長(zhǎng)適用期鋼結(jié)構(gòu)建筑密封膠防腐性能研究*

劉 強(qiáng)，寧遠(yuǎn)鴻

（1廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院,廣西南寧530001 ;2廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,廣西南寧530001）

以往,長(zhǎng)適用期鋼結(jié)構(gòu)建筑的防腐蝕措施未能引起人們應(yīng)有的注意,僅進(jìn)行手工除銹,或噴涂一般底漆和涂料,一段時(shí)間后,由于涂料出現(xiàn)透銹、剝落等情況,鋼筋容易遭受銹蝕,返修十分困難。防腐蝕層受到破壞是由許多原因引起的,其中,主要因素是涂料材質(zhì)不耐腐蝕或者涂料施工方式不合理。長(zhǎng)適用期鋼鐵的銹蝕大多源于外部,但是其內(nèi)部應(yīng)力變化也會(huì)產(chǎn)生銹蝕。因此,開(kāi)展長(zhǎng)適用期鋼結(jié)構(gòu)銹蝕事故的分析研究有重要意義。

硅烷改性聚醚膠具備良好的建筑物防水性、透氣性、保溫施工性能以及耐平均風(fēng)壓力等,而使用其作為鋼結(jié)構(gòu)建筑物的密封膠[1-3],需要具備較強(qiáng)的耐久性,很好的抗形位移能力,更高的黏結(jié)性、彈性和良好的施工性能等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。何彤等[6]研究了硅烷聚醚改性乳化劑的制備及性能,薛雪雪等[7]研究了單組分硅烷改性聚醚密封膠的制備與性能,但是在鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用效果較差。因此,以硅烷改性聚醚膠作為長(zhǎng)適用期鋼結(jié)構(gòu)的建筑密封膠,以研究其防腐蝕特性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

MS聚合物；納米碳酸鈣；重質(zhì)碳酸鈣；除水劑；硅烷類(lèi)偶聯(lián)劑；鋯酸酯類(lèi)偶聯(lián)劑；抗老化劑；聚醚多元醇；觸變劑；防霉劑；催化劑；抗氧化劑；紫外線吸收劑[8]。

1.2 試驗(yàn)儀器

WDW電子萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)；Teclock橡膠硬度計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)型恒溫恒濕試驗(yàn)箱[9]；水-紫外線輻射試驗(yàn)箱；擠出性試驗(yàn)機(jī)；粘度計(jì)；百分表。

1.3 制備硅烷改性聚醚膠

制備硅烷改性聚醚膠時(shí)需將MS聚合物、增塑劑、填料以及其他助劑置于混合器內(nèi)混合攪拌30min,得到膏狀物體[10]；抽取空氣到0.5kPa,繼續(xù)攪拌到溫度上升為100℃、含水量下降到0.07%,緩速攪拌至溫度下降為50℃,此時(shí)在其中加入偶聯(lián)劑和粘接促進(jìn)劑并攪拌30min,再溶入催化劑攪拌30min[11-12]。

利用鋼板拼接外層覆蓋硅烷改性聚醚膠制作試件,養(yǎng)護(hù)1天后,試件制作完成。

1.4 測(cè)試方法

（1）活期性與不粘期試驗(yàn)

活性期是膠體從開(kāi)始配制到可涂覆所需的時(shí)間,測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為HB7752-2004。不粘期是隨著硫化程度不斷加深膠體逐漸消除對(duì)鋼板粘性的最短時(shí)間,測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為HB5242[13]。在干凈的玻璃板上放置一份混合均勻的硅烷改性聚醚膠,按照規(guī)定要求,用工具以時(shí)間間隔為15min、速度為15cm/s的要求進(jìn)行挑拉,在硅烷改性聚醚膠出現(xiàn)明顯回彈時(shí)活性期結(jié)束[14]。

（2）標(biāo)準(zhǔn)硫化試驗(yàn)

膠體硫化需要達(dá)到一定硬度(邵A硬度為30),測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)為HB5244-1993。將硅烷改性聚醚膠混合均勻(防止大量氣泡混入膠內(nèi)),敷于200mm×60mm×10mm尺寸的鋼板表面,待其硫化后,將試樣放置在設(shè)定50%的濕度(30℃溫度)中,在不同溫度(濕度)下每天處理20h,取出后放置在標(biāo)準(zhǔn)溫度濕度下養(yǎng)護(hù)5h,同時(shí)測(cè)定其邵A硬度值。

