丁苯膠乳復配乳化瀝青防腐涂料制備及性能研究

唐田，黃鵬，陳正雄

(1.重慶交通大學 工程設計研究院有限公司，重慶 400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.中鐵八局集團第一工程有限公司，重慶 400053)

瀝青具有良好的防腐性[1]，同時造價更低，將其制備成涂料，不僅能夠使建筑物具有良好的防腐性能，同時還能夠減少施工造價，節約能源。

瀝青經過機械攪拌并經過乳化處理，擴散到水中，就形成常溫下黏度很小、流動性很好的乳化瀝青[2]。乳化瀝青與丁苯膠乳形成穩定的分散液，在固化劑的作用下，能夠形成速凝防腐涂料，與樹脂等復合使用，可以用作建筑屋頂的防水等等[3-5]。本文系統闡釋乳化瀝青與丁苯膠乳制備防腐涂料的工藝，并對其性能進行評測，以期在建筑等領域能夠提供價廉性能優良的防腐涂料新產品，同時提供一種新型建筑防腐涂料技術[6]。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

XY-Q036丁苯橡膠粉(固體SBR)、固化劑(固含量57%，活潑氫當量為310)、FR-1021V復合型阻燃劑均為工業級；正庚烷，化學純；陰離子型乳化瀝青，上海途達瀝青有限公司；70#瀝青，韓國SK公司生產；分散劑(白色粉末狀，熔點160～180 ℃)，分析純。

HN-30K高速剪切機；990i高速噴涂器；QCJ-Ⅱ漆膜沖擊器；DWR-4凍融循環機。

1.2 涂料的制備

采用母體法制備丁苯膠乳，將丁苯橡膠切成薄片，用正庚烷進行溶脹，使其成為分散的顆粒。再按質量比9∶1混入加熱的70#瀝青，回收正庚烷，制成高濃度的丁苯膠乳母體改性瀝青。

用高速剪切機按照一定比例混合丁苯膠乳母體改性瀝青與乳化瀝青，再加入質量分數為1%(丁苯橡膠母體乳化瀝青質量總和)的分散劑，持續3 000 r/min剪切攪拌10 min，配制成A組分。然后與由特種固化劑和復合阻燃劑組成的B組分混合，在2 000 r/min下攪拌5 min即可。涂料的配方見表1。

表1 丁苯膠乳復配乳化瀝青防腐涂料配方(質量分數)

其中A組分中水的含量約占乳化瀝青和丁苯膠乳總量的5%～8%，B組分中的水量約占固化劑的4%～6%。通過A和B組分分別取1 L利用混凝土坍落度錐桶，看其攤鋪展開的面積，比面積(展開面積(m2)與取出的體積(L)比值)>0.25時流動性良好，以便于其互相充分分散。表1中復合阻燃劑占固化劑質量5%，用高壓泵加壓所制涂料，并噴涂于基材表面，然后用高溫烤燈(鹵素千瓦燈，照明強度為3 000 Lx)烘烤120 min來加速干燥。在溫度為30.1 ℃，相對濕度為21%的條件下，表干與實干時間相差約180 min。本文所指固化時間均為實干時間。

1.3 性能測試

1.3.1 涂層的基礎性能 分別按GB/T 1763—1979《漆膜耐化學試劑性測定法》和GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗》測試涂層的耐酸堿性和附著力；按照GB/T 9978—2008《建筑構件耐火試驗方法》測試構件在覆層涂料作用下耐火性能。其中測試附著力所用基材為馬口鐵板(120 mm×50 mm ×0.28 mm)，耐酸堿性測試所用基材為鋼板(150 mm×70 mm×1 mm)，測試耐火阻燃性采用鋼構件(焊接工字鋼)，翼緣和腹板鋼材性能一致，尺寸為100 mm×100 mm×10 mm，混凝土構件采用立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)。在經過磨砂清潔處理后的鋼材上以及選取平整面的混凝土基材上，通過噴涂或者刷涂得到所需厚度的涂層進行實驗測試。

