一种针对混凝土冷却塔的渗透交联型加固防腐材料及其应用转让专利
申请号 : CN202110508399.4
文献号 : CN113248200B
文献日 : 2022-04-19
发明人 : 缪红波 , 曾婷婷 , 程义明
申请人 : 北京固斯特国际化工有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种针对混凝土冷却塔的渗透交联型加固防腐材料,其特征在于:包括在混凝土基面依次涂覆或注射的抗盐补强材料、基面修复砂浆、基面加固材料,底层防腐材料和面层防腐材料;所述面层防腐材料分为内壁面层防腐材料和外壁面层防腐材料;其中:所述抗盐补强材料包括以下质量百分数的组分:最大粒径小于20nm的硅酸钾2‑5%,丙烯酸酯聚合物10‑20%,聚硅氧烷2‑5%,乙氧化十三烷醇0.5‑1%,水60‑80%;
所述基面修复砂浆包括以下质量百分数的组分:天然石英砂40‑55%,比表面积大于2
12000cm/g的波特兰水泥40‑55%,丙烯酸酯/丙烯酸胺/丙烯酸盐三元共聚物1‑2%,D95<10微米的甲基纤维素0.0‑0.1%,微米级的二胺@铝MOF颗粒0.1‑5.0%,聚乙烯0.0‑0.1%;
所述微米级的二胺@铝MOF颗粒的制备方法包括:将硝酸铝和4,4'‑联苯二甲酸以铝元素和羧基摩尔比为1:(0.8‑1.2)的比例添加至水中并分散均匀,升温加热至160‑200℃,然后将所得溶液的pH调节为2‑4,保温反应5‑10h;反应结束后经过滤、洗涤、干燥和粉碎后得到微米级的铝MOF颗粒;将铝MOF颗粒浸渍于二胺溶液中,静置吸附2‑4h,离心分离,制得微米级的二胺@铝MOF颗粒。
2.如权利要求1所述的渗透交联型加固防腐材料,其特征在于,所述底层防腐材料包括波特兰水泥熔渣45‑55wt%、石英砂8‑12wt%和石英粉35‑45wt%。
3.如权利要求1或2所述的渗透交联型加固防腐材料,其特征在于,所述内壁面层防腐材料包括双酚A 20‑25wt%,Mw <700的环氧氯丙烷树脂40‑50wt%,3‑氨基甲基‑3,5,5‑三甲基环己胺15‑20wt%,聚酰胺14‑18wt%;
所述外壁面层防腐材料包括丙烯酸酯聚合物25‑35wt%,碳酸钙20‑30wt%,二氧化钛15‑
25wt%和水20‑30wt%。
4.如权利要求1所述的渗透交联型加固防腐材料,其特征在于,所述基面加固材料为混凝土注浆液,包括A组分和B组分,其中:所述A组分包括以下质量百分数的组分:Mw< 700的双酚‑A‑环氧氯丙烷树脂60‑68%,缩水甘油12‑14烷基醚10‑20%,1,6‑己二醇二缩水甘油醚10‑20%,Mw< 700的双酚F环氧树脂
10‑20%,3‑(2,3‑环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷2‑5%;
所述B组分包括以下质量百分数的组分:异佛尔酮二胺20‑31%,聚醚胺40‑51%,间苯二甲胺10‑20%,双酚A 10‑20%,三甲基六亚甲基二肟5‑10%,2,2’‑亚甲基双苯酚2‑5%,2,4,6‑三(二甲氨基甲基)苯酚2‑5%。
5.如权利要求4所述的渗透交联型加固防腐材料,其特征在于,所述混凝土注浆液中A组分和B组分的质量比为(4‑4.5):(1.5‑2.0)。
6.如权利要求1所述的渗透交联型加固防腐材料,其特征在于:所述二胺为异佛尔酮二胺、间苯二胺或间苯二甲胺。
7.一种利用权利要求1‑6之一所述渗透交联型加固防腐材料对冷却塔进行加固防腐处理的方法,其特征在于包括以下步骤:S1:对冷却塔基体进行清理;
