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混凝土表面硅质涂层的制备及耐酸蚀性研究new

添加日期:2017/5/18 17:28:57   作 者:俞浙军  来源:   浏览次数:

 

本文研究了以纳米二氧化硅(NSI)为主要成膜物质,搭配不同细度的碳酸钙,得到Ca-NSI复合基料,搭配耐酸性的颜填料,再辅以适当的助剂,制备一种水性环保耐酸型的硅质涂层,将其涂覆在混凝土表面,能很好的保护混凝土不受酸性的腐蚀

 

关键词混凝土,硅质涂层,防护,耐酸,环保。

1       引言

混凝土结构长期暴露于空气中容易吸收水分及其他有害物质而发生腐蚀,尤其是在酸雨环境中,很容易受到严重的腐蚀,每年因酸雨造成的直接经济损失高达140亿元以上,当这些混凝土结构受到酸雨的侵蚀而发生承载力等不足时,通过加固措施来提高其承载力不仅耗资巨大,且难度很大[1]。所以迫切需要研制一套施工简便,适用于混凝土有耐酸需求的领域。

20世纪中期,国外工业化发达的欧洲、北美洲、日本等已经开始重视酸雨对混凝土的危害研究,发现采用耐酸涂料对混凝土进行保护是一种行之有效且操作简便的途径。目前使用的混凝土的防护剂大多为沥青、聚氨酯及环氧树脂等[2]这些防护涂层虽具有耐酸碱、短期附着力好等优点,但它们在混凝土表面形成的连续致密涂膜将混凝土表面空隙全部密封,阻止了内部水分往表面挥发,且涂层与混凝土的膨胀系数相差较大,随着热胀冷缩进行,涂膜很容易脱落,进而腐蚀混凝土。

硅溶胶是以水为分散介质的高分子聚偏硅酸的胶体溶液,其二氧化硅粒子多以球状单个或多个聚结分散.能牢固附着在基材表面,随水分的不断蒸发,二氧化硅粒子间脱水反应能形成牢固的Si-O键而形成连续涂膜[3]。所形成的涂膜具有很好的耐酸耐碱性能。

本文研究的硅质涂层以纳米二氧化硅(NSI)为主要成膜物质,采用不同细度的碳酸钙搭配,得到Ca-NSI复合基料。在Ca-NSI复合基料中掺入耐酸性能优异的硫酸钡、石英粉和玻璃鳞片等填料即可得到耐酸腐蚀的硅质涂料。这是一种很有前途的保护混凝土防止酸雨腐蚀功能涂料。

2      实验部分

2.1 原料及设备

无机复合基料:Ca-NSI系,自制;NSI:20-40%二氧化硅含量,市售;石英粉:400目,市售;玻璃鳞片:400目,市售;硫酸钡800目,市售;纤维素:科耐欧贸易有限公司;分散剂,润湿剂,消泡剂,pH稳定剂:市售;无机色浆:上海复顿色彩科技有限公司;防霉杀菌剂:南通市晗泰化工有限公司;浓硫酸:市售

高速搅拌分散机,恒温恒湿箱,耐沾污冲洗仪,紫外加速老化仪,耐洗刷仪。

2.2 硅质涂层配方

硅质涂层的配方见表1。

1 硅质涂层配方

原材料名称

规格或功能

用量/g

溶剂

30

无机复合基料

Ca-NSI体系

30

纤维素

工业级

0.2

分散剂

工业级

0.3

pH值调节剂

工业级

0.1

消泡剂

工业级

0.2

硫酸钡

工业级

12

石英

工业级

16

玻璃鳞片

工业级

8

聚氨酯增稠剂

工业级

3

防霉杀菌剂

色浆

工业级

工业级

适量

适量

2.3 制备工艺

实验室硅质涂层的制备工艺如下: 

(1) 按配方准确称取分散剂、润湿剂、消泡剂、pH稳定剂等助剂,加入到水中分散均匀;

(2) 将颜填料(硫酸钡、石英粉、玻璃鳞片)依次加入,进行高速搅拌(1400~1500rpm)30~40 min,使粉料充分分散均匀;

(3) 加入复合基料继续搅拌均匀;

(4) 按配方量准确称取增稠剂,缓慢加入涂料体系中,低速搅拌20~30分钟(根据需要调色);

(5) 过滤包装。

其工艺流程如图1所示:


1.涂料制备工艺流程图

2.4 性能测试

表干时间:按GB/T 17281979(1989)《漆膜、腻子膜干燥时间测定法》中的乙法进行测试;耐擦洗性:按GB/T 9266-2009《建筑涂料涂层耐洗刷性的测定》进行测试。

黏度:将涂料样品装入250ml敞口胶罐中并调节温度至25℃,采用斯托默黏度计进行测试。

耐水性:按GB/T 17331993《漆膜耐水性测定法》中的甲法进行测试。浸于GBT 6682-2008《分析实验室用水规格和试验方法》规定的三级水中,允许有轻微掉粉,3块试板中,有2块试板无气泡、裂纹及剥落,判定为合格。

耐碱性:按GB/T 9265-2009《建筑涂料涂层耐碱性的测定》进行测试,允许有轻微掉粉,3块试板中有2块无起泡、裂纹及剥落,判定为合格。

耐酸性:将试板放入pH=1的硫酸溶液,168小时后,3块试板中有2块无起泡、裂纹及剥落,判定为合格。

耐温变性:按JG/T 25-1999《建筑涂料涂层耐冻融循环性测定法》进行测试,允许轻微掉粉,3块试板中有2块无起泡、裂纹及剥落,判定为合格。 

耐人工老化性:按GB/T 1865-2009《色漆和清漆人工气候老化和人工辐射曝露滤过的氙弧辐射》进行测试,结果判定按GB/T 1766-2008《色漆和清漆涂层老化的评级方法》进行,应符合JG/T 262002的规定要求。

