長適用期鋼結構建筑密封膠防腐性能研究*

劉 強，寧遠鴻

（1廣西工業職業技術學院 建筑工程學院,廣西南寧530001 ;2廣西工業職業技術學院 智能制造學院,廣西南寧530001）

以往,長適用期鋼結構建筑的防腐蝕措施未能引起人們應有的注意,僅進行手工除銹,或噴涂一般底漆和涂料,一段時間后,由于涂料出現透銹、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不耐腐蝕或者涂料施工方式不合理。長適用期鋼鐵的銹蝕大多源于外部,但是其內部應力變化也會產生銹蝕。因此,開展長適用期鋼結構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壓力等,而使用其作為鋼結構建筑物的密封膠[1-3],需要具備較強的耐久性,很好的抗形位移能力,更高的黏結性、彈性和良好的施工性能等優點[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,但是在鋼結構建筑的應用效果較差。因此,以硅烷改性聚醚膠作為長適用期鋼結構的建筑密封膠,以研究其防腐蝕特性。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

MS聚合物；納米碳酸鈣；重質碳酸鈣；除水劑；硅烷類偶聯劑；鋯酸酯類偶聯劑；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 試驗儀器

WDW電子萬能拉力試驗機；Teclock橡膠硬度計；標準型恒溫恒濕試驗箱[9]；水-紫外線輻射試驗箱；擠出性試驗機；粘度計；百分表。

1.3 制備硅烷改性聚醚膠

制備硅烷改性聚醚膠時需將MS聚合物、增塑劑、填料以及其他助劑置于混合器內混合攪拌30min,得到膏狀物體[10]；抽取空氣到0.5kPa,繼續攪拌到溫度上升為100℃、含水量下降到0.07%,緩速攪拌至溫度下降為50℃,此時在其中加入偶聯劑和粘接促進劑并攪拌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,養護1天后,試件制作完成。

1.4 測試方法

（1）活期性與不粘期試驗

活性期是膠體從開始配制到可涂覆所需的時間,測定標準為HB7752-2004。不粘期是隨著硫化程度不斷加深膠體逐漸消除對鋼板粘性的最短時間,測定標準為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,按照規定要求,用工具以時間間隔為15min、速度為15cm/s的要求進行挑拉,在硅烷改性聚醚膠出現明顯回彈時活性期結束[14]。

（2）標準硫化試驗

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

（3）粘結強度試驗

采用拉力試驗機,并依據HB5249-1993檢測粘結強度。將混合均勻的硅烷改性聚醚膠養護7d后,繼續在不同溫度、濕度條件下分別養護1d后,測試其粘結強度。

（4）耐腐蝕試驗

對試樣進行紫外老化輻射、高溫高濕、低溫、海水、酸霧以及鹽霧的處理,對比測定鋼板前后變化。按照JC/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)℃、相對濕度為(50 ±5)%條件下養護30d。對試樣進行紫外老化、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。在標準環境下通過拉伸試驗對處理后的硅烷改性聚醚膠鋼板100%拉伸模量與粘結破壞面積進行測試[15]。

2 結果與討論

2.1 硅烷改性聚醚膠的性能指標

硅烷改性聚醚膠的主要性能指標見表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 不同預聚物對常溫粘接性能的影響

預聚物為膠體的核心成分,設3種粘度不同的MS預聚物按照粘度排序為1、2、3。其對鋼板的粘接性能見表2。

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

由通過表2可知,隨著預聚物粘度的增加硅烷改性聚醚膠粘度提升,擠出率降低,斷裂伸長率提升。原因是粘度較大的預聚物具有較大的分子質量,其硫化時的交聯程度較差,斷裂伸長率高。粘度為2的預聚物制備的硅烷改性聚醚膠對鋼板的粘接破壞形式為100%內聚,這說明粘度為2的預聚物制備的膠體粘接性能最佳,粘度為3的預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聚物會令其與鋼板的粘接界面過于濕潤從而影響粘接,并且模量提升引起內聚強度增大,當內聚強度比粘接強度大時就會出現粘接破壞的情況。

2.3 填料含量對硅烷改性聚醚膠抗拉力的影響

為了增強硅烷改性聚醚膠強度,選擇具有高強抗拉力的CaCO3作為填料。但CaCO3密度較大易產生沉淀,可在制備過程中添加些許防沉劑。分析填料CaCO3含量對硅烷改性聚醚膠抗拉力性能的影響時,需要確保該膠中其它成分的穩定,結果如圖1所示。