（3）粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

采用拉力試驗(yàn)機(jī),并依據(jù)HB5249-1993檢測(cè)粘結(jié)強(qiáng)度。將混合均勻的硅烷改性聚醚膠養(yǎng)護(hù)7d后,繼續(xù)在不同溫度、濕度條件下分別養(yǎng)護(hù)1d后,測(cè)試其粘結(jié)強(qiáng)度。

（4）耐腐蝕試驗(yàn)

對(duì)試樣進(jìn)行紫外老化輻射、高溫高濕、低溫、海水、酸霧以及鹽霧的處理,對(duì)比測(cè)定鋼板前后變化。按照J(rèn)C/483-2006制作硅烷改性聚醚膠試樣,基材為鋼板,將試樣在溫度為(20 ± 2)℃、相對(duì)濕度為(50 ±5)%條件下養(yǎng)護(hù)30d。對(duì)試樣進(jìn)行紫外老化、高溫高濕、低溫、浸海水、酸霧以及鹽霧的處理。參考未做任何處理的硅烷改性聚醚膠。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下通過(guò)拉伸試驗(yàn)對(duì)處理后的硅烷改性聚醚膠鋼板100%拉伸模量與粘結(jié)破壞面積進(jìn)行測(cè)試[15]。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅烷改性聚醚膠的性能指標(biāo)

硅烷改性聚醚膠的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 硅烷改性聚醚膠的主要性能Table 1 Main properties of the silane-modified polyether gel

2.2 不同預(yù)聚物對(duì)常溫粘接性能的影響

預(yù)聚物為膠體的核心成分,設(shè)3種粘度不同的MS預(yù)聚物按照粘度排序?yàn)?、2、3。其對(duì)鋼板的粘接性能見(jiàn)表2。

表2 不同粘度預(yù)聚物對(duì)鋼板粘接性能的影響Table 2 Effect of different viscosity prepolymers on the bonding properties of steel plates

由通過(guò)表2可知,隨著預(yù)聚物粘度的增加硅烷改性聚醚膠粘度提升,擠出率降低,斷裂伸長(zhǎng)率提升。原因是粘度較大的預(yù)聚物具有較大的分子質(zhì)量,其硫化時(shí)的交聯(lián)程度較差,斷裂伸長(zhǎng)率高。粘度為2的預(yù)聚物制備的硅烷改性聚醚膠對(duì)鋼板的粘接破壞形式為100%內(nèi)聚,這說(shuō)明粘度為2的預(yù)聚物制備的膠體粘接性能最佳,粘度為3的預(yù)聚物制備的硅烷改性聚醚膠粘接破壞形式為界面破壞,所以其粘接性能最差。原因是粘度較大的預(yù)聚物會(huì)令其與鋼板的粘接界面過(guò)于濕潤(rùn)從而影響粘接,并且模量提升引起內(nèi)聚強(qiáng)度增大,當(dāng)內(nèi)聚強(qiáng)度比粘接強(qiáng)度大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)粘接破壞的情況。

2.3 填料含量對(duì)硅烷改性聚醚膠抗拉力的影響

為了增強(qiáng)硅烷改性聚醚膠強(qiáng)度,選擇具有高強(qiáng)抗拉力的CaCO3作為填料。但CaCO3密度較大易產(chǎn)生沉淀,可在制備過(guò)程中添加些許防沉劑。分析填料CaCO3含量對(duì)硅烷改性聚醚膠抗拉力性能的影響時(shí),需要確保該膠中其它成分的穩(wěn)定,結(jié)果如圖1所示。

圖1 CaCO3含量對(duì)抗拉力強(qiáng)度的影響Fig. 1 Effect of CaCO3 content on the tensile strength