 

3        结果与讨论

 

3.1 无机复合基料的制备

此无机复合基料是以NSI为主要成膜物质,采用不同细度的碳酸钙改性所得[4]。随着NSI中的水分蒸发后,形成了无定型的二氧化硅。NSI水溶液中的无定型活性二氧化硅与碳酸钙颗粒表面上的钙反应生成了水化硅酸钙,并包裹在碳酸钙颗粒的表面,将碳酸钙颗粒通过水化硅酸钙交联起来。石化反应的存在使得涂层既具有比较好的强度,又提升了耐酸性。

 

3.2 硅质涂层的耐酸性

混凝土在酸性环境下的腐蚀主要为酸性物质扩散至混凝土内部,与Ca(OH)2反应, C-S-H水解抵抗内部中性化,晶态结构转化成无定型SiO2而导致强度降低,在pH较低的情况下,甚至会直接脱钙。在有SO42-环境下,腐蚀过程中生成钙矾石或石膏,使结构内部体积膨胀,因而导致结构的开裂、溃散。

 

3.2.1 空白试验

将混凝土试块浸泡在pH=1的硫酸溶液中,产生以下现象:反应初期数分钟,有大量气泡产生,伴随表面溃散现象,气泡逐渐减少并停止产生,而溃散的现象则仍不断地进行,直至混凝土试块完全溃散。如图2所示。而硫酸溶液的pH随着反应的进行逐渐上升,到达一定数值后,变化趋于缓慢,最后达到平衡,如图3。




2.混凝土试块在硫酸溶液中的状态

 

 

3. 硫酸溶液pH随时间的变化

 

3.2.2 硅质涂层处理

为了改善混凝土的耐酸性能,特在其表面涂覆硅质涂层,硅质涂层的耐酸性能从以下三个方面进行考察:

(1) 根据表1中的配方配制水性硅质涂料,在40mm×40mm×1mm的模具中成膜后,在标准环境中养护168h,取出涂膜,浸泡在pH=1的硫酸溶液中观察。采用市售某品牌乳胶漆作为对比,结果如图4所示,乳胶漆涂层在硫酸里产生气泡,涂层表面显示出多孔结构,而硅质涂层并没有产生气泡现象,且涂层保持光滑平整,未出现多孔结构。


4. 涂膜在硫酸溶液中的状 态.a)乳胶漆.b)硅质涂层

(2) 根据表1中的配方配制水性硅质涂料,涂布两道(湿膜厚度120μm+80μm150×70的石棉水泥板上,在标准环境中养护7d,进行常规性能测试,结果如表2所示。取三块用松香石蜡混合物封四周和底部,浸泡于pH=1的硫酸溶液中观察,结果如图5所示,从图中看出,乳胶漆经过硫酸浸泡后发生起泡现象,而硅质涂层几乎无变化。

 

2 硅质涂层性能指标

 


5. 石棉水泥板上涂膜在硫酸溶液中的状态.a)乳胶漆.b)硅质涂层

 

(3) 根据表1中的配方配制水性硅质涂料,用刷子涂布在100mm×100mm×100mm混凝土试块表面(养护21d),在标准环境中继续养护7d,将其浸泡在pH=1的硫酸溶液中观察30d。


6.不同混凝土试块泡酸结果.a)未涂硅质涂层.b)涂覆硅质涂层

 

从图6中可以清晰地看出,空白的混凝土试块已经受到酸腐蚀而发生溃散,而涂覆了硅质涂层的混凝土试块,提升了混凝土的抗渗性能及耐酸性能,最终达到抗酸的效果。

 

对硅质涂层处理前后的混凝土试块进行浸泡,并对浸泡前后都做抗压强度的测试,发现未做硅质涂层保护的混凝土试块泡酸后抗压强度损失较大,从32.1MPa下降到21.7MPa,抗压强度下降了32.4%,而经过硅质涂层保护的混凝土试块的抗压强度损失很小(从33.2MPa下降到了31.1MPa),如表3所示。

 3. 混凝土试块抗压强度 

 4         结论

本文研究的硅质涂层以纳米二氧化硅(NSI)为主要成膜物质,采用不同细度的碳酸钙搭配,得到Ca-NSI复合基料。在Ca-NSI复合基料中掺入耐酸性能优异的硫酸钡、石英粉和玻璃鳞片等填料即可得到水性环保的耐酸腐蚀的硅质涂料。该涂料经过测试,不但满足涂料的基本性能,还具有很好的耐酸腐蚀性,经过硅质涂料处理后的混凝土试块在pH=1的硫酸溶液中浸泡30天后,试块的抗压强度几乎不下降,而未处理的混凝土试块抗压强度下降了32.4%,由此看出,硅质涂料是一种很有前途的保护混凝土防止酸雨腐蚀功能涂料。

 

 

 

参考文献

[1]. 徐雪峰,孙红尧,桂玉枝.混凝土桥梁耐酸雨腐蚀涂料[J].腐蚀与防护,2009,6(30):404-406.

[2]. 关永胜,韩超,李明俊.水泥混凝土桥面改性环氧树脂防水黏结层性能[J].建筑材料学报,2013,16(5):894-898.

[3]. 田立朋,孙道兴,王力.硅溶胶的制备及其在涂料中的应用[J].上海涂料,2006,44: 23-25.

[4]. 傅雁.一种无机涂料的基体材料及其应用:中国.201410003196.X [P]. 中国,2014.04.16.

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