桥梁混凝土破损锈蚀露筋修复涂层乳液的制备与研究.pdf

公路交通技术2 0 1 4年 8月 第 4期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o A u g 2 0 1 4 N o 4 桥梁混凝土破损锈蚀露筋修复涂层乳液的制备与研究 商 武 ， 余朝阳 ， 郑晓斌 ， 涂伟萍 ( 1 华南理工大学化学与化工学院， 广州5 1 0 6 4 0 ； 2 广州市承信公路工程检验有限公司， 广州5 1 1 4 0 0 ) 摘要： 选择合适的原料和合成工艺， 采用高性能可聚合乳化剂， 3 1 入磷酸酯功能单体( E M一 3 9 ) ， 以衣康酸单丁酯和 甲基丙烯酸缩水甘油酯为交联单体， 通过活性有机硅氧烷对丙烯酸乳液进行改性， 并合成水性丙烯酸防锈乳液。以 此乳液为基础， 选择 防锈剂， 制备 了水性丙烯酸防锈涂料， 其可用于桥梁钢筋混凝土结构破损锈蚀露筋的修复。 关键词： 改性丙烯酸防锈乳液； 水性丙烯酸防锈涂料； 混凝土破损露筋； 修复研究 文章编号： 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 4 ) o 4 0 1 0 1 0 5 中图分类号： U 4 4 9 7 文献标识码 ： A Pr e p a r a t i o n a n d St u d y o f Co a t i n g E mu l s i o n f o r Re p a i r o f Da ma g e， Ru s t i n g a n d Ex p o s e d Re i n f o r c i n g Ba r s o f Co n c r e t e i n Br i d g e s SHANG W u ，YU Z ha o y a n g ，ZHENG Xi a o b i n ，TU W e i p i n g Ab s t r ac t ：W i t h mo n o b u t y l i t a c o na t e a nd g l y c i d y l me t h a c r y l a t e a s l i n k i n g mo n o me r s ，t h i s p a p e r mo d i fie s a c r yl i c e mu l s i o n v i a a c t i v e o r g a n os i l o x a n e a n d s y n t h e s i z e s wa t e r -b a s e d a c ryl i c a n t i m s t e mu l s i o n b y s e l e c t i n g a p p r o p ri a t e r a w ma t e ri a l s a n d s y n t h e t i c p r o c e s s e s ，a d o p t i n g h i g hp e rf o r ma n c e p o l y me r i z a b l e e m u l s i fi e r a n d i n t r o d u c i n g f u n c t i o n a l p h o s p h a t e mo n o m e r s( E M- 3 9 ) Wi t h t h i s e m u l s i o n a s b a s i s ，t h e p a p e r s e l e c t s a n t i r u s t a g e n t s t o p r e p a r e wa s t e r -b a s e d a c ryl i c a n t i - r u s t c o a t i n g，wh i c h c a n b e us e d t o r e p a i r d a ma g e，r u s t i ng a n d e x p o s e d r e i n f o r c i ng b a r s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s i n b ridg e s Ke y wo r ds ：mo d i fie d a c ryl i c a n