一种钢索防腐涂覆材料及其制备方法与应用

摘要

本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种钢索防腐涂覆材料及其制备方法与应用，涂覆材料由磷酸镁水泥、石英粉、粉煤灰微珠、减水剂、调凝剂、水性环氧树脂、固化剂、硫酸钙晶须、水组成，本发明解决了现有技术中水泥基材料易流挂、易开裂，树脂类材料施工污染性强，耐候性差，部分材料不能同时满足大气和海洋环境耐久性的问题。

权利要求

1.一种钢索防腐涂覆材料，其特征在于，由以下质量份数原料组成：磷酸镁水泥90‑120份；

石英粉100‑130份；

粉煤灰微珠20‑40份；

减水剂0.4‑0.9份；

调凝剂1‑1.5份；

水性环氧树脂20‑50份；

固化剂2‑4份；

硫酸钙晶须4‑6份；

水20‑40份；

所述调凝剂由硼砂、三聚磷酸钠、硫酸铝按质量比2:1:2组成，所述磷酸镁水泥由氧化镁和磷酸二氢钾按照M/P值为4‑6的比例混合而成，其中，M/P值为氧化镁和磷酸二氢钾的摩尔比，所述硫酸钙晶须平均粒径为100‑200nm，长径比为90‑100。

2.根据权利要求1所述的钢索防腐涂覆材料，其特征在于，所述氧化镁由菱镁矿经高温煅烧而成，高温煅烧温度为1200‑1500℃。

3.根据权利要求1所述的钢索防腐涂覆材料，其特征在于，所述石英粉粒径为325‑600目。

4.根据权利要求1所述的钢索防腐涂覆材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥25%。

5.根据权利要求1所述的钢索防腐涂覆材料，其特征在于，所述水性环氧树脂为E44水性乳液、E51水性乳液的至少一种。

6.根据权利要求1‑5任一项所述的钢索防腐涂覆材料的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

1）按质量份数称取各原料；

2）将减水剂和调凝剂与水混合得混合液；

3）将磷酸镁水泥、石英粉、粉煤灰微珠、水性环氧树脂、硫酸钙晶须和混合液混合均匀后，再加入固化剂混合均匀，即得。

7.根据权利要求1‑5任一项所述的涂覆材料的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，将所述涂覆材料用于钢索防腐。

说明书

一种钢索防腐涂覆材料及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种钢索防腐涂覆材料及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 随着工程跨度的不断增加，钢索和斜拉索结构被不断应用，钢索作为受力构件暴露在环境中，极易受到环境影响产生腐蚀、锈蚀等问题，导致承载力降低，进而影响结构可靠度，钢索防腐成为其应用时的必要防护。

[0003] 钢索的防护材料主要包括油脂保护、功能涂料和结构防护，其中油脂保护由于技术更迭逐步退出市场，功能涂料和结构防护为市场的主流产品。

[0004] 现有技术CN101451341A公开了一种环氧涂层钢丝斜拉索，所述斜拉索自内至外依次由钢丝索体、黑色高密度聚乙烯层和彩色高密度聚乙烯护套紧密复合而成，钢丝索体的每根钢丝表面均涂覆有环氧树脂涂层，然而其并未公开具体的环氧树脂涂层原料组成；CN106987043A公开了一种斜拉索大桥钢索保护用耐候彩色聚乙烯复合材料，该复合材料由下述原料按如下质量比制成：聚乙烯树脂50～75；POE弹性体10～25；纳米碳酸钙母粒5～
15；氧化聚乙烯蜡1～4；有机硅酮粉末1～4；光稳定剂GW‑480 0.1～1；无机颜料0.1～1；抗氧剂300# 0.1～1；乙烯基三乙氧基硅烷0.1～1，然而上述材料存在成本高问题；国内外关于钢索用防腐材料的记载有限，防腐材料的重点研究在于水泥基材料和树脂类材料。