1.3.2 防腐涂層的抗剝落性能 打磨兩片相同大小的鋼構件表層至其表面平滑，再噴涂防腐涂料，并趁濕貼合在一起，停留至完全固化后進行拉伸試驗，以評價其抗剝落性能。抗剝落實驗示意簡圖見圖1。當表面作用力與表面形成0～90°夾角，最極限的角度為0°和90°，因此，第一種拉伸方式為沿著粘結界面進行拉伸即X軸上f1，其主要用來評價界面水平受力狀態；第二種拉伸方式為垂直于粘結界面進行拉伸即Y軸上f2，其主要用來評價界面垂直受力狀態。

圖1 丁苯膠乳復配乳化瀝青防腐涂料抗剝落受力簡圖

2 結果與討論

2.1 丁苯膠乳與乳化瀝青及固化劑用量配比確定

固化劑用量25%時，丁苯膠乳與乳化瀝青配比對性能的影響見表2。

表2 丁苯膠乳和乳化瀝青配比

由表2可知，當丁苯膠乳與乳化瀝青的質量比為7∶3時所制涂料的性能最好，其耐鹽腐蝕19 d之后才起泡，這主要由于其中氯離子對瀝青和橡膠配制的防腐涂料進行侵蝕，降低了兩種材料間的表面粘結，使得表面活化能降低，同時鹽分的溶脹作用使得膠乳產生變形，體積增大，因此出現了防腐材料的起泡；耐酸性可達45 d之后才起泡，主要由于pH過小，瀝青和膠乳長期處于酸性環境作用下，酸性腐蝕膠乳，從而瀝青和膠乳界面出現粘結力降低出現起泡；耐堿性可達7 d，相比于耐鹽和耐酸，防腐涂料性能降低明顯，主要因為瀝青偏酸性，與堿性作用發生明顯的化學作用，材料破壞最明顯，故而性能降低最快。所有比例下的防腐涂料均具有良好的耐水性，這主要因為固化后在材料表面形成了粘結層，具有很好的防水性，其中瀝青本身具有疏水性，更有利于提高防水作用。

丁苯膠乳和乳化瀝青的配比為7∶3，固化劑用量對涂層性能的影響見表3。

表3 固化劑配比

由表3可知，隨著固化劑用量增加，所形成的防腐涂層的耐鹽、耐酸和耐堿性能有提高的趨勢，主要是因為固化劑與丁苯橡膠和乳化瀝青形成三相間牢靠粘結薄膜，從而防腐性能提高，但固化時間卻逐漸縮短，不利于施工。結合實際施工時間要求(60～80 min固化)，這不僅為鋼結構的拼裝、混凝土結構加固等施工預留了一定時間，而且能在未固化之前檢查涂層的完整性，以便對構件薄弱處進行再次噴涂，等完全固化后形成的涂膜整體性更好，防腐性能不至于降低。固化劑用量為14%和16%時均可達到使用要求，且后者所制涂層具有更好的耐鹽、耐酸和耐堿性能。因此，選取16%固化劑用量。

2.2 涂層的性能

由表4可知，隨著涂層厚度增加，涂料的抗剝落性能先增加后減小，主要因為涂料厚度太小，層間粘結力不足，涂料厚度太大，層間空隙增加，粘結力降低。因此，防腐涂料涂層厚度在100 μm有最好的粘結性能。

表4 丁苯膠乳復配乳化瀝青防腐涂料抗剝落性能

2.3 防腐涂料的耐火阻燃性能

鋼結構以及混凝土等結構在發生火災時，溫度效應會令其發生結構屈服，從而降低承載力，因此，防腐涂料在一定的溫度和明火條件下應具有良好的耐火阻燃性能，這不僅為疏散人群提供了時間，而且能減少因構件破壞對人員造成的傷亡。防腐涂料的耐火阻燃性能見表5，構件受熱耐火局部溫度測量值見表6。

