張 緒,彭 浩,付彎彎,孫子豪,劉明曉,譚曉明

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430023)

引言

鋼筋防腐是目前世界各國面臨的一個重要問題,每年因金屬腐蝕對交通、建筑等造成的直接經(jīng)濟損失約占年國民生產(chǎn)總值的3%[1]。目前,在建筑領(lǐng)域國內(nèi)各地相繼出臺了對房屋建筑裝配率的要求,裝配式建筑得到廣泛關(guān)注,但裝配式構(gòu)件一般較大,室內(nèi)儲存不太現(xiàn)實,這就會造成在交付使用前裝配式構(gòu)件外露鋼筋遭到不同程度的銹蝕,近而影響結(jié)構(gòu)承載力。[2]隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提升,我國人民對環(huán)保的意識也不斷增強,綠水青山就是金山銀山的思想不斷深入骨髓,與之相匹配的環(huán)保型鋼筋防腐涂料的開發(fā)與應(yīng)用是必然趨勢。

傳統(tǒng)防腐油漆中易揮發(fā)性有機溶劑較多,對環(huán)境、生物等都造成一定影響[3-4]。水性防腐涂料不僅具有易貯存、VOCs低、環(huán)保等優(yōu)勢,而且在施工上較為便利[5]。目前,水性涂料在建筑涂料使用占比高達(dá)95%之多[6]。本文主要以丙烯酸乳液為主體開發(fā)水性防腐涂料,用于裝配式構(gòu)件外露鋼筋的防腐。裝配式構(gòu)件由于施工現(xiàn)場的工期、氣候條件、運輸周期等問題,使生產(chǎn)出來的構(gòu)件在時間上或長或短都會被露天存放一段時間,其外露鋼筋很容易被工業(yè)大氣、雨水等腐蝕,從而在一定程度上影響驗收和使用,如果銹蝕嚴(yán)重還會存在一定安全問題。目前,國內(nèi)各地均陸續(xù)出臺對新建建筑裝配率的要求,未來裝配式建筑前景可期,所以針對裝配式構(gòu)件外露鋼筋水性防腐涂料的開發(fā)很有必要。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

丙烯酸乳液:廣州立諾新材料科技有限公司;潤濕劑、增稠劑1、成膜助劑、增稠劑2:廣州市潤宏化工有限公司;鈦白粉:晟鵬化工;沉淀硫酸鋇:盛達(dá)微粉;亞硝酸鈉:上?？ゑR科技有限公司;防閃銹劑:青島恩澤化工有限公司;分散劑、消泡劑1、消泡劑2:迪高助劑;三氧化二鐵:麥克林。

1.2 實驗儀器

攪拌機:常州榮華儀器制造有限公司;烘箱:上海一恒儀器;分析天平:賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;電化學(xué)工作站:武漢科思特儀器股份有限公司;漆膜沖擊試驗機:德杜儀器;附著力測試儀:衡州艾普計量儀器有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 基本配方

表1為配方一水性丙烯酸防腐涂料基本配方,表2為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 制備工藝

配方一:按照所需加入去離子水、增稠劑1,控制攪拌機的轉(zhuǎn)速在600-800r/min,低速攪拌5min;攪拌結(jié)束后向容器內(nèi)加入消泡劑1、分散劑、潤濕劑,試劑加入結(jié)束后控制攪拌機轉(zhuǎn)速在800-1000r/min,攪拌20min;攪拌結(jié)束后加入鈦白粉、沉淀硫酸鋇,加入結(jié)束后進行攪拌,控制攪拌機轉(zhuǎn)速1500-2000r/min,攪拌30min;攪拌結(jié)束后加入去離子水、丙烯酸乳液、消泡劑2、成膜劑1、成膜劑2、防閃銹劑、10%亞硝酸鈉溶液,試劑添加完成后攪拌機轉(zhuǎn)速控制在800r/min進行攪拌20分鐘;最后加入增稠劑2,攪拌機轉(zhuǎn)速在600r/min攪拌10min即可制得水性丙烯酸防腐涂料。

