Paint & Coatings Industry >

2018 , Vol. 48 >Issue 1: 1 - 5

DOI: https://doi.org/10.12020/j.issn.0253-4312.2018.1.1

Research & Development

Study on Permeable Coating for Anticorrosion of Concrete

  • Guoliang Zhang ,
  • Chunfeng Ma ,
  • Guangzhao Zhang
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  • Faculty of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China

Received date: 2017-11-14

  Online published: 2018-05-03

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Fold

Abstract

The concrete has a porous structure. It suffers from deterioration caused by permeation of ions and water. In this article, a permeable coating (PSEp) for concrete has been prepared by using epoxy and furfural acetone. The coating has excellent wettability on concrete surface. Specifically, it can permeate into the pores or defects of mortar (W/C=0.5) with its depth up to 4.0 mm and cures thereat so that the concrete surface can be sealed. The mechanical property of the concrete is significantly improved by coating PSEp. The adhesion (pull-off strength) of the coated concrete is increased by more than 130%. Moreover, the resistance to ion permeability of the coated concrete increases, and the total electric flux decreases from 3 400 C to 130 C. The coating (PSEp) is useful for anticorrosion of concrete.

Key words： concrete anticorrosion; permeation; epoxy; reactive solvent

Cite this article

Guoliang Zhang , Chunfeng Ma , Guangzhao Zhang . Study on Permeable Coating for Anticorrosion of Concrete[J]. Paint & Coatings Industry, 2018 , 48(1) : 1 -5 . DOI: 10.12020/j.issn.0253-4312.2018.1.1

混凝土是具有多孔结构的材料,大部分腐蚀因子如氯离子等可通过其中的孔洞渗入其内部,从而加速其腐蚀[1,2,3]。目前,混凝土防腐涂料大多不具有渗入性,仅在混凝土表面形成涂层[4,5]。由于涂层与混凝土的热膨胀系数有差别,当温度变化时,在界面形成应力集中,使混凝土产生疲劳老化,从而使界面破坏而起皮脱落[6];另一方面,非渗入型涂料仅在混凝土表面形成几十至几百微米的防护层,一旦被腐蚀因子破坏,混凝土结构便迅速腐蚀。因而,它们无法满足严酷服役环境的防腐蚀要求,例如高腐蚀性的海洋环境。
糠醛/丙酮混合物是环氧树脂的反应性溶剂[7]。本研究以环氧树脂和反应性溶剂制备了渗入固结型混凝土防腐涂料 (PSEp)。该涂料能够渗入混凝土毛细孔中,涂料组分之间在毛细孔中发生原位反应,形成交联聚合物,对毛细孔进行填充、封堵,从而大大降低混凝土表面的孔隙率,并使防护层厚度扩展至几毫米,提高了混凝土结构的防腐蚀性能和力学强度。

1 实验部分

1.1 主要原料

双酚A环氧树脂E-44:工业级,无锡树脂厂;糠醛、丙酮、二乙烯三胺 (DETA):分析纯,广州化学试剂厂;2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚 (DMP-30):分析纯,阿拉丁;PⅡ42.5水泥:珠江水泥厂;标准砂:厦门艾思欧标准砂有限公司。

1.2 渗入固结型环氧基混凝土防腐涂料的制备

渗入固结型环氧基混凝土防腐涂料由A、B两部分组成,基本配方如表1所示。
The formula of coating

Table 1 The formula of coating

1.3 水泥砂浆的制备

将水、水泥、标准砂按照质量比225∶450∶1 350制备出水灰比为0.5的水泥砂浆,并在20 ℃的水中养护28 d后,在110 ℃除水24 h。

1.4 混凝土的制备

按照《水工混凝土试验规程》(SL 352-2006)中规定的方法制备C30混凝土,混凝土的配方见表2。所制得的混凝土密度为2 320 kg/m3,抗压强度为32 MPa。
Table 2 Formula and properties of concrete

1.5 材料性能测试

1.5.1 黏度测试
用流变仪(型号AR-G2,美国TA公司)测量涂料的黏度。
1.5.2 接触角测试
用接触角测试仪(CA,型号Theta Auto 113, 芬兰KSV公司)对涂料在砂浆表面渗入行为进行研究。
1.5.3 涂料渗入形貌研究
用扫描电子显微镜(SEM,型号 NOVA NANOSEM430,美国FEI公司)观察涂层及复合增强层的微观形貌。
1.5.4 涂膜性能测试
参考JC/T 2217-2014测试涂料的固含量、干燥时间、柔韧性、耐冲击性和拉拔强度。
1.5.5 涂膜耐腐蚀性测试
按照ASTM C 1202要求,使用抗氯离子渗入测试仪(型号NEL-PER,北京耐尔仪器设备有限公司)对混凝土的抗氯离子渗入性能进行测试[8,9]。
按照JC/T 2217-2014标准要求,使用浸泡法对涂层耐酸性(2%硫酸溶液浸泡7 d)、耐碱性(0.1%NaOH溶液中,加入氢氧化钙,使之达到饱和状态,浸泡7 d)、耐盐性(3% NaCl溶液浸泡7 d)进行测试。