S2:向冷却塔基体喷涂抗盐补强材料进行抗盐补强处理以阻止盐类物质对冷却塔基体进一步侵害并提高基体强度;
S3:对冷却塔基体表面的破损或缺陷处采用基面修复砂浆进行修复找平;
S4:向冷却塔基体的结构型裂缝处注射基面加固材料以使裂缝两面以及基面修复砂浆成为一体;
S5:在冷却塔基体表面涂覆底层防腐材料;
S6:在底层防腐材料表面涂覆面层防腐材料。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,2
所述抗盐补强材料的用量为90‑110 g/m;
所述基面修复砂浆单次抹面固化后的厚度为2‑50mm;
2
所述底层防腐材料的用量为1.3‑1.5kg/m,固化后的厚度为0.8‑1.2mm;
2
所述内壁面层防腐材料的用量为240‑260g/m,固化后的厚度为200‑240微米;
2
所述外壁面层防腐材料的用量为330‑370g/m,固化后的厚度为280‑320微米。
9.如权利要求7所述的方法,其特征在于,S2中,施工温度不低于0℃;
S3中,在S2结束至少90min,但不长于3h后再进行S3;
S5中,施工过程中,冷却塔基体和环境温度应大于5℃。
说明书 :
一种针对混凝土冷却塔的渗透交联型加固防腐材料及其应用
技术领域
背景技术
凝土非常容易受到腐蚀。尤其是循环水采用海水或城市中水的冷却塔,以及把冷却塔作为
排放脱硫后烟气使用的排烟冷却塔,腐蚀尤为严重。此外,地处北方的冷却塔,由于天气严
寒,混凝土极易受到冻融破坏。
采用的加固防腐方案必须能满足如下的基本要求:(1)使用与混凝土理化特性相一致的修
复材料对混凝土的缺陷进行修复,如错台、螺栓孔、麻面、孔洞等,以确保修复材料与混凝土
长久可靠地成为一体;(2)必须能彻底解决混凝土返碱的问题,即:解决游离金属离子向界
面的迁移,以防止游离金属离子在界面处发生弱碱反应导致粉化,使得防腐层剥落;(3)必
须具有很强的抗渗能力,以隔离和阻止水和腐蚀介质侵入到钢筋混凝土中;(4)必须具备背
水面防水抗渗性能,以防止外部雨水、凝露水渗入混凝土中,对冷却塔内壁上的防腐功能层
产生压力,导致防腐层鼓包、开裂和脱落;(5)必须具备化解因混凝土自身特性,如裂缝、毛
细孔、气孔、潮湿等,而产生的渗漏水的问题,否则,将导致防腐涂层脱落;(6)能够有效促进
和改善混凝土结构自身的致密化过程,提高其抗渗性,并使混凝土本身具备一定的防腐蚀
性能;(7)防腐体系整体必须与冷却塔基面具有极好的粘结力(大于混凝土结构设计的抗拉
强度),该粘结力不会随着冷却塔的运行而降低。在现场对粘结强度试验时,以混凝土的内
聚力破坏为评判标准;(8)防腐材料自身须具有优秀的适温、耐腐蚀、耐冲刷、耐磨、耐老化、
抗冻融等特性;(9)对于大面积的高空施工,防腐体系应具有优异的施工性能,施工简便,且
对施工的环境要求低。
寿命 (不少于20年),因此,选择合适的加固防腐方案至关重要。
聚物);底层防腐材料(波特兰水泥熔渣、石英砂和石英粉);内壁面层涂料(双酚A,环氧氯丙
烷树脂,3‑氨基甲基‑3,5,5‑三甲基,聚酰胺);外壁面层涂料(丙烯酸酯聚合物,碳酸钙,二
氧化钛和水)。该发明方案可解决冷却塔混凝土自身特性对涂层粘结的影响,且各涂料间配
合性强,借助于涂料间的相互渗透交联,把防腐层和混凝土通过理化反应融为一体,以达到
长效防腐的功效。
未对混凝土基面进行预先的抗盐补强处理,因此混凝土内的这些盐类物质还会持续破坏混