[0005] 现有技术CN103045051A公开了一种低温韧性钢筋防腐粉末涂料，其组分及重量百分比为：环氧树脂50‑80％；酚树脂固化剂10‑30％；固化促进剂0.1‑5％；抗腐蚀颜填料3‑30％；粉末涂料助剂1‑5％，CN102101965A公开了钢筋防腐粉末涂料包含：40‑70wt％的环氧树脂、15‑30wt％的固化剂、0.01‑5wt％的固化促进剂、0.2‑3wt％的流平剂和0.5‑3wt％的消泡剂；CN112226125A公开了一种钢筋防锈复合涂料，包括以下重量份的组分：聚苯胺1～2份、乙烯基硅烷12～20份、氯化聚丙烯9～15份、丙烯酸树脂22～35份、二乙氧基苯乙酮0.5～1份、六甲基二硅氮烷3～6份、石蜡5～10份、丙酮30～50份；CN105017823A公开了一种用于混凝土钢筋防锈的水泥基涂料，由水泥、阻锈剂、流平剂、缓凝剂、乙烯‑醋酸乙烯共聚物和水组成，以水泥质量为基准，各组分的重量百分比为：水泥100％，阻锈剂2～3％，流平剂
0.5～1％，缓凝剂0～0.2％，乙烯‑醋酸乙烯共聚物10～25％，水40～60％；CN108975813A公开了一种用于预制混凝土管廊内钢筋防腐的水泥涂料，包括除锈层、防水层和耐热耐寒层，除锈层包括硅酸盐水泥和除锈剂，防水层包括硅酸盐水泥和防水剂，耐热耐寒层包括硅酸盐水泥和耐热耐寒剂，除锈剂或防水剂或耐热耐寒剂和硅酸盐水泥的重量比为1:1.2‑1.5，然而，树脂类材料便于涂覆，然而其存在有机成分高，施工污染性强，耐候性差的缺点，水泥基材料耐老化，但是存在易流挂、易开裂等问题；CN104404502A公开了一种磷酸盐基钢筋防腐涂层，采用如下方式制备而来：1)将氢氧化铝加入磷酸中，在70‑90℃加热保温3‑5h，得到磷酸盐粘结剂；2)以磷酸盐粘结剂为基液，加入醛基树脂改性剂、氧化铁、微硅粉、铝粉和氧化镁研磨搅拌均匀，得到磷酸盐涂料，磷酸盐基钢筋防腐涂层虽然耐海水腐蚀，但其制备工艺复杂，原料存储过程中易分层，存储效果不佳，且在空气环境中易发生开裂，不适用于钢索施工。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种钢索防腐涂覆材料及其制备方法与应用，以解决现有技术中水泥基材料易流挂、易开裂，树脂类材料施工污染性强，耐候性差，部分材料不能同时满足大气和海洋环境耐久性的问题。

[0007] 具体的，本发明钢索防腐涂覆材料，由以下质量份数原料组成：

[0008] 磷酸镁水泥90‑120份；

[0009] 石英粉100‑130份；

[0010] 粉煤灰微珠20‑40份；

[0011] 减水剂0.4‑0.9份；

[0012] 调凝剂1‑1.5份；

[0013] 水性环氧树脂20‑50份；

[0014] 固化剂2‑4份；

[0015] 硫酸钙晶须4‑6份；

[0016] 水20‑40份。

[0017] 优选的，所述磷酸镁水泥由氧化镁和磷酸二氢钾按照M/P值为4‑6的比例混合而成。本发明采用磷酸镁水泥作为主要胶凝材料，相较于普通硅酸盐水泥和快凝水泥，具有环境适应性强、速凝早强、结合力强的优势，抗冻抗盐防腐蚀等耐久性更好，本发明实验过程和工程应用中发现，利用磷酸镁水泥制备的防护材料，其低收缩率的特性有利于对钢索的粘合和握裹，抗裂效果更佳，且可以提高钢索的防腐阻锈能力，其在钢索表面形成的磷酸铁盐类保护层对钢索的保护效果优于普通硅酸盐水泥的碱性对钢索带来的保护。

