一种用于钢筋防锈防腐的地聚物涂层材料及其制作使用方法
技术领域
本发明涉及新型无机防腐涂层材料领域，尤其是一种用于钢筋防锈防腐的地聚物涂层材料及其制作使用方法。
背景技术
自从1867年法国园艺师约瑟夫·莫尼尔授权世界上第一个钢筋混凝土专利开始，混凝土结构在土木工程领域大行其道，发挥着极其重要、不可取代的作用。随着混凝土结构的广泛应用，钢筋锈蚀而造成的结构劣化已成为困扰工程界的全球性问题，被视为混凝土结构耐久性的顽疾之一。
理论上来说，只要混凝土足够密实且不开裂，其内部配置的钢筋在强碱性氛围中具有足够的稳定性而不易锈蚀。然而，绝大多数混凝土工程结构都是带裂缝工作的，加上混凝土自身的密实性难以保证或长期保持。如果服役环境中存在侵蚀性有害介质，钢筋锈蚀势必发生。诱发钢筋锈蚀的主要原因包括混凝土中性化、掺入型氯化物、渗入型氯化物三个方面。
为了防止钢筋锈蚀，人们采用了很多方法和措施，其中之一便是事先对钢筋加以表面处理，从而隔绝有害介质(如氯离子)侵入。在钢筋表面覆以涂层便是这类措施中最常用的。虽然表面保护性涂层材料有多种，目前最常用的当属环氧树脂(epoxy)。这种有机溶剂型涂料成膜固化时易挥发而产生有毒气体，生产和使用过程中也释放大量温室气体，对生态环境和职业健康构成潜在威胁。就使用性能而言，在侵蚀性介质的持续作用下，包括环氧树脂在内的很多有机涂层材料往往表现出逐渐老化、耐候性差、固化温湿度敏感性高等缺陷。
地聚物(geopolymer)作为一种新型低碳环保材料，近年来得到越来越多的关注，一度成为研究热点。就化学成分而言，地聚物当属无机硅酸盐材料，但因其分子结构与有机聚合物有诸多相似之处，故而得名。地聚物在宏观性能方面表现突出，具有高早强、低收缩、耐燃防火、高抗渗、耐化学腐蚀、附着性好、适应性强等优点，可望成为新一代钢筋防腐涂层材料。本发明涉及的一种用于钢筋防锈防腐的地聚物涂层材料，对粉煤灰、偏高岭土基地聚物加以改性，使之适用于混凝土结构内部配筋的防锈防腐。
发明内容
本发明提供一种用于钢筋防锈防腐的地聚物涂层材料及其制作使用方法。与传统有机高分子防腐涂层材料相比，地聚物防腐涂层材料性能优异，与钢筋粘结牢靠，与混凝土同属无机非金属材料，不影响钢筋与混凝土的协同工作，同时环保低碳、无污染、无毒无害，更易施工操作。虽然地聚物材料被应用于很多领域，现有技术报道较多，但将其用于钢筋防锈防腐，尚属技术空白。这一点属于本发明的最大创新。为了满足钢筋防腐防锈这一特定应用，涂层材料必须具备一系列特定性能和技术要求，制备满足这些性能和技术要求的地聚物涂层材料，也是本发明的创造性工作。
本发明解决其技术问题采用的技术方案：
本发明涉及的地聚物涂层材料的组分包括矿物质前体、碱性激发剂、添加剂和细骨料。矿物质前体可选用偏高岭土(MK)、粉煤灰(FA)、水淬高炉矿渣细粉(GGBFS)、普通硅酸盐水泥(OPC)及其二元或二元以上的组合，其中OPC起增加钙离子含量、调凝及增强作用，其掺量一般占矿物质前体总重量的5％～15％。MK、FA、GGBFS都属于常见的工业固废或地方特色材料，来源较多、成本较低。碱性激发剂可选用碱金属(以钠和钾为主)氢氧化物、碱金属硅酸盐、碱金属碳酸盐及其组合，优先选用氢氧化钾(钠)和硅酸钾(钠)的混合物。碱金属硅酸盐建议使用市售工业水玻璃(WG)。碱性激发剂须事先配制成水溶液并经充分冷却和稳定后备用。添加剂可根据实际需要，选用塑化剂、聚合物纤维、减缩剂、膨胀剂等，用于改良涂层材料的工作性、韧性、抗拉强度、抗裂性等。细骨料采用天然砂，作为填料提高涂层材料的稳定性、减小收缩、降低开裂敏感性。