t i r us t e mu l s i o n；wa t e r b a s e d a c ryl i c a n t i ru s t c o a t i ng；da ma g e a n d e x p o s e d r e i n f o r c i n g ba r s o f c o n c r e t e；r e p a i r s t ud y 钢筋混凝 土结构长 期暴露在复 杂的大气环 境 中， 由于 昆 凝土本身存在不致密、 抗裂性差等缺点， 故环境中的腐蚀介质极易渗透到混凝土内部 ， 致使 内部钢筋 的锈蚀 ， 并顺筋产生裂缝 ， 从而影响混凝土 结构的稳定性和耐久性 ， 降低桥梁的使用寿命 J 。 对锈蚀露筋进行修 复， 首先需对破损露筋进行 防锈处理， 阻止外部腐蚀性介质与钢筋接触。丙烯 酸乳液不仅具有优越的耐候性 、 耐老化性 、 耐腐蚀性 和粘接性 ， 而且对环境污染小 ， 价格相对低廉 。本文 介绍采用有机硅对水性丙烯酸防锈乳液进行改性 ， 并用其制备水性 防锈涂料。该涂料可对桥梁 昆 凝 土 破损锈蚀露筋进行修复。 1 试验 1 1主要原料 制备桥梁混凝土破损锈蚀露筋修复涂层乳液的 基金项 目： 广东省交通运输厅科技项 目( 2 0 1 3 0 2 0 5 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 0 2 作者简介 ： 商武( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 湖j E 省麻城市人 ， 在读研究生 主要原材料如下： 甲基丙烯酸 甲酯 ( M MA) 、 丙烯酸 丁酯 ( B A) 、 苯乙烯( s t ) 、 衣康酸单丁酯 ( MB I ) 、 甲基 丙烯酸缩水甘油酯 ( G MA)、 甲基丙烯酰氧基丙基三 甲氧基硅烷( K H一 5 7 O ) 、 乙烯基三乙氧基硅烷 ( Y D H 一 1 5 1 ) 、 乙烯基三异丙氧基硅烷 ( A C 一 7 6) ， 其均为分 析纯， 由天津科密欧化学试剂有限公司生产； 磷酸酯 ( E M一 3 9 ) ， 由长兴化学材料 有限公 司生产 ；D N S 一 4 5 8 、 S R一 1 0， 其为化学纯 ， 由广东双键贸易有 限公司 生产 ； 过硫酸钠 、 碳酸氢钠 、 三乙胺 ， 其均 为化学纯 ， 由上海凌风化学试 剂有 限公 司生产 ； 去 离子水 ， 自 制。 1 2合成工艺 乳液预乳化工艺： 将适量去离子水、 复合乳化 剂、 引发剂( 过硫酸钠) 昆 合后搅拌至溶解， 搅拌的 同时慢慢滴加混合单 体 S t 、 B A、 G MA， 待 预乳化 1 5 m in制得核预乳液备用。采用同样的方法制备壳乳 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 2 公路交通技术 2 0 1 4丘 液 ， 其单体主要包括 B A、 S t 、 E M一 3 9 、 MB I 。 乳液聚合工艺 ： 在装有温度计 、 搅拌 器、 冷凝 管 的四口烧瓶中加入底料 ， 其包括适量的去离子水、 复 合乳化剂 、 引发剂及缓冲剂 。将底料升温 ， 至 8 O q C 时加入 8 的核预乳液 ， 将温度控制在 8 2并制备 种子 ， 反应 3 0 mi n ， 待乳液变蓝 ， 反应瓶内无 明显 回 流后开始滴加剩余的核乳液， 需在2 h内滴完， 并升 温保温 1 h ； 然后滴加壳乳液 ， 当壳乳液剩下 1 2时 ， 加入设计量的有机硅单体 ， 需在 2 h内滴完 ， 并升温 至8 6且保温 1 h ； 最后冷却至5 O， 用三乙胺中 和至 p H约为 7 8 ， 过滤出料 ， 得到乳白略带蓝光的 乳液。 1 3 测试与表征 试验过程中， 对聚合乳液 的主要性能进行 了测 试与表征 ， 测试与表征方法如下 。 凝胶率 ： 仔细收集滤网、 瓶壁及搅拌器上 的含水 凝聚物， 在 1 2 0 下干燥除去其中的水分， 剩余的干 凝聚物与总单体的质量分数为凝胶率。凝聚率用于 表征乳液的聚合稳定性。 固含量 ： 取 出适量乳液约 2 g ， 将其置于 1 3 0 烘箱中烘 2 h ， 称重， 固含量按下式计算： S =( ) x 1 0 0 。式 中， S为固含量 ； M 为烘干后干物质 的量； 为烘干前乳液的量 。 