分析圖1可得,硅烷改性聚醚膠抗拉力強(qiáng)度和CaCO3用量間具有正相關(guān)性。當(dāng)CaCO3用量在50%以下時(shí),抗拉力強(qiáng)度低于1MPa,在CaCO3用量在70%時(shí),抗拉力強(qiáng)度為2MPa。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,當(dāng)硅烷改性聚醚膠制備的填料CaCO3含量達(dá)到70%后,硅烷改性聚醚膠的粘度提升的趨勢(shì)增強(qiáng),攪拌均勻的難度提升,易難攪勻；在50%以下時(shí),其粘度較低,填料CaCO3容易出現(xiàn)沉降情況,并且成膜發(fā)粘不致密,所以CaCO3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)區(qū)間為50%左右最合適。

2.4 增塑劑用量對(duì)硅烷改性聚醚膠物理性能的影響

用表3描述增塑劑用量對(duì)硅烷改性聚醚膠物理性能的影響情況。

表3 增塑劑用量對(duì)膠物理性能的影響Table 3 Effects of the plasticizer dosage on the physical properties of the glue

從表3可以看出,由于塑化劑用量的提高,硅烷改性聚醚膠的脆性溫度下降。當(dāng)塑化劑用量為12份時(shí),材料脆性溫度可以達(dá)到-53℃。同時(shí),由于塑化劑用量的提高造成了膠材堅(jiān)固性能和拉伸強(qiáng)度的減小、伸長(zhǎng)率和壓縮永久變形的增加,故選用塑化劑用量為12份時(shí)較為理想。

2.5 降黏劑用量對(duì)硅烷改性聚醚膠性能的影響

降黏劑選擇聚醚多元醇,不同用量的聚醚多元醇對(duì)硅烷改性聚醚膠彈性恢復(fù)率的影響如圖2所示。

圖2 膠體彈性恢復(fù)率Fig. 2 Collial elastic recovery rate

分析圖2可得,聚醚多元醇用量間的取值區(qū)間在60% ～ 70%時(shí),彈性恢復(fù)率為最大,繼續(xù)增加其用量,彈性恢復(fù)率不斷降低。因此,上述用量取值區(qū)間是降低硅烷改性聚醚膠粘度的最佳條件。

2.6 防霉劑對(duì)硅烷改性聚醚膠性能的影響

硅烷改性聚醚膠中添加防霉劑的量分別是0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%,則基于GB/T 1741-2007標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)相應(yīng)硅烷改性聚醚膠的防霉性能,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 防霉劑對(duì)硅烷改性聚醚膠的防霉性能影響Table 4 Effects of mildew agents on propertie of silane modified polyther gel

分析表4可得,如果硅烷改性聚醚膠中不含防霉劑,則其表面霉菌的覆蓋率大概是30%,霉菌清晰可見(jiàn),樣品表面的覆蓋率取值區(qū)間是[10%,30%],隨著防霉劑用量不斷提升,霉菌明顯減少；如果防霉劑用量取值區(qū)間是[0.6%,0.8%],則從霉菌不易直觀發(fā)現(xiàn)變成在50倍的放大鏡下不能發(fā)現(xiàn)霉菌。

2.7 差異環(huán)境溫度對(duì)硅烷改性聚醚膠的抗拉力性能影響

表5為差異環(huán)境溫度對(duì)硅烷改性聚醚膠抗拉力強(qiáng)度的影響。

表5 差異環(huán)境溫度對(duì)抗拉力強(qiáng)度的影響Table 5 Effects of the differential ambient temperature on the tensile strength

分析表5可知,不同環(huán)境溫度下的硅烷改性聚醚膠抗拉力強(qiáng)度差異較大。一定溫度區(qū)間內(nèi),溫度與抗拉力強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,溫度降低,抗拉力強(qiáng)度升高。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在溫度達(dá)到70℃時(shí),抗拉力強(qiáng)度最低；溫度達(dá)到-30℃時(shí),抗拉力強(qiáng)度最高,達(dá)到15.4MPa,證明硅烷改性聚醚膠的耐低溫性能特別好、耐高溫性能較差。

2.8 紫外光、高溫高濕以及低溫對(duì)粘接性能的影響

對(duì)硅烷改性聚醚膠展開(kāi)紫外加速老化試驗(yàn)、耐濕熱性能試驗(yàn)以及低溫試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 紫外光、高溫高濕、低溫對(duì)粘接性能的影響Table 6 Effects of UV light, high temperature, high humidity and low temperature on the bonding performance

