桥梁用混凝土钢筋的防锈复合涂层的工艺优化及性能研究初探.pdf

第 2 2卷第 2期 2 0 1 4年 6月 北京 石油 化工学 院学 报 J o u r n a l o f Be i j i n g I n s t i t u t e o f Pe t r o c he mi c a l Te c hno l o gy Vo 1 2 2 NO 2 J u n 2 0 1 4 桥梁用混凝土钢筋 的防锈 复合涂层 的 工艺优化及性 能研究初探 郝保红 ， 刘子琪 ， 潘鹏 飞 ， 王 伟 ， 窦艳 涛 ( 北 京石油化工学院机械工程系 ， 北京 1 0 2 6 1 7 ) 摘要 ： 为 了提 高钢混结构 内部配筋 的耐久性 ， 在有机防锈涂料 中添加 了无机纳米添 加剂 ， 研 制 出“ 有 机 一无机纳米复合体涂层” ， 利用纳米材料的“ 自修 复” 功能和“ 超延展” 行为 ， 实 现钢 筋表 面的有效覆盖 ， 弥补 了普通有机涂层 由于涂抹不均导致腐蚀加剧 的缺 陷 。经过宏 观形貌 的 目测 、 局部 形貌 的显微 观测 以及电化学检测等手段 ， 分析 了纳米 复合体涂层钢筋 的锈蚀规律 ， 验证 了涂有纳米复合体 涂层对提 高钢 筋耐蚀能力 的有效性 实验结果表 明： 使用 了纳米 复合体涂 层 的钢 筋 ， 具 有一定 的“ 自洁净 ” 功 能 ， 能有 效抵御外界环境 中杂质离子 的侵蚀 。 关键词 ： 钢筋混凝 土；纳米 复合涂层 ；电化学测试 ；自洁净功能 ；超延展行 为 中 图分 类 号 ： U4 8 B 1 文 献 标 志 码 ： A 桥梁 的安 全性 、 可 靠 性 和维 护 经 济性 是 桥 梁设 计 、 施 工 和 养 护 管理 的根 本 目的 。但 桥 梁 钢筋混凝土在使用期内由于诸多因素的交互作 用 而使其 性能 逐渐 退化 。桥 梁钢 筋混凝 土 防 锈复合涂层是阻止腐蚀介质进入钢筋表面的第 一 道防线 ， 是一种成本低廉、 施工方便、 效果理 想 的方案 j 。 笔者开发了一种能提高漆膜的抗老化性 、 抗 渗性 、 抗气 候 季节 变化 、 耐 酸 碱 ， 具 有 较 高 的 抗 溶剂侵 入能 力和 一定 程度 的 电极 电位 自保 护 机 制 的新 型纳 米复 合 防腐蚀 涂层 。采用 模拟 环 境加速试验的办法 ， 考察涂有纳米复合体涂层 钢筋 的耐 蚀性 、 抗 高 温性 和 抗 耐 老 化性 。运 用 电化学 测 试 手段 ， 对 实 验 样 品进 行 电极 电位 和 自腐 蚀 电流检 测 。对所测 得 的大批 数据 进行 分 析 整理 ， 分 析 纳 米 复合 体 涂层 钢 筋 的锈 蚀 规 律 及 相关力 学性 能指 标 。对纳 米复合 体涂 层 的工 艺 进行优 化 ， 初 步 揭示耐 锈蚀 机理 。 1 实验 内容 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 6 2 8 基金项 目： 交通运输部重大科 技项 目( 2 0 1 1 3 1 8 2 2 3 3 9 0 ) ； 北京 市 UR T资助项 目( 1 3 0 1 0 2 2 8 0 1 5 ) 。 作者简介 ： 郝保红 ( 1 9 6 2 一) ， 女 ， 博士 ， 副教 授 ， 研究方 向为超 细粉体研究 ， E ma i l ： h a o b a o h o n g b i p t e d u c n 。 目前 使 用较 多 的 有 机 防锈 涂 料 ( 如氰 凝 防 腐涂 料及 醇 酸铁 红 防锈 漆 ) 存 在 着 由 于 涂抹 不 均 导致 腐 蚀 加 剧 ， 以及 由于 实施 多 层 涂 层 导致 的厚度增 加 引发涂 层“ 起泡 ” 、 “ 剥 离” 和“ 层 间剥 离 ” 等不 良现 象发 生 的问 题 3 。笔 者 采 用 将 纳 米 添加 剂 添 加 在有 机 防 锈 涂料 中的方 法 ， 研 发 耐 久性 好 的钢 筋 纳米 复 合 涂层 ， 从 分 子 结构 上 克 服 了涂 层 透气 、 透水 性强 的弊 病 ， 提 高 了材料 的抗水 、 气等 的侵 入 性 。 同时 还 可达 到表 面改 性 ， 提高 材料 的耐 久性 ， 避免 常规 油性 不耐 酸碱 及 溶 剂 的侵 蚀 ， 极 易 吸 附外 来 杂质 原 子 进 而诱 发 锈蚀 层 的 堆 积和 积 聚 ， 最 终导 致 混 凝 土开 裂 或表面混凝土成块脱落的弊端。提高钢混结构 的使用 寿命 ， 确保 桥梁 钢筋 混凝 土 的安 全实 施 。