粒径 ： 采用英国 Ma l v e m公司生产 的Z S N a n o S型 激光粒度分析仪对乳液粒径进行测试。 附着力： 参照 G B 1 7 2 0 -1 9 7 9 ( 漆膜附着力测定 法 ， 用 G F D型漆膜附着力试验仪测试涂膜附着力。 硬度 ： 将制得的乳液涂在处理过的马口铁片上 ， 在 6 O 恒 温 干燥 箱 中干燥 。参 照 G B T 6 7 3 9 1 9 9 6 ( 涂膜铅笔硬度测定法 ， 用 Q H Q型涂膜铅笔 划痕硬度仪测试其硬度。 吸水率： 吸水率测试参考 G B 1 7 3 8 -1 9 7 9 ( 绝缘 漆漆膜吸水率 ， 其用于表征涂膜的耐水性。 交联度 ： 乳液成膜后 ， 真空干燥 7 d ； 称取 1 g 乳 胶膜 ， 在索 氏提取器中用丙酮连续抽提 2 4 h ， 测试其 交联度。交联度 = 抽提后样品质量 抽提前样品质 量。 耐盐水性 ： 参考 G B T 1 0 8 3 4 -1 9 8 9 船舶漆 耐 盐水性 的测定 ， 将 马 口铁涂覆厚度 4 05 0 i x m的 乳液 ， 然后放入 6 0 q C 烘箱中， 7 2 h后取出， 用松香与 石蜡 以 1： 1质量 比例封边后并放人 3 的 N a C 1溶 液中浸泡 ， 定期观察乳胶膜表面状况及马 口铁片表 面是否有锈点。 2结果与讨论 2 1 乳化剂对乳液及涂膜性能的影响 防锈乳液合成过程中， 应尽量降低乳化剂尤其 是离子型乳化剂的用量。可聚合乳化剂通过共聚与 高分子链 以共价键结合 ， 在 固化膜中乳化剂分子不 会发生迁移， 从而聚合物膜的耐水性可得到提高。 本试验选择聚合型乳化剂 S R 一 1 0与阴非复合型乳 化剂 D N S 一 4 5 8复配 ， 固定 S R 一 1 0与 D N S - 4 5 8用量 比为 8： 1 ， 合成试验考察了复合乳化剂用量对乳液 及涂膜性能的影响， 如表 1 所示 。 由表 1 可知， 当复合乳化剂用量增加时， 乳液中 胶束增加 ， 乳胶粒子 问的静电斥力得到加强且水合 层加厚， 从而使乳液凝胶率下降， 稳定性增加。当复 合乳化剂用量增加时 ， 离子型乳化剂也相应增加 ， 导 致乳胶膜耐水性下降 ； 当复合乳化剂用量减少时， 乳 胶膜的耐水性有极大提高 ( 9 6 h耐水性 ： 通过 ) ， 但 乳液的凝胶率增加， 稳定性略微降低。综上所述， 当 复合乳化剂用量 在 0 8 左右时 ， 乳胶膜 的耐水性 最佳， 乳液稳定性较好 。 2 2 磷酸酯( E M一 3 9 ) 对防锈乳液性能的影响 在合成 的乳 液 中掺人 可聚合 的磷 酸 酯 ( E M一 3 9 ) ， 可提高乳液在金属基材表面的附着力 ， 从而提 高乳液的防锈性能 一 。本文探讨 了 E M- 3 9用量 对乳液及涂膜性能的影响 ， 如表 2所示。 由表 2可知， 掺入 E M一 3 9后 ， 乳液 的干湿附着 力得到极大提高， 闪蚀时间延长； 当 E M- 3 9的掺入 表 1 乳化剂用量对乳液及涂膜性能的影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 4期 商武， 等： 桥梁混凝土破损锈蚀露筋修复涂层乳液的制备与研究 1 0 3 量达到 4 时 ， 乳液的干湿 附着力达到最佳 ， 闪锈 消 失。由表2还可以看出， E M一 3 9的掺入极大地降低 了乳液的凝胶率， 提高了乳液的稳定性。这是由于 E M一 3 9本身具有表 面活性剂作用 ， 其分子结构 中含 有较长的碳链 ， 其增大了乳胶粒凝聚的空间位阻。 2 3 交联单体对防锈乳液性能的影响 本试验通过设计合成工艺将交联单体 G M A和 MB 1 分别固定于乳胶粒核层和壳层分子结构 中。乳 胶粒固化成膜过程中， 随着水分的蒸发 ， 分布在不同 层 中的环氧基和羧基相遇 ， 形成适度的交联 ， 从 而可 提高乳胶膜的交联度和致密性。本试验中 G M A与 M B I 的固定质量比为 1： 1 ， 合成试验考察了 M B I 用 量对乳液及涂膜性能的影响 ， 如表 3所示。 由表 3数据可知 ， 随着交联单体量增多 ， 乳 液的 凝聚率逐渐增加 ， 交联密度增大 ， 乳胶膜的吸水率先 降低， 后升高。当交联单体( M B I ) 用量为单体总量 的 2 时 ， 乳胶膜耐水性 较好 ， 有较高 的交联 密度 ； 同时乳液的凝聚率低 ， 有较好的稳定性 。 