凝土;②该方案中未对混凝土的结构性破坏问题(如:结构性混凝土裂缝等)提出相应的处
理办法,因此混凝土仍然存在不小的性能和结构稳定性下降的风险。
发明内容
却塔结构内的盐类物质继续破坏基层;然后采用基面修复砂浆修复冷却塔结构的表面缺
陷,再通过注射基面加固材料进行加固处理,使得上述材料与混凝土永久成为一体,防止修
复处再次疏松开裂。最后再依次施加底层和面层防腐材料,以进一步实现加固防腐型效果。
材料和面层防腐材料;所述面层防腐材料分为内壁面层防腐材料和外壁面层防腐材料。
腐材料和面层防腐材料。其中:
盐类物质遇水即产生膨胀,从而将导致基层因内应力而破坏。否则任何直接做在未经抗盐
处理的基面上的防腐层都将会与基层产生剥离或脱落,因此必须对冷却塔结构的基层进行
抗盐处理。对此,本发明的解决方案是:首先采用纳米级抗盐补强材料对混凝土进行深度的
抗盐补强处理,以阻止冷却塔结构内的盐类物质继续破坏冷却塔的基层;然后采用基面修
复砂浆修复冷却塔结构的表面缺陷。最后再通过注射基面加固材料进行加固处理,使得上
述材料与混凝土永久成为一体,防止修复处再次疏松开裂。通过上述一系列对冷却塔结构
的治理,可将一个已被腐蚀的冷却塔结构基层改造成一个健康的、适合在其上做防腐的基
面。其中:
80%。
粒子的直径仅为20纳米(作为优选),密度为1.03g/cm,其断裂延长率大于500%。该材料具
有极强的渗透作用,在每平方米120克用量的条件下,可渗透到结构的2厘米深处。实验表
明,在浓度为10%的硫酸的液体环境中,上述用量下的抗盐补强材料的抗腐蚀寿命可达环
氧树脂类防腐蚀材料的3倍以上。由于其的渗透功能,所以,其防腐防护功能是持久结构性
的。就机械特性而言,抗盐补强材料作为表面防腐层,可显著提高整个防腐层及结构的抗压
强度,实验表明:经抗盐补强材料处理的结构的抗压强度是未涂刷前的抗压强度的一倍左
右。同时,抗盐补强材料能显著降低矿物质基材的吸水特性,加固和保护矿物质基材。它通
过阻止盐水的聚集,降低盐溶解后再结晶时因膨胀对混凝土等矿物基材结构所产生的危
害,并且使基材能长久抵御霜冻雨露等自然现象的侵蚀。并且,抗盐补强材料中的硅酸盐结
构的特性和石英玻璃类似,具有抗盐酸、硫酸、奶酸、柠檬酸的能力,同时通过填充毛细孔可
固定钢筋混凝中的盐类物质的流动,如硫酸钠,硝酸钠,氯化钠,及溶剂,油和脂肪。因此它
在加强涂层持久抗酸腐蚀的同时,彻底排除了腐蚀性物质借助于表面毛细孔向结构渗透的
可能性。本发明抗盐补强材料的技术参数如下表所示:
技术名称 技术数据
主要成分 聚合物,硅酸盐
粒子最大直径 20纳米
3
密度 1.03g/cm 左右
涂层表面 清澈,略粘
断裂延伸率 500%左右
渗透深度 大于2cm
比表面积大于12000cm /g的波特兰水泥40‑55%,丙烯酸酯/丙烯酸胺/丙烯酸盐三元共聚
物1‑2%,D95<10 微米的甲基纤维素0.0‑0.1%,微米级的二胺@铝MOF颗粒0.1‑5.0%,聚乙
烯0.0‑0.1%。
酸盐三元共聚物外,还含有:
砂浆中材料的渗透反应功能,使得砂浆与混凝土永久的成为一体。另一方面,该低粒度的水
硬性粘合剂可理想地填充于填料颗粒之间的空间,使得砂浆具有极高的致密性和非常高的
抗压强度,以及极强抗渗性能。此外,由于其更小的形态,使得砂浆还具有了其他性能(如硫
酸盐抗性等)。
分混合后,纳米级部分的水硬性粘合剂(甲基纤维素)渗透进入MOF材料内部,从而使得MOF
材料与砂浆硬化后成为一体,而MOF作为补强材料可有效降低砂浆固化后的脆性。并且MOF