具体地讲 ： 就是在氰凝 防腐涂料及醇酸 铁 红 防锈 漆 2种有 机 防锈蚀 涂料 中添 加 纳米添 加 剂 ， 研 制“ 纳米 复 合 体 涂 层 ” 并 直 接 涂 在 钢筋 上 ， 利用 纳米 材料 的“ 自修 复” 功 能 和 “ 超 延 展 ” 行 为 ， 实现钢 筋表 面 的有效 覆盖 ， 弥补 普 通有 机 涂层存在的诸多问题 。采用模拟环境加速试验 的办法， 考察涂有纳米复合体涂层钢筋 的耐蚀 性 、 抗 高温性 和抗 耐老 化性 。对 实验样 品 ， 运用 电化学测试手段进行 电极 电位和 自腐蚀 电流检 测 。通过 与裸 筋和单 一涂 料 的涂层 钢筋 的锈蚀 第 2 期 刘子琪等 桥梁用混凝土钢筋的防锈复合涂层的工艺优化及性能研究初探 5 剂 ，涂层钢筋的锈蚀 速率最 高， 添加了混合形 貌 的纳米涂层钢筋 的锈蚀速率最低 ， 这是 因为 晶须在 涂层 中发 生 了“ 架 桥 ” 现 象 ， 而 混 杂 的 纳 媛 雹 啦 媛 脚 基 4 0 0 3 5 0 3 【 x 】 25 0 2o o 1 5 O 1 0 0 5 0 f a 1 氰凝防腐纳米涂层钢筋锈蚀 电流 0 2 4 6 8 时间， d 甚 健 皿 米 颗 粒 则 可 在 涂 层 中达 到 相 对 均 匀分 散 的 效 果 ， 并 且 具有 与基体 相互 弥合 的作 用 。 0 时间， d 2 4 6 氰凝 防腐纳米涂层钢筋 自腐蚀电位 时间 d 2 4 6 8 ( c ) 醇酸铁红纳米涂层钢筋锈蚀电流 ( d ) 醇酸铁红纳米涂层钢筋自腐蚀电位 图 8 不同形 貌的纳米 复合涂层 的锈蚀电流和 自腐 蚀电位 3 结 论 通过 在有 机涂 料 中添 加纳 米 添 加 剂 ， 研 制 “ 有 机 一无 机 纳米 复 合 体 涂层 ” ， 利 用 纳 米材 料 的“ 自修 复” 功 能 和“ 超 延 展” 行 为 ， 可 以实 现钢 筋表面的有效覆盖 ， 弥补了普通有机涂层 由于 涂抹不均导致腐蚀加剧的缺陷。经过宏观形貌 的 目测 、 局 部 形 貌 的显 微 观测 以及 电化 学 检测 等 手段 ， 得 出了 纳米 复 合 体涂 层 钢筋 的锈 蚀规 律 ， 证 实 了涂 有 纳米 复 合体涂 层 对提 高 钢 筋耐 蚀能力的有效性 。得 出具体结论如下： ( 1 ) 纳米复合涂层钢筋在受到氯离子的侵 入 时 ， 可 以表 现 出明显 的抗 氯 离子侵 入效 果 ； 其 中， 氰凝防腐纳米涂层抗氯离子性能优于醇酸 铁 红 防锈 纳米 涂 层 ； 显 微 镜观 察 涂层 表 面 结果 表 明 ， 涂层 的透气 性 及 吸水 性 对 钢筋 的锈蚀 速 率 影响很 大 。 ( 2 ) 氰凝防腐纳米涂层和醇酸铁红防锈纳 米 涂层在 酸性 环境 和碱性 环境 中呈 现 出不 同的 锈 蚀规律 ， 相关 机理 有待 于后续 分析 研究 。 ( 3 ) 纳 米添 加 剂 形 貌 直 接影 响复 合 涂 层 的 防锈蚀效果 ， 其 中以晶须最差 ， 这是 由于添加剂 在涂 层 中产 生 了 架 桥 现象 导 致 的 ，片 状 次之 ， 混合物的添加效果较 好。相关机理 有待后 续 研究 。 ( 4 ) 耐高温烧结试验表明， 烧结可以提高涂 层与钢筋的粘结力 ， 提高耐久性 ， 挖掘纳米材料 的“ 自修复” 潜能， 提升“ 超延展” 效果 ， 从而提升 防锈 水平 。最 佳烧结 温度 在 2 0 0左右 。 参考 文献 1 马超 桥 梁公 路 昆凝 土桥 粱耐 久性 研究 D 西 安 ： 长 安 大 学 ， 2 0 0 7 5 E 2 3 张胜利 ， 付 红 桥 梁混凝 土结 构表 面 防护涂 层 的 应用研究 J 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 9 1 9 3 E 3 贡金鑫 钢筋混 凝土结构基 于可靠度 的耐 久性分 析F D 大连 ： 大连理工大学 ， 1 9 9 9 4 张苑竹 混凝 土结 构耐 久性检 测 、 评定及 优化 设 计方法I - D 浙江 ： 浙江大学 ， 2 0 0 3 J 2 3 4 ，上 ， 加 加 加 加 0 1 2 3 4 5 6 7 8 北京 石 油化工 学 院学报 2 0 1 4年第 2 2卷 The Pr o c e s s Opt i m i z a t i o n a nd Pe r f o r ma n c e S t u d y o f Co mpo s i t e Co a t i ng wi t h Pr e v e n t i n g Co r r o s i o n i n Re i n f o r c e d Co n