配方二:按照所需量依次在調(diào)漆容器中加入丙烯酸乳液、去離子水、增稠劑1,控制攪拌機的轉(zhuǎn)速在600-800r/min,低速攪拌20min;攪拌結(jié)束后向器皿中加入消泡劑1、分散劑、PE-100潤濕劑,加入完成后進行分散,攪拌機轉(zhuǎn)速控制在600-700r/min,攪拌15min;攪拌結(jié)束后向器皿中加入沉淀硫酸鋇、鐵紅,加入完成后進行攪拌,攪拌機轉(zhuǎn)速控制在1200-1300r/min,攪拌20分鐘;攪拌結(jié)束后加入丙烯酸乳液再進行攪拌,這時攪拌機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)入中低速900r/min,攪拌10min;最后依次加入消泡劑2、成膜劑1、成膜劑2、防閃銹劑CK-34、10%亞硝酸鈉溶液、增稠劑2、防閃銹劑CK-20,在轉(zhuǎn)速600r/min下進行攪拌15分鐘,制成水性丙烯酸防腐涂料。

2 結(jié)果與討論

將制得的兩種水性防腐涂料與市面所售三種水性防腐涂料進行對比,將打磨、清洗、烘干后的馬口鐵板浸在五種不同涂料中30秒取出懸掛,使其自然干燥成膜。漆膜干燥后測得其厚度均在15-30μm范圍內(nèi)。對馬口鐵板上成型漆膜開展附著力(劃格法)、柔韌性、耐沖擊性、電化學(xué)實驗。

其中,標(biāo)準(zhǔn)試板參照GB/T 9271-2008制作,漆膜厚度測定參照GB/T 13452.2-2008/ISO 2808:2007測量,漆膜附著力參照漆膜附著力及其測試方法測試[7],柔韌性采用軸棒法測試參照GB/T 1731-2020測試,抗沖擊實驗參照GB/1732-2020實驗。

2.1 漆膜干燥時間

干燥時間是反映涂料物理性能的重要參數(shù)之一,一般是指涂料從流體狀態(tài)到全部形成固體涂膜的時間。涂料的干燥時間長短與涂料施工的間隔時間有比較大的關(guān)系,與漆膜的質(zhì)量也有一定的重要關(guān)系。

漆膜按GB/T 1728-2020漆膜、膩子膜干燥時間測定法,對其五種水性涂料進行表面干燥以及實際干燥時間測定。

表面干燥時間的測定選用乙法(指觸法),用手指輕觸漆膜表面,如感到有些發(fā)黏,但無漆或膩子沾在手指上,即認(rèn)為表面干燥。

實際干燥時間的測定選用乙法,在漆膜表面放置一個脫脂棉球,在脫脂棉球上輕輕放置一個干燥時間實驗器,同時啟用秒表,30秒后將干燥時間試驗器和脫脂棉球拿掉,放置5min。如漆膜表面無棉球的痕跡及失光現(xiàn)象;若漆膜上留有1-2根棉絲,但棉球能輕輕撣掉,均認(rèn)為漆膜實際干燥。

表3為五種涂料表干和實干時間。從表3可以看出,配方一、配方二略優(yōu)于其他三種市售配方。

表3 五種涂料表干、實干時間

2.2 漆膜附著力試驗

漆膜附著力反應(yīng)漆膜與被涂面之間結(jié)合的堅牢程度,是涂料涂裝性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)[8]。采用劃格法對浸有五種不同種類水性涂料的馬口鐵板進行附著力測試,如圖1所示,從左到右依次為配方一、配方二、市場售賣品牌1(簡稱市售后面類推)、市售2、市售3。因所有試驗板漆膜厚度均在60μm以下,所以刀片選擇1mm。