材料具有出色的调湿能力,当混凝土处于较为高湿的状态下,MOF材料在内外渗透压差下吸
水;当混凝土处于较为低湿的状态下,MOF材料会释放水分,MOF材料的该特性可有效调节混
凝土的湿度,进而改善耐久性。此外,也更为重要的是,本发明巧妙地利用铝MOF的多孔吸附
性负载有二胺,当基面修复砂浆与混凝土注浆液配合使用时,二胺能够与混凝土注浆液中
的A组分发生交联固化,如此能够显著增加基面修复砂浆与混凝土注浆液的交联结合程度,
确保两者永久成为一体,降低再次疏松开裂的风险。
指标:7d抗压强度大于35N/mm ,28d抗压强度大于50N/mm ;2)具有低收缩特性:材料的自身
收缩率极低,不会因材料自身收缩而产生开裂,以及与混凝土剥离,形成二张皮;3)极高的
粘结强度:粘结强度大于2.0Mpa;4)极强的抗渗性能:抗渗压力大于1.5Mpa;5)优异的稳定
性:抗冻融循环能力、抗湿热循环能力、抗干热循环能力;6)优异的防腐蚀性能:材料自身具
有一定的抗化学介质腐蚀的能力。
环氧树脂 10‑20%,3‑(2,3‑环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷2‑5%。
5%, 2,4,6‑三(二甲氨基甲基)苯酚2‑5%。
入方式该材料能长久、强力地填充至建筑结构上的裂缝和缺陷部位。且材料不含填料和增
3
塑剂,故排除了产品使用后成分被分解的可能性。此外,由于材料的低密(约为1g/cm)、低
黏 (23℃,约120mPa.s)特性(选择分子量较低的组分,黏度更低),其在实施注入时,该材料
会很快填满注入区域内的不密实区域,并向周围混凝土中的毛细通道(孔)中渗入,从而牢
牢地将混凝土重新粘结在一起,且材料自身的抗压强度大于70Mpa,劈拉强度大于15Mpa,因
而在注浆后该材料和混凝土可永久的成为一体。
通过特殊的渗透结晶功能,完成了对混凝土表面结构的理化改性:既阻止了混凝土的返碱
性,以解决防腐材料与混凝土的粘结问题,又提高了混凝土结构的密实性,以阻止腐蚀介质
以水为载体向混凝土中的渗透。特别要提及的是,该界面层对外呈现中性,从而避免了混凝
土的碱性环境对面层涂料固化过程的影响。本发明底层防腐材料与混凝土具有相同的理化
性能,能够借助于混凝土表面的毛细张力及分子力的作用,使得防腐层与基面成为一个整
体。这对于混凝土冷却塔基面的保护是最为重要的。此外,混凝土表面的氢氧化钙与底层防
腐材料反应形成不被水解的晶体,使得混凝土自身具备了一定的防腐蚀性能。在上述作用
下,底层防腐材料能抵御混凝土内部潮气和由塔筒外壁渗入的水分,因温度变化、冻融、日
晒等因素对涂层背面形成的压力,从而避免涂层的鼓包、脱落(防腐涂层具备背水面抗渗性
能),而且能自行修复混凝土结构因各种应0.4mm以内的裂缝。底层防腐材料的防腐机理具
体为:解决与混凝土之间的结合力问题:通过混凝土表面的喷砂处理,混凝土表面处于活化
状态,表面存在大量的孔隙和未完全水化反应的钙离子。底涂料能借助于水或潮气在混凝
土基材表层的浸润,活化的混凝土表层本身固有的钙离子等化学游离离子群得以激活,被
激活的游离钙离子与底层防腐材料中的活性成分反应,在表层毛细孔张力的作用下,渗透
到(被“拽入”)毛细孔中,在毛细孔中生成不被溶解的结晶体,使得混凝土结构表面彻底地
密实。同时底层防腐材料本身水化产生的结晶体,也在毛细孔张力的作用下,被“锚固”到混
凝土表层里,与混凝土形成整体。而且由于混凝土表面和孔隙内钙离子等碱性物质已经变
成了结晶物,混凝土表面也就难以出现返碱问题而影响涂层的兼容性和结合力。提高混凝