表5 防腐涂料耐火阻燃性能

表6 建筑構件受熱溫度測量值

由表5可知，采用7∶3的丁苯膠乳復配乳化瀝青，固化劑用量16%，涂層厚度為100 μm，建筑用復合型阻燃劑用量5%制備成的防腐涂料，耐火阻燃時間長達40 min，火焰傳播比值僅為3，質量損失僅為0.8 g，碳化體積為13 cm3。涂料表層在明火作用下，耐火阻燃性能優良。由表6可知，鋼結構翼緣內側溫度與表層涂層溫度一致，相同檢測結構溫度的時間下，翼緣溫度較表層溫度低，主要因為鐵的膨脹指數小，導熱系數大，傳熱快，在外部撤離火源時，能夠將翼緣溫度傳至腹板處，腹板縱向剛度較大，承載力較翼緣強，仍能保持良好的結構性能；而混凝土構件內部溫度較涂層表面低，主要因為混凝土構件導熱性差，在火源作用時間較短情況下，表層溫度還未傳至內部，但混凝土自身降溫緩慢，在相同的時間內，鋼結構降溫可達4.27 ℃/min，而混凝土降溫速率僅為3 ℃/min。綜上，丁苯膠乳復配乳化瀝青防腐涂料在一定程度具有耐火阻燃性能，但對于混凝土構件，需要注意溫度聚集和散熱，必要時可在表層灑水，增加散熱；對于鋼結構需要做好隔熱處理，避免外部溫度迅速傳至結構損壞薄弱結構如翼緣等。

2.4 防腐涂料的抗凍融性能

凍融循環條件：首先將水制冷成冰，保持凍融機溫度達到0 ℃，然后放置立方體涂層試件，保持凍融機繼續工作，使溫度降到-20 ℃，保溫6 h，降溫速率0.5 ℃/min；在從-20 ℃升溫到25 ℃，保溫6 h，升溫速率為1 ℃/min。從-10 ℃升溫到25 ℃再降溫到-20 ℃為一個循環周期，以此條件下循環70 h，即為5個周期。測量每一個周期凍融循環下對試件的抗剝落性能，結果見表7。

表7 凍融循環條件下防腐涂料的抗剝落性能

由表7可知，在凍融循環3次后材料的抗剝落性能下降，X滑移位移在3次凍融作用下發生0.5 mm的滑動，Y滑移位移在3次凍融作用下直接發生斷裂，并未發生滑動，說明凍融循環對材料的抗剝落性能影響較大；隨著循環次數增加，材料抗剝落性能下降越厲害，在同樣受力作用下，材料Y軸發生斷裂的凍融次數小于X軸，說明Y軸更易受凍融的影響，即垂直拉拔作用下，材料老化后抗剝落性能較差，這主要由于瀝青在-10 ℃以下時，到達其玻璃態轉化溫度，材料狀態發生變化，循環5次后，材料分子發生“水老化”，鏈段發生變化，因此防腐材料的抗剝落性能下降。

3 結論

(1)固化劑用量25%時，7∶3的丁苯膠乳復配乳化瀝青具有最優的耐水、耐鹽、耐酸和耐堿性。

(2)丁苯膠乳和乳化瀝青7∶3，固化劑用量16%時，其固化時間以及耐酸堿等性能最優。

(3)涂層厚度增加，抗剝落性能先增加后減小，涂層厚度在100 μm時，其水平抗滑移和垂直拉拔均具有最好的性能。

(4)復合型阻燃劑用量5%時制備的防腐材料具有一定的耐火阻燃性能，但對于混凝土結構和鋼結構在噴涂丁苯膠乳復配乳化瀝青防腐涂料時，在火災或者溫度較高作用持續下，對混凝土結構應進行灑水散熱，對鋼結構應進行隔熱處理，同時凍融循環作用下，防腐涂料的抗剝落性能較差，尤其是在作用力垂直拉拔材料表面時。