2 4 活性有机硅氧烷对防锈乳液性能的影响 活性有机硅氧烷具有较低 的表 面能 ， 掺人乳液 中有利于提高涂膜 的耐水性能 。本试验在相同聚合 工艺下 ， 分别 引入相 同量 ( 1 5 ) 的不 同活性有 机 硅氧烷 ( 乙烯基三异丙氧基硅烷 A C一 7 6； 甲基 丙烯 酰氧基丙基三 甲氧基硅烷 K H一 5 7 0； 乙烯基三 乙氧 表 3 MB I 用量对乳 液及涂膜性能的影响 图 1 不同硅烷偶联剂对乳液稳定性的影响 基硅烷 Y D H 一 1 5 1 ) ， 考察其对乳液体系稳定性的影 响， 如图 1所示。 由图1 可知， 随着有机硅氧烷掺人量增加， 乳液 的凝胶率也逐渐增加 。这是由于随着有机硅氧烷用 量的增加 ， 硅氧烷发生水解 和缩聚反应程度增加 ， 水 解和缩聚产生的醇类化合物会从乳胶粒 中吸收乳化 剂 ， 同时乙烯基硅氧烷发生均聚反应 ， 从而降低了乳 液 的稳定性 。与掺加 K H一 5 7 0和 Y D H 一 1 5 1 相 比较 ， 掺加 A C 一 7 6后 ， 乳液聚合凝胶率相对较小 ， 体 系稳 定性较高。其原因在于乙烯基三异丙氧基硅烷的异 丙氧基空间位阻 比甲氧基和 乙氧基要 大， 可以抑制 硅氧烷的水解和缩 聚反应 ， 并提高乳液体系的稳定 性。活性有机硅氧烷用量对乳液及涂膜性能影响如 表 4所示 。 由表 4数据可以看出， 随着 A C一 7 6用量增加 ， 乳胶膜的交联密度增大 ， 硬度 提高 ， 吸水 率逐渐降 低 ， 耐水性能提升 ， 同时乳液的凝胶率升高 ， 粒径增 大； 但体系稳定性降低， 凝胶率升高。当 A C 一 7 6用 量为 1 5 时， 乳液及其涂膜的综合性能较好。 2 5 防锈乳液的应用 将合成的丙烯酸乳液和加有 0 5 水性 防锈剂 的 自制乳液与市售商品丙烯酸乳液进行对 比试验 ， 以测定其耐盐水性能 ， 结果如表 5所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 4 公路交通技术 2 0 1 4年 商品丙烯酸乳液 完好 改性丙烯酸乳液 完好 改性丙烯酸乳液( 防锈剂) 完好 完好 轻微起泡 出现锈点 锈斑扩大 腐蚀严重 腐蚀严重 完好 完好 完好 轻微起泡 轻微生锈 锈蚀 完好 完好 完好 完好 轻微起泡 轻微生锈 由表 5可知 ， 与商品丙烯酸乳液相比较 ， 改性丙 烯酸乳液具有更好 的防锈性 能， 加入 0 5 的水性 防锈剂后 ， 改性丙烯酸乳液 的防锈性能更加优异 。 通过优化设计与试验 ， 得到水性防锈涂料配方 ， 如表6所示， 其相关性能测试结果如表 7 所示。 表 6 水性防锈涂料配方 原料 质量分数 改性乳液 防锈颜料 防锈剂 分散剂 消泡剂 流平剂 增稠剂 成膜助剂 p H调节剂 去离子水 由表 7可知， 按照表 6配方制备的水性防锈涂 料能够满足桥梁钢筋混凝土结构破损锈蚀露筋修复 相关设计指标 ， 对钢筋有 良好 的附着力和防锈性能 ， 且对锈蚀钢筋具有良好 的修复作用。 3结 语 本文掺人 E M一 3 9功能性单体 ， 通过有机硅 改 性， 成功合成了水性丙烯酸防锈乳液。试验结果表 明， 当复合乳化剂用量在 0 8 左右时， 乳胶膜的耐 水性最佳 ， 乳液稳定性较好 ； 掺人 4 的 E M一 3 9可 以很好地提高乳液 的干湿 附着力 ， 抑制 闪锈和提高 防锈性能 ； 当交联单体 MB I 的用量为 2 时， 乳胶膜 有较高的交联密度 ， 耐水性较好 ； 使用 A C 一 7 6则可 以降低乳液聚合凝胶率， 提高乳液的稳定性。用 自 制防锈乳液制备的水性防锈涂料具有优异的防锈性 能， 可满足桥梁破损锈蚀露筋修复工艺的要求。 表 7 水性防锈涂料相关性能测试结果 ( 下转第 1 0 9页) 8 2 3 1 1 3 5 O 7 6 4 3 L L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 4期 胡益铸 ， 等 ： 飞云江跨海特大桥安全监测及巡检 系统设计 1 0 9 图 5 安全信息关 系 当复杂 ， 结构状态反演 、 损伤识别和安全评估有待深 入研究 ； 2 )桥梁结构和环境的复杂性导致结构模态 响应不够灵敏， 对结构整体监测和评估造成一定困 难 ； 3 )监测系统 自身存在衰减 和服役年限 的问题 ， 如何判断系统的有效性并实现系统的可修复性还需 进一步研究 。 