土防腐抗渗性能,又防止冻融:底层防腐材料的渗透结晶作用,使得混凝土表面孔隙内的游
离钙离子形成稳定化合物结晶体,使得混凝土孔隙变小成了微孔(孔径小于水分子直径),
不但密实了混凝土表面,而且降低了混凝土表面能,提高了混凝土的抗渗性能,也阻止了溶
于水的腐蚀介质(包括氯离子)渗透入混凝土中(上述腐蚀介质往往是以水为载体的),加上
外层涂料的密封作用,不但保护了混凝土不被腐蚀,也保护了钢筋免受腐蚀。由于混凝土孔
隙变成1‑10nm微孔,降低了孔内的冰点,最低可降低到‑78℃,防止了冻融的发生。
面层防腐材料包括丙烯酸酯聚合物25‑35wt%,碳酸钙20‑30wt%,二氧化钛15‑25wt%和水
20‑30wt%。
化学介质腐蚀的特性。其涂刷于底层防腐涂层表面,在基面毛细张力及涂层表面张力的共
同作用下,能渗透到基体的数毫米内,不仅密封了表层结构中的毛细孔,而且具有极好的抗
机械冲击、抗化学介质腐蚀、抗老化以及抗磨损的能力。其渗透功能,使整体防腐层像被钉
在混凝土上一样(长久粘结强度大于3兆帕以上),从理论和实践上保证了混凝土的长久有
效保护。
160‑200℃,然后将所得溶液的pH调节为2‑4,保温反应5‑10h;反应结束后经过滤、洗涤、干
燥和粉碎后得到微米级的铝MOF颗粒;将铝MOF颗粒浸渍于二胺溶液中,静置吸附2‑4h,离心
分离,制得微米级的二胺@MOF颗粒。
使用时,二胺能够与混凝土注浆液中的A组分发生交联固化,如此能够显著增加基面修复砂
浆与混凝土注浆液的交联结合程度,确保两者永久成为一体,降低再次疏松开裂的风险。
固化后的厚度为2‑50mm;所述底层防腐材料的用量为1.3‑1.5kg/m ,固化后的厚度为0.8‑
2
1.2mm;所述内壁面层防腐材料的用量为240‑260g/m ,固化后的厚度为200‑240微米;所述
2
外壁面层防腐材料的用量为330‑370g/m,固化后的厚度为280‑320微米。
性,可显著提高整个防腐层及结构的抗压强度,并且在加强涂层持久抗酸腐蚀的同时,可彻
底排除腐蚀性物质借助于表面毛细孔向结构渗透的可能性。
渗、防酸雨、抗冻融等能力。
而导致的性能和结构稳定性下降的问题。
了混凝土的返碱性,以解决防腐材料与混凝土的粘结问题,又提高了混凝土结构的密实性,
以阻止腐蚀介质以水为载体向混凝土中的渗透。该界面层对外呈现中性,从而避免了混凝
土的碱性环境对面层涂料固化过程的影响。
能渗透到基体的数毫米内,不仅密封了表层结构中的毛细孔,而且具有极好的抗机械冲击、
抗化学介质腐蚀、抗老化以及抗磨损的能力。
透交联反应使得防腐材料与混凝土融为一体。采用本发明渗透性防腐材料体系,可满足不
少于二十年的免维护使用。
附图说明
具体实施方式
述面层防腐材料分为内壁面层防腐材料和外壁面层防腐材料;其中:
于 12000cm/g的波特兰水泥40‑55%,丙烯酸酯/丙烯酸胺/丙烯酸盐三元共聚物1‑2%,D95
<10 微米的甲基纤维素0.0‑0.1%,微米级的二胺@铝MOF颗粒0.1‑5.0%,聚乙烯0.0‑
0.1%。
环氧树脂 10‑20%,3‑(2,3‑环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷2‑5%。
5%, 2,4,6‑三(二甲氨基甲基)苯酚2‑5%。
160‑200℃,然后将所得溶液的pH调节为2‑4,保温反应5‑10h;反应结束后经过滤、洗涤、干
燥和粉碎后得到微米级的铝MOF颗粒;将铝MOF颗粒浸渍于二胺溶液(异佛尔酮二胺、间苯二