圖1 劃格試驗后板面情況

將制備好的馬口鐵板放置較為堅硬的平臺上,手持劃格器手柄使刀刃垂直馬口鐵板板面,以20-50mm/S的速度勻速劃過,而后將板面旋轉(zhuǎn)90度,重復(fù)上述操作,使其形成格陣圖。用軟毛刷在格陣圖兩邊對角線分別向前、后輕刷板面。最后用美國3M公司生產(chǎn)的600-HC33測試膠帶進行測試。將膠帶貼在整個劃格上,然后以最小角度撕下,結(jié)果根據(jù)漆膜被膠帶粘落的比例來求得。試驗最少在板面三個不同位置進行測試,如三個位置結(jié)果不同應(yīng)多于三個位置繼續(xù)試驗。依次在浸涂有五種不同水性涂料的馬口鐵板上進行試驗,結(jié)果如圖1所示。根據(jù)試驗結(jié)果可知附著力由高到低依次為市售3、配方二、配方一、市售2、市售1。

2.3 漆膜柔韌性測試

漆膜柔韌性也是衡量涂料性能的重要指標(biāo)之一,其對涂料的應(yīng)用場景以及應(yīng)用季節(jié)有很大影響。

對浸涂有五種不同涂料的馬口鐵板進行彎曲試驗,以測試其柔韌性。測試時軸棒直徑由大到小依次試驗,每張鐵板至少測試三次,如未觀察到網(wǎng)紋、裂紋及剝落現(xiàn)象則換用小一級軸棒進行測試。

通過對五種不同水性涂料進行彎曲試驗,其中配方二、市售2、市售3通過最小軸棒直徑1mm的測試,而配方一、市售1則能通過軸棒直徑為2mm的測試。以此說明前三者柔韌性較好。

2.4 漆膜抗沖擊測試

漆膜的耐沖擊性也是體現(xiàn)涂料性能的重要指標(biāo)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發(fā)生快速變形,但不出現(xiàn)開裂或從基材基底脫落的能力,也體現(xiàn)出被測漆膜的柔韌性和對基材的附著力。[9]

參照漆膜耐沖擊測定法,對浸涂有五種不同水性涂料馬口鐵板進行測試。將沖擊器放在穩(wěn)固的平臺上,導(dǎo)管應(yīng)垂直于水平面。如圖2所示,其為浸涂有五種不同水性涂料的馬口鐵板在100cm高度抗沖擊試驗后結(jié)果。從結(jié)果來看配方二、市售1的抗沖擊能力較其他三種配方好,其余三種配方的涂料漆膜有不同程度的剝落或裂紋。

圖2 抗沖擊試驗100cm高度抗沖擊結(jié)果

2.5 涂料固含量

涂料的固含量一般指,涂料在施工過后留下成膜的部分,其含量的高低對其形成的漆膜質(zhì)量以及使用價值有直接關(guān)系。[10]通常來講涂料的固體含量越高,在涂覆使用時其成膜度越高,可節(jié)約人工的稀釋和復(fù)涂環(huán)節(jié),因此在實際應(yīng)用上具有一定的經(jīng)濟價值和使用價值。

表4為五種不同涂料經(jīng)烘箱高溫至103℃烘干到恒重的結(jié)果。

表4 計算固含量數(shù)據(jù)

首先,準(zhǔn)備15個表面皿,用自來水、酒精、去離子水清洗干凈,而后放置103℃的烘箱中烘30min,以達(dá)到完全干燥,取出后放置在含有干燥劑的干燥皿中進行冷卻。冷卻至室溫后進行標(biāo)號稱重,而后每種涂料分三組分別用膠頭滴管滴入表面皿中,馬上稱重并記錄。為減小誤差,涂料的放入量均在10g以上。烘干至恒重過程中取出稱重時,要將其拿出后迅速放入干燥皿中,冷卻至室溫時,再進行稱量。烘干至恒重后,按以下公式進行計算[11]:

式中:X-固體含量平均值100(%)

W1-烘干后樣品和容器的質(zhì)量平均值(g)

23-容器重量平均值(g)

7-樣品重量平均值(g)