2 结果与讨论

2.1 涂料渗入性能研究

2.1.1 渗入性能
PSEp在砂浆表面的渗入情况见图1。
图1 PSEp在砂浆表面的渗入情况

Fig.1 Spreading of PSEp on mortar surface

环氧溶液渗入多孔介质中受到其黏度及润湿性能的影响[10,11]。一方面,反应性溶剂使PSEp具有较低的黏度(5.5 mPa·s)。另一方面,从图1中可以看出,尽管PSEp的黏度远远大于水的黏度, PSEp却能够在5 s之内迅速铺展并渗入砂浆内部。与之相比,水在砂浆表面的渗入较为缓慢。这说明PSEp在砂浆固结体表面具有优异的润湿性能。正是因为PSEp具有较低的黏度和优异的润湿性能,它才比较容易渗入砂浆固结体中。
2.1.2 渗入深度
PSEp于砂浆表面的渗入深度如图2所示。
图2 PSEp于砂浆表面的渗入深度

Fig.2 Depth of PSEp permeating into mortar

从图2可以看出,通过直接测量渗入深度,可以发现涂料在水灰比为0.5的砂浆固结体中的渗入深度约3.5 mm,最高可达4.0 mm。由于PSEp优异的渗入性能,涂料不仅可以在基材表面形成一层致密的防护层,而且能够渗入基材表层一定深度,从而与混凝土共同形成复合增强层。

2.2 涂层及其复合增强层的形貌

图3是PSEp在砂浆表面的微观形貌。
图3 涂层及其复合增强层的电镜形貌

Fig.3 The SEM morphology of the coating and its reinforcement layer

从图3可以看出,虽然PSEp中含有大量的溶剂,然而由于糠醛与丙酮之间所发生醛酮缩合反应,同时环氧固化剂二乙烯三胺将醛酮缩合物与环氧化学链接在一起。因而,溶剂挥发少,避免了传统溶剂型涂料成膜过程中容易出现的针孔现象[12,13]。从图3(a)中可以看出涂层表面平整、致密,这有利于提高涂料的耐腐蚀性。从图3(b)、(c)可以清楚地看到,PSEp不仅覆盖于砂浆固结体微孔表面,而且渗入微孔中并对其全面填充、封闭,从而阻断了腐蚀因子的通路。

2.3 涂膜性能

PSEp的涂膜性能如表3所示。
Table 3 The properties of PSEp coating
由表3可知,渗入固结型环氧基涂料具有较好的涂膜性能。由于涂料选用糠醛丙酮反应性溶剂作为环氧树脂的稀释剂,尽管涂料中环氧含量小于40%,涂层的固含量依然可高达73%,远大于传统混凝土封闭底漆。因而,该涂料的溶剂挥发低,具有更好的环保性。另外,涂层具有良好的柔韧性、耐冲击性,能够有效抵御外部环境对涂层的物理破坏。

2.4 复合增强层性能

图4为涂刷了PSEp的混凝土的拉拔强度。
图4 PSEp的拉拔强度

Fig.4 Pull-off strength of PSEp

从图4可以看出,普通混凝土表面的拉拔强度约4.0 MPa,涂刷PSEp后的混凝土表面的拉拔强度可达9.3 MPa,提高了130%。由此可见,渗入固结型涂料能够明显增强混凝土表层。特别是,断裂点出现在混凝土本身 (图5),即复合增强层抵抗外部环境物理破坏的能力大于混凝土。
图5 PSEp的拉拔测试破坏形式

Fig.5 Failure mode of PSEp

2.5 PSEp的耐腐蚀性

图6为涂刷PSEp后的混凝土的电通量,表4为PSEp的耐腐蚀性能。
图6 涂刷了PSEp的混凝土的电通量

Fig.6 Total electric flux (Q)of concrete coated with PSEp

普通混凝土的电通量约为3 400 C,涂刷PSEp后混凝土的电通量大幅下降至130 C。说明涂刷PSEp后混凝土的抗离子渗入能力大幅提高。这是因为PSEp不仅能够渗入于混凝土结构内部,而且由于溶剂的反应性使得涂料能够有效对混凝土中的孔隙进行封闭,阻断了水或者氯离子等腐蚀因子的渗入,从而提高了其耐腐蚀性。
Table 4 Anticorrosion properties of PSEp
从表4中也可以看出,PSEp还具有良好的耐化学品性,无论在酸、碱、盐中均保持着良好的稳定性。因此,PSEp可有效阻止混凝土的化学腐蚀。

2.6 PSEp的应用

PSEp涂料已应用于一些工程。图7分别是PSEp在桥梁及地铁盾构管片领域中的应用,现场实验效果优异。该涂料还可以应用于基础建筑物、海港码头、水电大坝等混凝土防腐领域。
图7 PSEp的应用

Fig.7 Application of PSEp

3 结 语

(1) 利用糠醛-丙酮反应性溶剂,制备了渗入固结型混凝土防腐涂料。黏度及接触角测试表明,涂料具有较低的黏度和优异的润湿性能,能够渗入混凝土结构的毛细孔之中(深度高达4.0 mm)。
(2)SEM形貌图中可以看出,溶剂、环氧树脂以及固化剂之间发生的原位交联反应,涂料不仅覆盖于砂浆固结体微孔表面,而且渗入微孔中并对其全面填充、封闭,形成复合增强层。
(3)该渗入固结型混凝土防腐涂料不仅涂膜性能、耐腐蚀性优异,而且大幅提高了混凝土的表面强度(拉拔强度提高130%)和抗离子渗入能力(其电通量从3 400 C下降至130 C),在基础建筑物、海港码头、水电大坝等混凝土防腐领域具有广泛的应用前景。

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