c r e t e i n Br i d g e HAO Ba o h o ng，LI U Zi q i ，PAN Pe i f e i ( S c h o o l o f Me c h a n i c a l En gi n e e r i n g，Be i j i g W ANG we i ，DOU Ya n t a o I n s t i t u t e o f Pe t r o c h e m i f Z Te c h n o l o g y，Be i j i n g 1 0 2 6 1 7 ，Ch i n n) Ab s t r a c t I n t hi s r e s e a r c h， i no r g a n i c n a no m e t e r a d di t i v e t o or g a ni c a n t i r u s t c o a t i n g i s a dd e d t o e n ha n c e t he d ur a b l t y of t h e s t e e l s t r u c t u r e of t he i nt e r na l r e i n f o r c e m e n t ，a nd d e v e l o p 0r ga n i c 一 no r ga n c na n ome t e r c ompo s i t e c o a t i ng s ， ， Thi s t e s t m a k e s u s e of t he “s e i f he a l i n g” a n d “ s up e r s t r e t c h c h a r a c t e r i s t i c s of n a no m e t e r m a t e r i a l f or t he pu r po s e o f e f f e c t i v e 1 y c ov e r i n g on t he s t e e 1 a nd ma k m g u p t he ge ne r a l or ga n i c c o a t i n g c or r o s i o n du e t o un e v e n d a u b a g g r a v a t e d e f e c t s I t a n a l ys e s t h e c o r r os o n l a w o f n a no c ompo s i t e c o a t i n g i n s t e e l a nd pr o v e s t ha t na n o c 0 m D o s i t e c o a t mg m pr oV e s t h e e f e c t i v e n e s s o f t h e s t e e l b a r c or r o s i on r e s i s t a nt a b i l i t y b y u s i n g t h e wa v o f ma c r o mo r p ho l o gy of V s u a l i ns pe c t i o n，m i c r os c o pi c ob s e r v a t i o n o f l o c a l t o po g r a p hy a n d e 1 e c t r o c he m c a l d e t e c t i on m e t hod s The e xp e r i m e nt s ho ws t ha t t he s t e e l wi t h us i ng na n o c o m p os i t e c oa t ng h a v e s e l 一 c l e a n， ，f u nc t i o n a n d c a n e f f e c t i v e l y r e s i s t t h e e r os i o n o f t h e i m p ur i t y i o ns i n t he e nv i r o nm e n t Ke y wo r ds ： r e n o r c e d c on c r e t e； na n o c o m po s i t e c o a t i n g； t he e l e c t r oc he mi c a 1 t e s t ； s e I f - 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