节能复合墙体钢筋拉接件防锈剂研究

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一、前言

    为改善寒冷地区采暖建筑的室内热环境质量，节约采暖的能耗，提高建筑墙体保温性能，在不增加墙体厚度的情况下，采用复合墙体结构，在墙体中间设置保温层和金属拉结件，可显著改善建筑结构的综合性能。在两层墙体间放置拉结钢筋，能使内外墙体共同工作，增加抗震性能，但由于两层墙体间的温差变化，导致中间的保温材料（岩棉或聚炳烯）经常处于潮湿或凝露的环境，因而易造成或促进拉结钢筋的锈蚀，以致影响墙体的性能与寿命，可见墙体拉结件的耐久性已成为一个很重要的问题。     据最近有关资料表明，一些经济发达国家已采用不锈钢拉结件，这种拉结件固然防锈性能好，但价格昂贵、工程造价高，这显然不符合我国国情，目前最常用的墙体拉结件是镀锌拉结件，但生产镀锌防腐件需要电镀车间，可能会造成污染，成本还会比较高。     最常用的墙体拉结件的防腐措施是镀锌，但是据我们分析镀锌件在大气环境中抗蚀性较好，而对复合墙体这们一个复杂的腐蚀环境来说，可能是不适合的，已有研究表明，镀在pH为13左右时表面处于活性状态，初期由于水泥砂浆pH值正好在这个范围（12.5至13.5），这时如果钢铁表面有缺陷，那么二者构成腐蚀电池，更加快了锌的腐蚀溶解，所以钢铁在后期就难以得到保护，同时也影响了钢筋与周围砂浆或注芯混凝土的结合力，为此开发研制一种符合我国国情的造价低防锈性能好、无污染的拉结钢筋防锈剂的任务，就获得了沈阳墙改办批准、立项。     二、实验方法     1、防锈剂研制的技术路线     通过检索了大量文献资料，并对该方向进行了联机检索，对于钢筋拉接件的防锈研究有了更进一步的认识。1994年初首先从分析拉接件所受到的可能的腐蚀因素入手，提出了抗震拉接件防锈剂研究方案以及侧重点，认为应该重点考虑涂层的耐蚀性、涂层与钢筋的结合力，周围砂浆或注芯混凝土对涂层的握裹力等，首先选择防锈剂的胶结剂，它决定了防锈剂与钢筋的结合力及涂层的耐蚀性；其次选择了防锈添加剂，它能增加涂层的耐蚀性能；同时选择多种骨料，改善防锈剂的成膜性等综合性能，根据复合墙体对防锈剂的要求，测试其综合性能。进行了各种试验，如结合力试验、握裹力试验、湿热试验、浸泡试验、复合墙体保温层中的腐蚀仿真试验、腐蚀电位测量、交流阻抗测试试验、耐酸、碱腐蚀试验等。     2、防锈剂配方的选定与配比     对复合墙体内钢筋拉接件防锈剂既要考虑其对实际腐蚀环境（如钢筋周围的氧、氯离子，二氧化碳、水等）的防腐作用，同时又要考虑与周围水泥层紧密结合，因此要求所选涂料必须具有较好的防锈性能，及其与钢筋结合性能。为此，以多种树脂为胶结剂，筛选确定其中的一种为防锈剂胶结剂。这种胶结剂具有耐酸、碱腐蚀，结合力强等能力。在此基础上，我们选择了多种防锈添加剂以及骨料，考虑到对环境的污染问题，我们删除了其中两种添加剂（氧化铅、三氧化铬），然后采用正交设计的方法，优选配方，对几种出的配方进行筛先，确定了6种配比的防锈剂进行综合性能的测试，最终优选出三种防锈剂配方。     3、防锈剂性能测试     将防锈剂涂敷在65×65的试片以及ф12的钢筋上，制成试样，进行各种性能测试，下面是测试的项目：     （1）外观测试，检查表面无气泡，针孔等缺陷；     （2）结合性能测试，检测防锈剂与钢筋的结合力；     （3）抗冻性能及冷热交替性能（在-15～20℃至25℃条件下进行实验）；     （4）抗弯试验，检测涂防锈剂筋在弯曲情况下的附着力；     （5）握裹力实验，将涂防锈剂的试样制成100×100×100的混凝土块，通过拉伸试验进行测定；     （6）耐蚀性能试验     a）电化学测试（E_corr，EIS）     腐蚀电位测量，对浸泡在3.5%的盐水中的试片，定期检测其腐蚀电位测量出腐蚀电位随时间的变化曲线。 电化学阻抗测量，对于防锈剂防锈性能的测试，除采用常规实验方法进行检测以外，我们还采用了现代电化学手段对各种防锈剂的耐蚀性能进行了评价，电化学阻抗法是国际上普遍使用的方法之一，有的国家已将其发展成防锈剂性能评价的标准，将上述浸泡实验样品制成阻抗测试电解池，，溶液为3.5%盐水，在常温下浸泡。采用英国的Solartron公司的1280阻抗测试系统，在微机控制下测量阻抗谱的变化，以判断防锈剂的耐蚀能力。    b）盐雾加速试验     将不同的防锈剂，制成65×65的45^#样品上涂刷上一层100μm左右的防锈剂，依据GB—7634上《涂层耐盐雾加速试验标准》，盐雾实验（5%盐水，35℃，每天喷8小时，停16小时），实验时间30天。     c）耐用浸泡试验，将试样浸泡在水中，时间为100天。     d）耐酸试验，在pH值为1的盐溶液中进行浸泡试验，时间2个月。     e）耐碱试验，在pH值大于14（20%NaOH）的溶液中浸泡6个月。     f）保温层中的腐蚀实验，为了研究防锈剂在真实环境中可能的腐蚀，采用了模拟加速试验，检测涂层在保温层的腐蚀性能，将涂各种防锈剂的试样插入岩棉保温层中，放入盐雾箱中，进行盐雾实验，每天8小时盐雾，停16小时，使保温层中含有饱和的盐水，恒定温湿度，检测防锈剂的性能，试验100天。     三、结果与讨论     对筛选出的防锈剂根据上述项目进行综合测试，实验结果如下：     1、检测防锈剂的施工性能     （1）可存放性     a）DFJ新型节能复合墙体钢筋拉结件防锈剂，采用固化剂、基料与溶剂分开存贮的方法，在密封条件下可长期存放，而不会变质；     b）在基料中，长期存放时添加的填料及防锈剂可能有部分固体份沉淀，只要在使用前将其搅匀即可正常使用，不影响后期性能。     （2）可浸涂性。该防锈剂在使用时将溶剂加入基料中，再按比例加入固化剂，搅匀后就可以施工。施工的方法为（a）刷涂，适用于批量小的拉结件或局部修补强化处理的拉结件；（b）浸涂，适用于尺寸有限，形状不规则且量大的拉结件；（c）喷涂，适用于工厂内生产线成批加工部件，其中（a）、（b）两种方法适用于现场施工，如果检测出涂层表面有针孔或有缺陷，则必须用刷涂法进行修补，以达到防锈剂的质量要求。     （3）干燥成膜性     该防锈剂采用常温固化，8小时表干，24小时实干。     （4）涂层厚度     对刷涂与浸涂的试片依据《涂层厚度测试标准》，利用DHC—Ⅱ型磁性测厚仪测量涂层的厚度，每种样4片，最后取其平均值，涂层厚度平均在100μm左右，可达到长期防锈的目的。棒状浸涂试样与平板试样进行对照实验，棒材试样的厚度在80～100μm之间。        2、耐冲击实验     根据涂层耐冲击实验标准，在CJ560型冲击试验机上，测试防锈剂耐冲击性，基本达到9级以上，达到建筑施工标准要求。     3、韧性实验     将涂防锈剂的ф8钢丝，用力弯折90度角，再拉直，反复5次以上防锈涂层不脱落，符合建筑用涂料的韧性要求。     4、粘接性能     将涂有防锈剂的钢筋试样，用C20混凝土砂浆制成100×100×100的试块，养护28天后，进行拉伸实验，数据如下表，都大于9级以上，基本不影响混凝土砂浆与钢筋间的结合力，达到建筑施工的要求。   表一    防锈剂握裹力测试结果

