成为重要的腐蚀研究方法,金属以及涂料腐蚀研究常用的电化学方法主要有:开路电位法(OCP)、极化曲线法(Tafel曲线)、电化学阻抗谱(EIS)等[14]。下面就对文章上述的五种不同配方的水性涂料进行电化学试验,以比较哪种涂料更耐腐蚀。溶液采用3.5%的Nacl溶液,参比电极使用Ag/Agcl溶液,试验在同一温度、同一湿度条件下进行。

2.6.1 开路电位测试

测试前工作电极需要用砂纸从粗到细(360目、600目、800目、1000目、2000目)依次打磨至表面平整光滑,打磨完成后用蒸馏水冲洗,再用酒精脱脂,放入与试验同一温度的恒温干燥箱中备用。将工作电极测试面对准平面腐蚀池的测试孔,随后拧紧螺栓,使工作电极同腐蚀池的PTFE面紧贴密封。将3.5%的Nacl溶液倒入腐蚀池中,将带盐桥的饱和Nacl电极插入平板腐蚀池中,务必将鲁金毛细管底端细口对准工作电极测试面,控制好温度。

开路电位测试可以得到涂料的自腐蚀电位,可以通过涂料的自腐蚀电位来大致判断耐腐蚀性的好坏。通常来说,材料的自腐蚀电位越正,材料就越难被腐蚀[15]。五种不同配方的开路电位结果如图3所示,通过图示可以看出,市售1、市售2、配方一较其他两种配方好。

图3 五种不同配方开路电位测试结果

2.6.2 交流阻抗测试

五种不同配方的水性涂料在3.5%Nacl溶液的交流阻抗谱测试结果如图4所示。一般来说,涂料的容抗弧越大,说明材料的耐蚀性能越好。[16]从图中可以看出除市售3外,其他几个不同配方的阻抗谱显示相差不是很大。

图4 五种不同配方涂料交流阻抗测试结果

2.6.3 Tafel曲线测试

用 (Tafel线外推法),是将待测附有五种不同涂料的马口铁板做成电极浸入腐蚀介质中,测量稳定的伏安数据后作对数函数图。这种方法可以求出腐蚀体系的电化学参数,比如腐蚀电势、电流密度,阴极和阳极的Tafel斜率以及不同缓蚀剂下的腐蚀效率。[17]图5为在3.5%Nacl腐蚀溶液中测得五种不同配方的塔菲尔极化曲线,图左上角为曲线拟合后得到的电流密度、自腐蚀电位以及腐蚀速率等数据。从图示曲线以及拟合结果来看,市售2和配方一较市售1、市售3、配方二耐腐蚀稍好些。

图5 五种不同配方涂料塔菲尔极化曲线测试结果

3 涂覆重量对比及户外试验

户外试验也称涂料耐候试验,就是让涂料在自然条件下经历各种自然环境因素(风、雨、不同温度、不同湿度、紫外线、工业大气等)随着时间推移,看其耐腐蚀性。自然条件下户外试验能够真实反应涂料耐老化性能的优劣,其数据也比较真实可靠,因其有不可替代的周期性,故其长时间以来一直被采用。[18]

3.1 涂覆量对比

涂料的涂覆量对防止钢筋锈蚀有一定影响,例如:同一种涂料对同一种钢筋进行涂覆,其涂覆量越大较涂覆量小的钢筋对比其越难以生锈。但对装配式外露钢筋而言,防腐涂料涂覆量不是越多越好,因其要考虑混凝土的握裹力:装配式钢筋一般为带肋钢筋,涂覆量过大势必会对钢筋肋进行覆盖,从而影响钢筋的握裹力。表5为五种不同配方涂料,涂覆量对比情况(每种配方取5个试样后取平均值)。

表5 五种不同配方涂料涂覆量对比情况

通过表5以及图6中数据可以得出配方一、配方二的涂覆量较于市售1、市售2、市售3的涂覆量要小很多。

图6 涂覆重量平均对比

3.2 户外暴晒试验

五种不同配方涂料,根据应用场景(装配式外露钢筋),模拟实际所需,将钢筋浸在涂料中10秒,每种涂料浸润三根。以7d为一个周期,两个月为限,看钢筋所覆涂料变化以及钢筋是否生锈(涂料耐候性能)。除正常自然条件外,每天对其进行三遍以上喷淋(模拟恶劣环境),在加速其腐蚀的情况下,也便于每天观察其变化情况。图7为市售1、市售2、市售3在第二个周期(14d)结束钢筋表面变化情况。从图片中可以看出浸覆市售1、市售3涂料的钢筋已经出现不同程度的锈点,说明这两种涂料的耐候性比较差。其他两种不同配方的涂料第二周期结束后未发现生锈情况。60天结束后如图8所示,除配方二、市售2浸涂的钢筋没有生锈外,浸涂其他三种涂料的钢筋均有不同程度的锈点。

图7 市售1(左)、市售2(中)、市售3(右)14d天结束后情况

图8 五种涂料涂覆钢筋户外暴晒60d结束后情况

4 结 论

随着我国“环保事业”的发展,溶剂型涂料势必会受到一定限制,水性涂料将会迎来快速发展期。[19]根据目前市场所需,针对装配式外露钢筋锈蚀问题研发出丙烯酸体系水性轻防腐涂料。

(1)通过漆膜干燥时间(表干、实干)测试、漆膜附着力测试、漆膜柔韧性测试、漆膜抗冲击性能测试、涂料固含量、漆膜电化学试验对比,结合产品生产造价综合考量依据配方二制备的水性防腐涂料漆膜性能测试整体效果较好。

(2)通过涂覆重量对比结合户外暴晒试验结果来看配方二不仅涂覆量少,且经过60天户外暴晒未发现锈蚀情况。满足装配式构件外露钢筋户外短暂储存防锈要求。

(3)为检验配方一、配方二两产品,其已在某装配式构件生产公司进行应用性试验,检测其是否达到实际应用要求。目前这两款产品还存在微量团聚,在今后研究中亟待解决。水性防腐涂料因其环保、易储存、施工方便等优势,未来应用前景势必非常开阔。[20]