[0018] 优选的，所述氧化镁由菱镁矿经高温煅烧而成，高温煅烧温度为1200‑1500℃。

[0019] 氧化镁的煅烧温度和M/P摩尔比对磷酸镁水泥力学性能和施工效果影响最大，本发明综合凝结时间和力学性能因素进行优选，其中，M/P值为氧化镁和磷酸二氢钾的摩尔比。

[0020] 优选的，所述石英粉粒径为325‑600目。石英粉作为惰性填料可降低涂覆材料的收缩，并起到一定的抗流挂增稠效果，相较于石英砂，其粒度更细，分散性更好，在材料体系中不易发生分层和沉降，可提高浆体匀质性，有利于材料涂覆施工。

[0021] 优选的，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率≥25%。

[0022] 优选的，所述调凝剂由硼砂、三聚磷酸钠、硫酸铝按质量比2:1:2组成。磷酸镁水泥凝结时间短，根据钢索涂覆施工需要，需要进行凝结时间调整，本发明水性环氧树脂和减水剂的加入对磷酸镁水泥凝结时间产生了影响，经大量实验表明，采用硼砂、三聚磷酸钠、硫酸铝的混合物作为调凝剂，可对涂覆材料凝结时间进行有效调整，满足涂覆施工需要。

[0023] 优选的，所述水性环氧树脂为E44水性乳液、E51水性乳液的至少一种。本发明添加水性环氧树脂作为粘结剂，可提高磷酸镁水泥水化产物空隙，进一步提高涂覆材料的密实度，水性环氧树脂的添加改善了磷酸镁水泥的脆性，提高涂覆材料柔性，可避免因钢索在施工与服役过程中不可避免地产生弯曲、振动而产生涂覆材料开裂，并且，实验过程中发现，酚醛类树脂和丙烯酸类树脂会大幅延长磷酸镁水泥浆液凝结时间，相较于酚醛类树脂，水性环氧树脂对磷酸镁水泥更佳匹配，有利于凝结时间的调控，满足快速涂覆施工的要求。

[0024] 优选的，所述硫酸钙晶须平均粒径为100‑200nm，长径比为90‑100。研究表明，硫酸钙晶须的添加可提高涂覆材料的稠度与和易性，并可以提高涂覆材料的抗裂效果，本发明在实验过程中发现，有机纤维在本发明的材料体系中不易分散且容易导致浆料离析，硫酸钙晶须在本发明材料体系中分散性更好，与浆体水化产物结合力更高，对材料柔韧性提高效果最佳。

[0025] 本发明还涉及上述的钢索防腐涂覆材料的制备方法，包括如下制备步骤：

[0026] 1）按质量份数称取各原料；

[0027] 2）将减水剂和调凝剂与水混合得混合液；

[0028] 3）将磷酸镁水泥、石英粉、粉煤灰微珠、水性环氧树脂、硫酸钙晶须和混合液混合均匀后，再加入固化剂混合均匀，即得。

[0029] 本发明还涉及涂覆材料的应用。优选的，将涂覆材料用于钢索防腐。

[0030] 本发明具有如下技术优势：

[0031] 1.本发明利用磷酸镁水泥作为主要胶凝材料，其主要水化产物为鸟粪石类似结构，凝结时间短，早强效果和耐久性好，收缩率更低，与水性环氧树脂进行配合，磷酸镁水泥遇水首先进行水化形成网状结构，随着体系内水分的减少，水性环氧树脂乳液固化速率加快，对磷酸镁水泥水化产物的空隙进行填补进行聚合物网膜，两种网状产物交织在一起形成互穿致密的基体，从而提高了涂覆材料的密实度，进而提高材料力学性能和耐久性；粉煤灰微珠主要成分为活性二氧化硅和三氧化二铝，其相对于粉煤灰纯度更高，水化活性更好，其在碱性环境中可进行长期水化，从而保证涂覆材料的后期强度和耐久性。