2 3 参 考 文 献 孙 鸿敏， 李宏男 土木工程结构健康 监测研究进展 J 防灾减灾工程学报， 2 0 0 3 ( 9 ) ： 9 2 9 8 秦 权 桥梁结构的健康监测 J 中国公路学报， 2 0 0 0， 1 3 ( 2 ) ： 3 7 - 4 2 李爱群 ， 缪长青， 李兆霞， 等 润扬长江大桥结构健康 监测系统研究 J 东南大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 5 ) ： 5 4 4 一 4 5 6 7 8 5 48 张敏 ， 杨志芳， 朱利明 东海大桥桥梁结构健康监测 系统研究与设计 J 桥梁建设 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 6 7 7 O 贺淑龙 ， 胡柏学， 曾 威， 等 矮寨特大桥结构健康监 测系统 J 中外公路， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 6 ) ： 1 0 1 3 李惠， 欧进萍 斜拉桥结构健康监测系统的设计与 实现 (I) ： 系统设计 J 土木工程学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 4 ) ： 3 9 44 郭江 ， 曾兵 ， 曹禹， 等梯级水电站大坝巡检系 统信息组织方法 J 水电自动化与大坝监测， 2 0 1 1 ， 3 5 ( 1 ) ： 2 5 - 2 8 骆斌 ， 曾洪涛， 肖志怀， 等面向状态检修的便携式 设备巡检系统 J 武汉大学学报 ： 工学版 ， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 6 ) ： 3 7 4 0 oo00o0 0o0o00 oo 0 0 o 0000 0o0 0o ( 上接 第 1 0 4页) 2 3 4 参 考 文 献 余瑶璩， 曹大富， 李琮琦 钢筋混凝土锈蚀损伤研究综 述 J 重庆建筑大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 2 2 1 2 5 卢峰 ， 刁 波 混凝土碳化及钢筋锈蚀预测模型对 比验证 J 混凝土， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 3 6 4 2 赵妮， 刘 国军， 张桂霞 ， 等 含磷苯丙乳液 的合成 J 大连工业大学学报， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 1 ) ： 5 8 6 1 刘都宝， 鲍俊杰 ， 纪学顺 国内苯丙乳液改性的研究进 5 6 7 展情况 J 中国涂料 ， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 3 ) ： 3 6 3 8 钟泽钦 ， 余倩， 冯伟 良， 等 磷酸酯改性水性丙烯酸脂 防腐涂料的工艺研究 J 广东化工， 2 0 1 2 ， 3 9 ( 5 ) ： 8 1 姜海燕 ， 何立凡， 李效玉 苯丙乳液的合成及水性防锈 涂料的制备研究 J 涂料工业 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 9 ) ： 9 - 1 3 I n i g o Go n z a l e z ， D i r k Me s t a c h Ad h e s i o n e n h a n c e me n t i n w a t e r b o r n e a c r y l i c l a t e x b i n d e r s s y n t h e s i z e d w i t I l p h o s p h a t e m e t h a c ryl a t e m o n o m e m J P r o g r e s s i n O r g a n i c C o a t i n g s 2 0 0 8 ， 6 1 ( 8 ) ： 3 8 4 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m