通過計算結(jié)果可知上述五種涂料固含量配方一、配方二,高于市售1、市售2、市售3,所以在成膜上配方一、配方二優(yōu)于市售1、市售2、市售3。

2.6 電化學(xué)試驗

鋼筋腐蝕絕大多數(shù)腐蝕過程的本質(zhì)是電化學(xué)性質(zhì)的[12],而防腐涂層/涂料也會隨著使用周期的增長發(fā)生腐蝕失效,一般表現(xiàn)為鼓泡或者直接脫落,喪失原有對鋼筋的保護能力,涂料腐蝕失效的直接后果就是使被保護的剛才開始腐蝕。[13]

在使用電化學(xué)方法研究涂料腐蝕機理、腐蝕試驗中,一般情況下會廣泛的利用金屬/電解質(zhì)溶液界面(雙電層)的電性質(zhì)。電化學(xué)測試技術(shù)已成為重要的腐蝕研究方法,金屬以及涂料腐蝕研究常用的電化學(xué)方法主要有:開路電位法(OCP)、極化曲線法(Tafel曲線)、電化學(xué)阻抗譜(EIS)等[14]。下面就對文章上述的五種不同配方的水性涂料進行電化學(xué)試驗,以比較哪種涂料更耐腐蝕。溶液采用3.5%的Nacl溶液,參比電極使用Ag/Agcl溶液,試驗在同一溫度、同一濕度條件下進行。

2.6.1 開路電位測試

測試前工作電極需要用砂紙從粗到細(xì)(360目、600目、800目、1000目、2000目)依次打磨至表面平整光滑,打磨完成后用蒸餾水沖洗,再用酒精脫脂,放入與試驗同一溫度的恒溫干燥箱中備用。將工作電極測試面對準(zhǔn)平面腐蝕池的測試孔,隨后擰緊螺栓,使工作電極同腐蝕池的PTFE面緊貼密封。將3.5%的Nacl溶液倒入腐蝕池中,將帶鹽橋的飽和Nacl電極插入平板腐蝕池中,務(wù)必將魯金毛細(xì)管底端細(xì)口對準(zhǔn)工作電極測試面,控制好溫度。

開路電位測試可以得到涂料的自腐蝕電位,可以通過涂料的自腐蝕電位來大致判斷耐腐蝕性的好壞。通常來說,材料的自腐蝕電位越正,材料就越難被腐蝕[15]。五種不同配方的開路電位結(jié)果如圖3所示,通過圖示可以看出,市售1、市售2、配方一較其他兩種配方好。

圖3 五種不同配方開路電位測試結(jié)果

2.6.2 交流阻抗測試

五種不同配方的水性涂料在3.5%Nacl溶液的交流阻抗譜測試結(jié)果如圖4所示。一般來說,涂料的容抗弧越大,說明材料的耐蝕性能越好。[16]從圖中可以看出除市售3外,其他幾個不同配方的阻抗譜顯示相差不是很大。

圖4 五種不同配方涂料交流阻抗測試結(jié)果

2.6.3 Tafel曲線測試

用 (Tafel線外推法),是將待測附有五種不同涂料的馬口鐵板做成電極浸入腐蝕介質(zhì)中,測量穩(wěn)定的伏安數(shù)據(jù)后作對數(shù)函數(shù)圖。這種方法可以求出腐蝕體系的電化學(xué)參數(shù),比如腐蝕電勢、電流密度,陰極和陽極的Tafel斜率以及不同緩蝕劑下的腐蝕效率。[17]圖5為在3.5%Nacl腐蝕溶液中測得五種不同配方的塔菲爾極化曲線,圖左上角為曲線擬合后得到的電流密度、自腐蝕電位以及腐蝕速率等數(shù)據(jù)。從圖示曲線以及擬合結(jié)果來看,市售2和配方一較市售1、市售3、配方二耐腐蝕稍好些。