[0032] 2.磷酸镁水泥凝结时间短，为适用钢索涂覆施工需缩短凝结时间，实验中发现但仅仅添加缓凝成分是不够的，由于水性环氧树脂的添加影响了磷酸镁水泥的水化凝结，因此，经大量实验配制出由硼砂、三聚磷酸钠、硫酸铝组成的调凝剂，可满足浆体施工凝结时间的要求。

[0033] 3.石英粉的添加起到微集料效应，进一步提高浆体密实度和稠度，降低涂覆材料的收缩，相较于聚丙烯纤维等有机纤维，硫酸钙晶须表面更为光洁，形状类似针状结构，弹性模量较高，在浆体中更容易分散且可以提高浆体稠度，避免水性环氧树脂的加入对水泥基浆体匀质性的破坏，使浆体在等待施工过程中避免分层离析，并提高硬化体的韧性和力学性能；此外，本发明添加硫酸钙晶须在水泥浆体中发生表面溶解，与体系中活性铝源发生水化反应生成钙矾石，进而增强硫酸钙晶须与硬化体的连接，并起到微膨胀作用堵塞晶须与硬化体的界面缝隙，从而进一步对涂覆材料进行增韧和补强。

具体实施方式

[0034] 以下结合实施例对本发明技术方案进行进一步阐释，但实施例不应作为对本发明保护范围的限制。

[0035] 本发明实施例中磷酸镁水泥由氧化镁和磷酸二氢钾按照M/P值为4的比例混合而成，氧化镁由菱镁矿经高温煅烧而成，高温煅烧温度为1250℃；所述调凝剂由硼砂、三聚磷酸钠、硫酸铝按质量比2:1:2组成；石英粉粒径为325‑600目连续级配；减水剂为减水率28%的聚羧酸减水剂。

[0036] 性能测试包括凝结时间、抗压强度、抗折强度、收缩率、圆环开裂试验，试件尺寸外径140mm，内径90mm，高30mm，由于本发明涂覆材料用于钢索防腐，因此，圆环开裂试验更加趋近于真实使用环境，可以更加直观地评价本发明产品的抗裂性能。

[0037] 实施例1

[0038] 钢索防腐涂覆材料，由以下质量份数原料组成：磷酸镁水泥100份；石英粉110份；粉煤灰微珠40份；减水剂0.6份；调凝剂1.2份；E44水性乳液35份；固化剂3份；硫酸钙晶须5份；水25份。

[0039] 经检测，涂覆材料初凝时间18min，终凝时间35min，3h抗压强度34.5MPa，1d抗压强度47.2MPa，28d抗压强度80.6MPa，28d抗折强度13.9MPa，28d收缩率13×10‑6，圆环开裂试验：120h无开裂。经施工，浆料抗流挂性能好，钢索服役过程涂覆材料无开裂。

[0040] 实施例2

[0041] 钢索防腐涂覆材料，由以下质量份数原料组成：磷酸镁水泥120份；石英粉120份；粉煤灰微珠30份；减水剂0.8份；调凝剂1.5份；E44水性乳液45份；固化剂4份；硫酸钙晶须5份；水34份。

[0042] 经检测，涂覆材料初凝时间21min，终凝时间37min，3h抗压强度38.4MPa，1d抗压强度50.5MPa，28d抗压强度84.1MPa，28d抗折强度14.4MPa，28d收缩率15×10‑6，圆环开裂试验：120h无开裂。经施工，浆料抗流挂性能好，钢索服役过程涂覆材料无开裂。

[0043] 实施例3

[0044] 钢索防腐涂覆材料，由以下质量份数原料组成：磷酸镁水泥90份；石英粉100份；粉煤灰微珠40份；减水剂0.5份；调凝剂1.1份；E51水性乳液45份；固化剂4份；硫酸钙晶须6份；水22份。