 

  空白 E—1 E—2 E—3 E—4 E—5 E—6 E—7 拉力（KN） 2.81 5.26 2.98 2.99 4.54 2.9 3.81 3.48 握裹力KN/mm² 17.2 32.2 18.3 18.3 27.8 17.7 23.3 21.3

 

    5、防腐性能     （1）盐雾实验结果     对筛选出的六种配方进行盐雾实验，结果表明其中有三种样品在20天后有两块样品起皮，其它样品在30天中没有发生锈蚀，对起皮的几个样品进行分析，发现主经是由于制样时试样周边没有涂封，边缘锈蚀，锈层使周边开始起皮，但没有出现起泡、漏锈现象，因此可以评定这几个配方中有三种防锈等级达到10级以上。     （2）腐蚀电位测量    腐蚀电位随时间的变化，说明防锈涂层在浸泡过程中，长时间不发生变化，隔绝介质性能好，耐蚀性强。     （3）电化学阻抗测量法 电化学阻抗测量法能够测量防锈支的阻抗谱图。阻抗谱反映的信息主要有防锈涂层的电阻、容抗、电解质与涂层金属界面反应性质。如果防锈层失效，电解质就可能浸入涂层，那么涂防锈层的金属表面的阻抗、容抗等参数就会发生变化，同时表征电解质与金属界面反应的参数R_P就发生变化。测得的防锈层的阻抗谱，阻抗谱随时间的变化。可以发现，在浸泡初期，由于防锈层为绝缘层隔绝了电解液与钢铁基底的接触，因此阻抗较大，一般在10⁷Ω以上，高频区为容抗特征，数据在低频区发散，此时说明防锈层是绝缘的，起到隔离作用，随着浸泡时间的延长，由于防锈涂层中可能有水或其它离子的浸入涂层的阻抗谱就可能发生变化，通过分析阻抗谱的信息特征，就可能评价防锈涂层的耐蚀性能，阻抗谱变化不大时，这说明涂层没有发生明显变化，其耐蚀性能仍旧很好，如果阻抗谱变化较快，说明涂层中可能已有电解质的浸入或涂层可能已发生破坏，涂层失效。说明Rct随时间的变化，这说明三种配方（DXJ—2^#，DXJ—3^#，DXJ—5^#）耐蚀性能较好。