通過(guò)表6可以看出,長(zhǎng)時(shí)間紫外光照射下,硅烷改性聚醚膠的粘度變高,斷裂伸長(zhǎng)率下降,呈現(xiàn)內(nèi)聚破壞現(xiàn)象,說(shuō)明硅烷改性聚醚膠抵抗紫外輻射性能強(qiáng)。

經(jīng)高溫高濕老化研究硅烷改性聚醚膠的耐濕熱性能發(fā)現(xiàn),跟隨老化時(shí)間的延長(zhǎng),硅烷改性聚醚膠的100%模量下降、粘度增加,當(dāng)老化時(shí)間為21d后,粘接破壞形式為界面破壞,原因是硅烷改性聚醚膠的分子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水解或溶脹情況,令強(qiáng)度下降,說(shuō)明高溫高濕環(huán)境對(duì) 硅烷改性聚醚膠粘接性能影響顯著。

對(duì)比室溫性能,低溫下的硅烷改性聚醚膠伸長(zhǎng)率有所下降,原因主要是低溫下的低聚合反應(yīng)活性導(dǎo)致不能完全交聯(lián),引起聚合度下降,斷裂伸長(zhǎng)率衰減。但是低溫環(huán)境下的粘接破壞形式?jīng)]有發(fā)生變化,表示該環(huán)境下的硅烷改性聚醚膠后期完全固化,耐寒性較好。

2.9 硅烷改性聚醚膠的耐腐蝕性能

為考察海水、酸霧以及鹽霧對(duì)鋼板的腐蝕情況,將三塊試件鋼板分別浸泡在海水、酸霧試驗(yàn)箱以及鹽霧試驗(yàn)箱中。其中,酸霧、鹽霧參照歐標(biāo)ETAG002規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)完成后,將試件刨開(kāi)檢查,得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 鋼板的不同腐蝕程度Fig. 3 Different degrees of corrosion of steel plates

圖3中,鋼板內(nèi)部均無(wú)腐蝕,鋼板表面腐蝕程度和浸泡時(shí)間具有正相關(guān)性,且鋼板表面腐蝕率始終較低。通過(guò)上述耐腐蝕實(shí)驗(yàn)可以看出,通過(guò)硅烷改性聚醚膠對(duì)鋼板進(jìn)行密封,可構(gòu)建完善、穩(wěn)定的防腐系統(tǒng),可以阻斷濕氣侵蝕鋼板,避免其內(nèi)部腐蝕,具有較好的鋼結(jié)構(gòu)防腐效果。

鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕一般是從鋼鐵的表層開(kāi)始,但在腐蝕介質(zhì)的影響下,先是在鋼鐵表面形成層銹,接著再逐漸向里面和深層發(fā)展,最后鋼銹的厚度愈來(lái)愈大,而鋼鐵結(jié)構(gòu)的截面體積也愈來(lái)愈小。鋼構(gòu)件未被侵蝕的材質(zhì)特性和新金屬材料相比基本上沒(méi)有差異,其抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等指數(shù)基本不會(huì)發(fā)生變化。但鋼結(jié)構(gòu)遭受侵蝕后,其有效受力面積減小,導(dǎo)致整體承重能力衰減,承載能力下降,從而加劇了變形,嚴(yán)重影響了正常應(yīng)用。為此研究硅烷改性聚醚膠加固前后的鋼板承載力情況變化,結(jié)果如圖4所示。

圖4 加固前后的鋼板承載力Fig. 4 Bearing capacity of steel plate before and after reinforcement

通過(guò)圖4可以看出,硅烷改性聚醚膠加固前的鋼板經(jīng)自然老化逐漸被腐蝕,承載力下降,硅烷改性聚醚膠加固后的鋼板腐蝕程度始終較低,所以可有效保證鋼板的承載力不被影響。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)適用期鋼結(jié)構(gòu)建筑密封膠的防腐性能進(jìn)行試驗(yàn),選用硅烷改性聚醚膠對(duì)長(zhǎng)適用期鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行密封,可形成完善、封閉、穩(wěn)定的防腐系統(tǒng),能夠抵御海水、鹽霧、酸霧、高溫高濕等惡劣環(huán)境條件的影響,達(dá)到較好的防腐效果,令鋼結(jié)構(gòu)更加安全穩(wěn)固。