圖5 五種不同配方涂料塔菲爾極化曲線測試結(jié)果

3 涂覆重量對比及戶外試驗

戶外試驗也稱涂料耐候試驗,就是讓涂料在自然條件下經(jīng)歷各種自然環(huán)境因素(風(fēng)、雨、不同溫度、不同濕度、紫外線、工業(yè)大氣等)隨著時間推移,看其耐腐蝕性。自然條件下戶外試驗?zāi)軌蛘鎸嵎磻?yīng)涂料耐老化性能的優(yōu)劣,其數(shù)據(jù)也比較真實可靠,因其有不可替代的周期性,故其長時間以來一直被采用。[18]

3.1 涂覆量對比

涂料的涂覆量對防止鋼筋銹蝕有一定影響,例如:同一種涂料對同一種鋼筋進行涂覆,其涂覆量越大較涂覆量小的鋼筋對比其越難以生銹。但對裝配式外露鋼筋而言,防腐涂料涂覆量不是越多越好,因其要考慮混凝土的握裹力:裝配式鋼筋一般為帶肋鋼筋,涂覆量過大勢必會對鋼筋肋進行覆蓋,從而影響鋼筋的握裹力。表5為五種不同配方涂料,涂覆量對比情況(每種配方取5個試樣后取平均值)。

表5 五種不同配方涂料涂覆量對比情況

通過表5以及圖6中數(shù)據(jù)可以得出配方一、配方二的涂覆量較于市售1、市售2、市售3的涂覆量要小很多。

圖6 涂覆重量平均對比

3.2 戶外暴曬試驗

五種不同配方涂料,根據(jù)應(yīng)用場景(裝配式外露鋼筋),模擬實際所需,將鋼筋浸在涂料中10秒,每種涂料浸潤三根。以7d為一個周期,兩個月為限,看鋼筋所覆涂料變化以及鋼筋是否生銹(涂料耐候性能)。除正常自然條件外,每天對其進行三遍以上噴淋(模擬惡劣環(huán)境),在加速其腐蝕的情況下,也便于每天觀察其變化情況。圖7為市售1、市售2、市售3在第二個周期(14d)結(jié)束鋼筋表面變化情況。從圖片中可以看出浸覆市售1、市售3涂料的鋼筋已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的銹點,說明這兩種涂料的耐候性比較差。其他兩種不同配方的涂料第二周期結(jié)束后未發(fā)現(xiàn)生銹情況。60天結(jié)束后如圖8所示,除配方二、市售2浸涂的鋼筋沒有生銹外,浸涂其他三種涂料的鋼筋均有不同程度的銹點。

圖7 市售1(左)、市售2(中)、市售3(右)14d天結(jié)束后情況

圖8 五種涂料涂覆鋼筋戶外暴曬60d結(jié)束后情況

4 結(jié) 論

隨著我國“環(huán)保事業(yè)”的發(fā)展,溶劑型涂料勢必會受到一定限制,水性涂料將會迎來快速發(fā)展期。[19]根據(jù)目前市場所需,針對裝配式外露鋼筋銹蝕問題研發(fā)出丙烯酸體系水性輕防腐涂料。

(1)通過漆膜干燥時間(表干、實干)測試、漆膜附著力測試、漆膜柔韌性測試、漆膜抗沖擊性能測試、涂料固含量、漆膜電化學(xué)試驗對比,結(jié)合產(chǎn)品生產(chǎn)造價綜合考量依據(jù)配方二制備的水性防腐涂料漆膜性能測試整體效果較好。

(2)通過涂覆重量對比結(jié)合戶外暴曬試驗結(jié)果來看配方二不僅涂覆量少,且經(jīng)過60天戶外暴曬未發(fā)現(xiàn)銹蝕情況。滿足裝配式構(gòu)件外露鋼筋戶外短暫儲存防銹要求。

(3)為檢驗配方一、配方二兩產(chǎn)品,其已在某裝配式構(gòu)件生產(chǎn)公司進行應(yīng)用性試驗,檢測其是否達(dá)到實際應(yīng)用要求。目前這兩款產(chǎn)品還存在微量團聚,在今后研究中亟待解決。水性防腐涂料因其環(huán)保、易儲存、施工方便等優(yōu)勢,未來應(yīng)用前景勢必非常開闊。[20]