 

Time  (hr) 详细性能指标见表二

 

表二    六种防锈剂性能指标（四组平行样）

 

  DXJ—1^# DXJ—2^# DXJ—3^# DXJ—4^# DXJ—5^# DXJ—6^# 可存放性 长期贮存 （同左） （同左） （同左） （同左） （同左） 施工方法 刷涂、浸涂、喷涂 （同左） （同左） （同左） （同左） （同左） 干燥成膜性 表干8h 实干24h （同左） （同左） （同左） （同左） （同左） 涂层厚度（μm） 80～100 （同左） （同左） （同左） （同左） （同左） 耐冲击性 10级 9级 9级 10级 9级 10级 韧性试验 90度弯折 5次以上 5次以上 5次以上 5次 5次以上 5次以上 粘结性能 握裹力10级 10级 10级 10级 10级 10级 防锈性能 9级以上 10级 10级 9级 10级 10级 耐温差试验 25～-15～20℃ 30次以上 不脱落 （同左） （同左） （同左） （同左） （同左） 耐浸泡实验 （盐水） 60天浸泡 不起皮 （同左） （同左） （同左） （同左） （同左） 耐碱浸泡（10%NaOH） 180天不起皮 （同左） （同左） （同左） （同左） （同左） 耐酸浸泡（pH=1） 3个月不破坏、起皮 （同左） （同左） （同左） （同左） （同左）

 

    （4）保温层腐蚀试验     在模拟保温腐蚀加速试验中，DXJ系列防锈剂的各种防锈涂层在100天实验过程中没有发生破坏，如鼓泡、起皮、漏锈，这说明DXJ系列防锈剂在保温材料中防锈性能良好。     6、防锈剂施涂方法     （1）施涂工件表面预处理。预处理包括除去金属表面的油层，锈层及氧化皮，使钢筋表面出现灰白色表面，小批量可采用机械擦除法除油、除锈，对于大批量生产，可用磷化法对表面进行除油、除锈、磷化处理，获得较好垢表面预处理表面是影响最终防锈剂防锈性能的第一个关键，如果不进行表面预处理，在防锈剂与金属基底间夹上一层油薄或锈层，这不仅起不到防护作用，而且还会加速钢筋腐蚀，因此必须把好预处理质量这一关。     （2）施工时将基料与固化剂按一定比例混合、搅匀。添加适量溶剂，使其粘度降低，以便于涂刷。     （3）涂刷方式：①刷涂，适合于小批量，形状复杂的构件以及后期修补强化处理；②浸涂，适用于工件量大，尺寸不大的拉结件；③喷涂，适用于大批量生产，流水线作业。     （4）涂刷一次厚度可达80～100μm。     （5）防锈层表干时间为12小时，完全干燥为24小时。因此必须在施工前一天将工件准备出来。     7、DFJ防锈拉件与镀锌拉接件的对比     该项成果与镀锌件相比：①成本显著降低，每吨钢材镀锌防腐，5000元左右，而钢材涂防锈剂，每吨约2000多元；②操作简单易行。镀锌投资设备费用较高，且不适用于现场施工，而涂防锈剂施工较为灵活；③减少环境污染，由于采用无毒溶剂，因此对周围污染很小，且生产过程中没有任何排放。生产镀锌件既需排放污水，而且对大气有污染，对环境保护日趋重要的今天，镀锌厂必须增加污水处理设备，又进一步增加了生产成本、工程成本。     四、结论     1、DFJ新型防锈剂具有性能可靠，造价低，涂覆方便等特点，在确保防锈性能的基础上，新型防锈剂可以替代镀锌防腐工艺，具有广阔的应用前景。     2、该项研究成果提高了复合墙体拉接件的使用寿命，促进了节能复合墙的发展与应用，在全国推广应用不仅能带来巨大的经济效益，而且也会带来巨大的社会效益。