圖1 CaCO3含量對抗拉力強度的影響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度和CaCO3用量間具有正相關性。當CaCO3用量在50%以下時,抗拉力強度低于1MPa,在CaCO3用量在70%時,抗拉力強度為2MPa。在實際應用過程中,當硅烷改性聚醚膠制備的填料CaCO3含量達到70%后,硅烷改性聚醚膠的粘度提升的趨勢增強,攪拌均勻的難度提升,易難攪勻；在50%以下時,其粘度較低,填料CaCO3容易出現沉降情況,并且成膜發粘不致密,所以CaCO3的質量分數區間為50%左右最合適。

2.4 增塑劑用量對硅烷改性聚醚膠物理性能的影響

用表3描述增塑劑用量對硅烷改性聚醚膠物理性能的影響情況。

表3 增塑劑用量對膠物理性能的影響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。當塑化劑用量為12份時,材料脆性溫度可以達到-53℃。同時,由于塑化劑用量的提高造成了膠材堅固性能和拉伸強度的減小、伸長率和壓縮永久變形的增加,故選用塑化劑用量為12份時較為理想。

2.5 降黏劑用量對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硅烷改性聚醚膠彈性恢復率的影響如圖2所示。

圖2 膠體彈性恢復率Fig. 2 Collial elastic recovery rate

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

2.6 防霉劑對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標準檢測相應硅烷改性聚醚膠的防霉性能,結果見表4。

表4 防霉劑對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,樣品表面的覆蓋率取值區間是[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間是[0.6%,0.8%],則從霉菌不易直觀發現變成在50倍的放大鏡下不能發現霉菌。

2.7 差異環境溫度對硅烷改性聚醚膠的抗拉力性能影響

表5為差異環境溫度對硅烷改性聚醚膠抗拉力強度的影響。

表5 差異環境溫度對抗拉力強度的影響Table 5 Effects of the differential ambient temperature on the tensile strength

分析表5可知,不同環境溫度下的硅烷改性聚醚膠抗拉力強度差異較大。一定溫度區間內,溫度與抗拉力強度呈負相關關系,溫度降低,抗拉力強度升高。試驗發現,在溫度達到70℃時,抗拉力強度最低；溫度達到-30℃時,抗拉力強度最高,達到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粘接性能的影響

對硅烷改性聚醚膠展開紫外加速老化試驗、耐濕熱性能試驗以及低溫試驗,結果見表6。

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

通過表6可以看出,長時間紫外光照射下,硅烷改性聚醚膠的粘度變高,斷裂伸長率下降,呈現內聚破壞現象,說明硅烷改性聚醚膠抵抗紫外輻射性能強。

經高溫高濕老化研究硅烷改性聚醚膠的耐濕熱性能發現,跟隨老化時間的延長,硅烷改性聚醚膠的100%模量下降、粘度增加,當老化時間為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構出現水解或溶脹情況,令強度下降,說明高溫高濕環境對 硅烷改性聚醚膠粘接性能影響顯著。

對比室溫性能,低溫下的硅烷改性聚醚膠伸長率有所下降,原因主要是低溫下的低聚合反應活性導致不能完全交聯,引起聚合度下降,斷裂伸長率衰減。但是低溫環境下的粘接破壞形式沒有發生變化,表示該環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、酸霧試驗箱以及鹽霧試驗箱中。其中,酸霧、鹽霧參照歐標ETAG002規定的方法進行試驗,試驗完成后,將試件刨開檢查,得到結果如圖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,鋼板內部均無腐蝕,鋼板表面腐蝕程度和浸泡時間具有正相關性,且鋼板表面腐蝕率始終較低。通過上述耐腐蝕實驗可以看出,通過硅烷改性聚醚膠對鋼板進行密封,可構建完善、穩定的防腐系統,可以阻斷濕氣侵蝕鋼板,避免其內部腐蝕,具有較好的鋼結構防腐效果。

鋼結構的銹蝕一般是從鋼鐵的表層開始,但在腐蝕介質的影響下,先是在鋼鐵表面形成層銹,接著再逐漸向里面和深層發展,最后鋼銹的厚度愈來愈大,而鋼鐵結構的截面體積也愈來愈小。鋼構件未被侵蝕的材質特性和新金屬材料相比基本上沒有差異,其抗拉強度、抗壓強度等指數基本不會發生變化。但鋼結構遭受侵蝕后,其有效受力面積減小,導致整體承重能力衰減,承載能力下降,從而加劇了變形,嚴重影響了正常應用。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

通過圖4可以看出,硅烷改性聚醚膠加固前的鋼板經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 結論

通過對長適用期鋼結構建筑密封膠的防腐性能進行試驗,選用硅烷改性聚醚膠對長適用期鋼結構建筑進行密封,可形成完善、封閉、穩定的防腐系統,能夠抵御海水、鹽霧、酸霧、高溫高濕等惡劣環境條件的影響,達到較好的防腐效果,令鋼結構更加安全穩固。