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粉煤灰基混凝土防腐涂料的制备及其性能研究,以苯丙乳液、粉煤灰、水泥、功能助剂为原料,考察粉煤灰与水泥的不同添加组合对混凝土防腐涂料性能
2019年10月21日    阅读量:1529     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

粉煤灰基混凝土防腐涂料的制备及其性能研究
雷旭,宋慧平* ,薛芳斌,程芳琴( 山西大学资源与环境工程研究所,低附加值煤基资源高值利用协同创新中心,太原03006)

混凝土广泛应用于跨海大桥、海港码头等建筑物中,这些建筑物在环境中遭到物理和化学腐蚀介质侵蚀,其中氯离子对其腐蚀破坏相当迅速,同时还会遭到混凝土的碳化、冻融循环破坏、硫酸盐等腐蚀,采取有效而经济合理的保护措施非常必要。
目前提高混凝土耐久性有2 种措施,一种是基本保护措施,最大限度地提高混凝土本身的质量,保持低渗性,另一种是补充措施,包括阴极保护、混凝土表面涂层、环氧涂层钢筋、钢筋阻锈剂等。实践表明混凝土表面涂层是最为有效且简单的措施中国建材网cnprofit.com。混凝土表面防腐涂料的种类很多,适用于不同的环境状况,包括环氧涂料、聚氨酯涂料、丙烯酸酯涂料、氯化橡胶涂料、有机硅烷涂料、聚脲涂料等防腐性能较好的涂料,但恶劣的环境下涂层容易遭到破坏; 聚合物防水涂料能有效阻碍水及其他物质进入混凝土内部,避免钢筋与水的接触,但是在长期浸水的环境中,仍然存在着耐水性差、耐老化性能不强的问题。
防腐涂料常用填料( 如滑石粉、硅灰粉、云母粉等) 的主要成分有SiO2、Al2O3、CaO、MgO、ZrO2、Fe2O3,粉煤灰和其成分组成基本相似,具有作为防腐涂料填料的可行性。本文主要针对聚合物防水涂料存在的问题,用粉煤灰替代防腐涂料常用填料,降低成本,实现资源化综合利用,而且粉煤灰与水泥能更好地结合,性能更加优异。并对制备的粉煤灰涂料进行性能分析,尤其是对抗氯离子性能的研究。

1 实验部分
1. 1 主要原料与仪器
超细粉煤灰: 工业级,华天蓝天环保有限公司; 普通硅酸盐水泥: 42. 5 级工业品,太原建工建筑有限公司; S400F 苯丙乳液: 工业级,巴斯夫; 六偏磷酸钠: 分析纯,天津化学试剂厂; 磷酸三丁酯: 工业级,上海文华化工有限公司; 砂子( 细度模数为2. 6 中砂) 、石子( 粒径在5 ~ 20 mm 圆孔筛) : 太原建工材料有限公司。
混凝土智能真空饱水机( NJ-BSJ) 、混凝土耐久性综合实验设备( NJ-AR) : 北京耐久伟业科技有限公司; 盐水喷雾试验机: CQ-60,深圳市成企鑫科技有限公司; X-射线荧光光谱仪( S8 TIGER) 、X-射线衍射仪( BrukerD2 -Phaser) : 德国布鲁克公司; 扫描电镜: TM3030,株式会社日立高新技术所。
1. 2 实验方法
1. 2. 1 涂层制备
按照设定配比定量称取实验原料,首先将苯丙乳液溶于去离子水,加入分散剂、消泡剂以600 r /min搅拌10 min,再加入粉煤灰和水泥填料,搅拌20 min后制得涂料,涂刷至混凝土试块或马口铁板表面进行相关性能检测。
1. 2. 2 混凝土块制备
按照普通混凝土标准( JGJ 55—2000) 制备混凝土试块,采用混凝土搅拌机,按照标准中推荐的配合比称取原料,即m( 水) ∶m( 水泥) ∶m( 砂子) ∶m( 石子) = 1 ∶1. 45 ∶2. 21 ∶4. 84,倒入混凝土搅拌机中,搅拌5 min,出料后倒入规格为100 mm×50 mm 的模具中,常温养护1 d 后脱模,继续养护28 d 备用。
1. 3 性能测试
1. 3. 1 涂层性能测试
按GB /T 1731—1993 测定漆膜柔韧性。按GB /T1732—1993 测定漆膜耐冲击性。按ASTM C1202—1997 测试涂层抗氯离子渗透性,衡量标准分为5 个等级,当电通量>4 000 C时,氯离子渗透量高; 电通量2 000~4 000 C时,氯离子渗透量中等; 电通量1 000 ~2 000 C时氯离子渗透量低; 电通量100~1 000 C时氯离子渗透量很低; 电通量<100 就忽略不计。涂层吸水性测试方法为: 先将待测试样置于烘箱中24 h 烘干取出,在蒸馏水中浸泡一定时间后取出,擦干表面的水分,称量试件浸水前后的质量,按式( 1) 计算吸水率。
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其中,m1—试件浸水前质量; m2—试件浸水后质量。
按 GB /T 1771—2007 测试涂层耐中性盐雾性能。
1. 3. 2 表征分析方法
将粉煤灰样品干燥2 h,采用XRF 压片法测定其化学成分。通过对凃膜的XRD 分析来判断物相组成,将涂层养护7 d 后,内部切取一小块样,用X 射线衍射仪分析涂层组成。通过SEM 与X 射线能谱联用仪对颗粒元素进行分析,切取规格3 mm×3 mm 的涂层进行分析,进行表面观察。