胺或间苯二甲胺)中,静置吸附2‑4h,离心分离,制得微米级的二胺@MOF颗粒。
240‑260g/m ,固化后的厚度为200‑240微米;外壁面层防腐材料的用量为330‑370g/m ,固化
后的厚度为 280‑320微米。
述面层防腐材料分为内壁面层防腐材料和外壁面层防腐材料;其中:
主要成分 聚合物,硅酸盐
粒子最大直径 20纳米
3
密度 1.03g/cm
涂层表面 清澈,略粘
断裂延伸率 505%
渗透深度 3.1cm
于12000cm/g 的波特兰水泥48.4%,丙烯酸酯/丙烯酸胺/丙烯酸盐三元共聚物1.5%,D95
<10微米的水硬性粘合剂(甲基纤维素)0.05%,微米级的二胺@铝MOF颗粒2.5%,聚乙烯
0.05%。
的pH 调节为3,保温反应6h;反应结束后经过滤、洗涤、干燥和粉碎后得到微米级的铝MOF颗
粒;将铝MOF颗粒浸渍于二胺溶液(间苯二甲胺)中,静置吸附3h,离心分离,制得微米级的二
胺@MOF颗粒。
甘油12‑14烷基醚12%,1,6‑己二醇二缩水甘油醚12%,Mw<700的双酚F环氧树脂10.5%,
3‑(2,3‑ 环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷3.5%。
氨基甲基)苯酚3.5%。
3
密度 约为1g/cm
黏度 约为120mPa.s
抗压强度 70Mpa
劈拉强度 21Mpa
述面层防腐材料分为内壁面层防腐材料和外壁面层防腐材料;其中:
12000cm/g的波特兰水泥40%,丙烯酸酯/丙烯酸胺/丙烯酸盐三元共聚物1%,D95<10微米
的水硬性粘合剂(甲基纤维素)0.1%,微米级的二胺@铝MOF颗粒3.8%,聚乙烯0.1%。
得溶液的pH调节为2,保温反应5h;反应结束后经过滤、洗涤、干燥和粉碎后得到微米级的铝
MOF颗粒;将铝MOF颗粒浸渍于二胺溶液(间苯二胺)中,静置吸附2h,离心分离,制得微米级
的二胺@MOF颗粒。
12‑14烷基醚13%,1,6‑己二醇二缩水甘油醚15%,Mw<700的双酚F环氧树脂10%,3‑(2,3‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷2%。
基甲基)苯酚3%。
述面层防腐材料分为内壁面层防腐材料和外壁面层防腐材料;其中:
12000cm/g的波特兰水泥47.8%,丙烯酸酯/丙烯酸胺/丙烯酸盐三元共聚物2%,D95<10微
米的水硬性粘合剂(甲基纤维素)0.1%,微米级的二胺@铝MOF颗粒5.0%,聚乙烯0.1%。
得溶液的pH调节为4,保温反应5h;反应结束后经过滤、洗涤、干燥和粉碎后得到微米级的铝
MOF颗粒;将铝MOF颗粒浸渍于二胺溶液(异佛尔酮二胺)中,静置吸附4h,离心分离,制得微
米级的二胺@MOF颗粒。
12‑14烷基醚10%,1,6‑己二醇二缩水甘油醚10%,Mw<700的双酚F环氧树脂10%,3‑(2,3‑
环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷2%。
甲氨基甲基)苯酚2.5%。
然石英砂 50%,比表面积大于12000cm/g的波特兰水泥48.5%,丙烯酸酯/丙烯酸胺/丙烯
酸盐三元共聚物1.5%。
250g/m ,固化后的厚度为220微米;外壁面层防腐材料的用量为350g/m ,固化后的厚度为
300微米。
显不如应用例1;而应用对比例2相对应用例1,由于未经过抗盐补强处理,因此在抗渗压力、
抗盐性方面具有显著劣势。
案的保护范围。