具体的，一种用于钢筋防锈防腐的地聚物涂层材料，由以下材料组成：偏高岭土90份，普通硅酸盐水泥10份，氢氧化钾10份，钾水玻璃70份，水65～105份，天然细砂160～200份，掺量为偏高岭土和普通硅酸盐水泥总重量的1.2％的高性能聚羧酸减水剂，掺量为单位体积偏高岭土和普通硅酸盐水泥总重量的0.25％的聚丙烯纤维。提前至少24h将氢氧化钾和钾水玻璃溶解于水中，投入聚丙烯纤维后强制搅拌不少于3min至均匀，配制成激发剂溶液，将偏高岭土、普通硅酸盐水泥与激发剂溶液混配均匀，并投入高性能聚羧酸减水剂，强制搅拌时间不少于5min。将制得的料浆均匀涂刷于经除锈处理的钢筋表面，分遍涂刷并确保厚度均匀，控制总厚度为2～3mm。
本发明涉及的新型钢筋防腐涂层材料，通过碱性激发剂与矿物质前体一系列复杂的化学反应生成的地聚物作为胶结成分，辅以细骨料和添加剂，混配均匀后将其涂覆于钢筋表面，待凝结固化后发挥保护作用。地聚物由硅氧四面体[SiO4]和铝氧四面体[AlO4]单元聚合而成，是具有三维网络结构的凝胶体，类似于水泥水化生成的水化硅酸钙凝胶体，但两者的反应原理截然不同。
发明有益的效果是：该材料具有钢筋防护涂层所需的力学性能、抗氯离子渗透性、电阻率和粘结强度(或附着力)，适用于现浇混凝土或预制混凝土构件内部配筋的防腐保护层，能提高混凝土结构的耐久性，有效延长其使用寿命，同时不影响混凝土与钢筋的协同工作。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明：
实施例：
一种用于钢筋防锈防腐的地聚物涂层材料，由以下材料组成：偏高岭土90份，普通硅酸盐水泥10份，氢氧化钾10份，钾水玻璃70份，水65～105份，天然细砂160～200份，掺量为偏高岭土和普通硅酸盐水泥总重量的1.2％的高性能聚羧酸减水剂，掺量为单位体积偏高岭土和普通硅酸盐水泥总重量的0.25％的聚丙烯纤维。
其中采用符合国标的偏高岭土和普通硅酸盐水泥(P·O%2042.5)作为矿物质前体，它们的化学成分如表1所示。碱性激发剂采用市售高纯度氢氧化钾固体(KOH的质量分数为98.6％)和钾水玻璃溶液(SiO2的质量分数为25.8％，K2O的质量分数为61.4％)。添加剂采用市售高性能聚羧酸减水剂(液剂)和聚丙烯纤维(长度6mm，直径15μm)。细骨料采用天然特细砂，细度模数为0.55。
表1矿物质前体原料的化学成分
制备和使用方法：提前至少24h将氢氧化钾和钾水玻璃溶解于水中，投入聚丙烯纤维后强制搅拌不少于3min至均匀，配制成激发剂溶液，将偏高岭土、普通硅酸盐水泥与激发剂溶液混配均匀，并投入高性能聚羧酸减水剂，强制搅拌时间不少于5min。将制得的料浆均匀涂刷于经除锈处理的钢筋表面，分遍涂刷并确保厚度均匀，控制总厚度为2～3mm。
将这种地聚物涂层材料涂覆于公称直径为20mm的HRB335钢筋表面，然后将该钢筋埋置于100mm×100mm×400mm的混凝土棱柱体试件中心部位。混凝土的强度等级为C30，钢筋端部的混凝土保护层厚度为25mm。同时设置不予涂层保护的对比组。经标准养护14d龄期后，将两组试件周期性完全浸泡于浓度为5％的氯化钠溶液中(注：每个周期为28d，14d持续浸泡，14d持续暴露于空气中)，按国标方法定期测定钢筋的开路电位(OCP)和线性极化电阻值(LPR)。
性能试验结果：初凝时间26min，终凝时间38min；标准养护3d抗压强度29.5MPa，28d抗压强度38.2MPa，粘结拉伸强度1.82MPa；标准养护涂层7d抗渗压力0.73MPa。与同工况下不作涂层材料保护的对照组相比，表面涂覆地聚物涂层材料的钢筋出现锈迹的时间推迟了5个周期(共计140d)。与涂覆某市售环氧树脂涂层材料的钢筋出现锈迹的时间推迟了2个周期(共计56d)。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