2 结果与讨论
2. 1 粉煤灰的化学成分分析
用XRF 检测粉煤灰的化学成分,其组成见表1。
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2. 2 粉煤灰添加量对涂层机械性能的影响
粉煤灰基混凝土防腐涂料由液体部分和固体部分组成,其中液体部分选用苯丙乳液,固定用量50 g,粉料固体部分是水泥和粉煤灰共100 g,调节粉煤灰的添加量,以粉煤灰占粉料固体部分的百分比来表示,再添加分散剂0. 02 g,消泡剂0. 1 g,搅拌分散制备涂层,测试涂层柔韧性、耐冲击性,结果见表2。
由表2 可以看出,随着粉煤灰添加量的增加,涂层性能变好,这是因为粉煤灰的粒径小,使得填料颗粒的粒径变小,提高了涂层间的粘结性,当添加量在30%~60%时,涂层的柔韧性和耐冲击性能达到标准JT /T-2011( 混凝土桥梁结构表面用防腐涂料) 要求。但添加量过大时,因为粉煤灰中含有不规则的玻璃体和内部残炭,影响涂层的性能和外观。
2. 3 粉煤灰添加量对涂层吸水性能的影响
图1 为粉煤灰添加量对涂层吸水率的影响。
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由图1 可知,随着粉煤灰添加量的增加,涂层吸水率下降,耐水性提高,添加量为60%时出现最佳值,当粉煤灰添加量继续增加,吸水率开始升高,耐水性能变差。
聚合物与水泥的结合主要是通过聚合物与水泥水化产物间的离子键的化学键合。添加的粉煤灰和水泥的二次水化作用生成的水化凝胶产物在缝隙中,使得涂料孔径减小,结构更细化,阻碍了水分子进入涂料中,使得涂层吸水率下降; 添加量达到一定比例后,粉煤灰的增加使得整个体系的体积增大,孔隙率增大,水泥的量相对减少,水化形成的凝胶物质减少,粉煤灰火山灰效应再生成的凝胶也减少,对孔隙的封堵不足,水分进入增多,防水效果变差。
2. 4 粉煤灰添加量对混凝土试件抗氯离子渗透性的影响
粉煤灰添加量对混凝土试件抗氯离子渗透性的影响如图2 所示。
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从图2 可以看出,空白混凝土块的6 h 电通量是3 503. 2 C,分别在混凝土表面涂敷不同粉煤灰添加量( 粉煤灰添加量0、20%、40%、50%、60%) 的涂层,6 h 后混凝土块的电通量分别是2 215. 7 C、2 171. 3 C、1 326. 7 C、1 037. 2 C、629. 8 C,表明采用防腐涂层保护后混凝土电通量明显下降,渗透性提高了1 ~ 2 个等级。对比空白的混凝土块,当涂料中不加粉煤灰时,电通量降低了37%,说明涂层对氯离子的渗透起一定的阻隔作用,为了能达到更好的效果,在涂料中掺入粉煤灰,随着添加量的增加,电通量分别降低了38%、62%、70%、82%。当粉煤灰添加量为60%时的涂层保护效果最好,其等级为“很低”,对提高混凝土耐氯离子渗透性有很大的作用。这是因为粉煤灰的火山灰效应,与水泥接触发生反应生成更为致密的物质,降低了孔隙率使涂层更加的致密,阻碍了氯离子渗透,提高了抗渗性。
2. 5 涂层的XRD 分析
图3 为不同涂层的XRD 分析。
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XRD 结果表明,涂层中参加反应的粉煤灰和水泥生成了更多的水化硅酸盐和衍生物,这是粉煤灰的火山灰效应生成了水化硅酸钙,而且还生成了含水钙铝硅酸盐,使涂层更加的密实。水化硅酸钙具有较大的比表面积,通过双电子层作用,对氯离子产生吸附固化。电通量后的涂层表面物质也发生了变化,粉煤灰添加量为60%的涂层更为明显。因此粉煤灰作为掺合料等量取代部分水泥,能够增强涂层对氯离子的化学结合能力与物理吸附能力。
2. 6 SEM 微观结构及EDS 元素分析
图4 和图5 分别为全水泥涂层和添加60%粉煤灰涂层的微观形貌及元素分析。
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对比图4 和图5 可以看出,与全水泥相比,添加60%粉煤灰的涂层粘结比较密实,孔隙小。对比电通量试验前后的涂层可以看出,致密的涂层能防止氯离子的渗透以达到防腐的目的; 进一步由EDS 确定,起始涂层上不存在氯离子,通过抗氯离子渗透实验后涂层上有氯离子存在,说明涂层阻碍了氯离子的进入,属于阻隔型的涂料。
2. 7 粉煤灰添加量对涂层的耐盐雾性能的影响
采用粉煤灰添加量为60%的涂层做6 块试板进行1 000 h耐盐雾实验,试验前后的涂层试片如图6所示。试验后的涂层表面未出现生锈、起泡、开裂等现象,对其表面进行摩擦无掉落现象,按照混凝土防腐涂料耐盐雾实验标准( GB /T 1771—2007) ,该涂层的耐盐雾性能合格。
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3 结语
将粉煤灰应用于涂料中,在不同的粉煤灰添加量下与水泥形成不同的比例,通过对涂层的柔韧性、耐冲击性、抗氯离子性能、吸水性、耐中性盐雾性的测试可知,粉煤灰添加量占粉料固体的60%时,涂层的性能最好且满足国家标准的要求。通过对涂层的XRD和扫描电镜的分析,粉煤灰的加入和涂料中的水泥生成致密的物质水化硅酸钙,阻碍了腐蚀介质水、盐等的进入,粉煤灰的火山灰效应、填充效应以及对氯离子的初始固化能力是改善混凝土抗氯离子渗透性能的主要因素。

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