[0045] 经检测，涂覆材料初凝时间22min，终凝时间40min，3h抗压强度33.6MPa，1d抗压强度45.9MPa，28d抗压强度77.4MPa，28d抗折强度12.3MPa，28d收缩率11×10‑6，圆环开裂试验：120h无开裂。经施工，浆料抗流挂性能好，钢索服役过程涂覆材料无开裂。

[0046] 对比例1

[0047] 钢索防腐涂覆材料，由以下质量份数原料组成：PO42.5水泥100份；石英粉110份；粉煤灰微珠40份；减水剂0.6份；葡萄糖酸钠1.2份；E44水性乳液35份；固化剂3份；硫酸钙晶须5份；水25份。

[0048] 经检测，涂覆材料初凝时间6h34min，终凝时间12h25min， 3d抗压强度18.5MPa，28d抗压强度58.4MPa，28d抗折强度7.2MPa，28d收缩率247×10‑6，圆环开裂试验：36h开裂。
由于凝结时间长，钢索涂覆成型效果差，保护层厚度不均匀。

[0049] 对比例2

[0050] 钢索防腐涂覆材料，由以下质量份数原料组成：磷酸镁水泥100份；石英粉110份；粉煤灰微珠40份；减水剂0.6份；硼砂1.2份；E44水性乳液35份；固化剂3份；硫酸钙晶须5份；
水25份。

[0051] 经检测，涂覆材料初凝时间2h41min，终凝时间5h35min，1d抗压强度39.5MPa，28d抗压强度71.3MPa，28d抗折强度9.8MPa，28d收缩率126×10‑6，圆环开裂试验：66h开裂。浆料凝结时间长，不利于施工进行。

[0052] 对比例3

[0053] 钢索防腐涂覆材料，由以下质量份数原料组成：磷酸镁水泥130份；石英粉110份；粉煤灰微珠45份；减水剂0.6份；调凝剂1.2份；硫酸钙晶须5份；水30份。

[0054] 经检测，涂覆材料初凝时间5min，终凝时间12min，3h抗压强度26.5MPa，1d抗压强度33.6MPa，28d抗压强度57.9MPa，28d抗折强度9.2MPa，28d收缩率241×10‑6，圆环开裂试验：52h开裂。浆料凝结时间短，施工效果差，保护层出现开裂。

[0055] 对比例4

[0056] 钢索防腐涂覆材料，由以下质量份数原料组成：磷酸镁水泥100份；石英粉110份；粉煤灰微珠40份；减水剂0.6份；调凝剂1.2份；E44水性乳液35份；固化剂3份；聚丙烯纤维5份；水25份。

[0057] 经检测，涂覆材料分层、离析，无法进行成型与施工。

[0058] 对比例5

[0059] 钢索防腐涂覆材料，由以下质量份数原料组成：磷酸镁水泥100份；石英粉115份；粉煤灰微珠40份；减水剂0.6份；调凝剂1.2份；E44水性乳液35份；固化剂3份；水25份。

[0060] 经检测，涂覆材料分层、离析，无法进行成型与施工。

[0061] 对比例6

[0062] 钢索防腐涂覆材料，由以下质量份数原料组成：磷酸镁水泥100份；石英粉110份；Ⅰ级粉煤灰40份；减水剂0.6份；调凝剂1.2份；E44水性乳液35份；固化剂3份；硫酸钙晶须5份；水25份。

[0063] 经检测，涂覆材料初凝时间59min，终凝时间2h26min，1d抗压强度36.1MPa，28d抗压强度65.9MPa，28d抗折强度9.8MPa，28d收缩率164×10‑6，圆环开裂试验：34h开裂。经施工，浆料抗流挂性能一般，钢索服役过程涂覆材料出现开裂。

[0064] 最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：
其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。