丁苯膠乳復(fù)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(xué) 工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.中鐵八局集團(tuán)第一工程有限公司，重慶 400053)

瀝青具有良好的防腐性[1]，同時(shí)造價(jià)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(shí)還能夠減少施工造價(jià)，節(jié)約能源。

瀝青經(jīng)過機(jī)械攪拌并經(jīng)過乳化處理，擴(kuò)散到水中，就形成常溫下黏度很小、流動(dòng)性很好的乳化瀝青[2]。乳化瀝青與丁苯膠乳形成穩(wěn)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(fù)合使用，可以用作建筑屋頂?shù)姆浪鹊萚3-5]。本文系統(tǒng)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(jìn)行評測，以期在建筑等領(lǐng)域能夠提供價(jià)廉性能優(yōu)良的防腐涂料新產(chǎn)品，同時(shí)提供一種新型建筑防腐涂料技術(shù)[6]。

1 實(shí)驗(yàn)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(dāng)量為310)、FR-1021V復(fù)合型阻燃劑均為工業(yè)級；正庚烷，化學(xué)純；陰離子型乳化瀝青，上海途達(dá)瀝青有限公司；70#瀝青，韓國SK公司生產(chǎn)；分散劑(白色粉末狀，熔點(diǎn)160～180 ℃)，分析純。

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

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(jìn)行溶脹，使其成為分散的顆粒。再按質(zhì)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(jī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%(丁苯橡膠母體乳化瀝青質(zhì)量總和)的分散劑，持續(xù)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(fù)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(fù)配乳化瀝青防腐涂料配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

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(shí)流動(dòng)性良好，以便于其互相充分分散。表1中復(fù)合阻燃劑占固化劑質(zhì)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(qiáng)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(shí)干時(shí)間相差約180 min。本文所指固化時(shí)間均為實(shí)干時(shí)間。

1.3 性能測試

1.3.1 涂層的基礎(chǔ)性能 分別按GB/T 1763—1979《漆膜耐化學(xué)試劑性測定法》和GB/T 9286—1998《色漆和清漆 漆膜的劃格試驗(yàn)》測試涂層的耐酸堿性和附著力；按照GB/T 9978—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》測試構(gòu)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(gòu)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(gòu)件采用立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)。在經(jīng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(gòu)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(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以評價(jià)其抗剝落性能?？箘兟鋵?shí)驗(yàn)示意簡圖見圖1。當(dāng)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(jié)界面進(jìn)行拉伸即X軸上f1，其主要用來評價(jià)界面水平受力狀態(tài)；第二種拉伸方式為垂直于粘結(jié)界面進(jìn)行拉伸即Y軸上f2，其主要用來評價(jià)界面垂直受力狀態(tài)。

圖1 丁苯膠乳復(fù)配乳化瀝青防腐涂料抗剝落受力簡圖

2 結(jié)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(shí)，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(dāng)丁苯膠乳與乳化瀝青的質(zhì)量比為7∶3時(shí)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(jìn)行侵蝕，降低了兩種材料間的表面粘結(jié)，使得表面活化能降低，同時(shí)鹽分的溶脹作用使得膠乳產(chǎn)生變形，體積增大，因此出現(xiàn)了防腐材料的起泡；耐酸性可達(dá)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(huán)境作用下，酸性腐蝕膠乳，從而瀝青和膠乳界面出現(xiàn)粘結(jié)力降低出現(xiàn)起泡；耐堿性可達(dá)7 d，相比于耐鹽和耐酸，防腐涂料性能降低明顯，主要因?yàn)闉r青偏酸性，與堿性作用發(fā)生明顯的化學(xué)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?yàn)楣袒笤诓牧媳砻嫘纬闪苏辰Y(jié)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?yàn)楣袒瘎┡c丁苯橡膠和乳化瀝青形成三相間牢靠粘結(jié)薄膜，從而防腐性能提高，但固化時(shí)間卻逐漸縮短，不利于施工。結(jié)合實(shí)際施工時(shí)間要求(60～80 min固化)，這不僅為鋼結(jié)構(gòu)的拼裝、混凝土結(jié)構(gòu)加固等施工預(yù)留了一定時(shí)間，而且能在未固化之前檢查涂層的完整性，以便對構(gòu)件薄弱處進(jìn)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(shí)均可達(dá)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?yàn)橥苛虾穸忍?，層間粘結(jié)力不足，涂料厚度太大，層間空隙增加，粘結(jié)力降低。因此，防腐涂料涂層厚度在100 μm有最好的粘結(jié)性能。

表4 丁苯膠乳復(fù)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(jié)構(gòu)以及混凝土等結(jié)構(gòu)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，溫度效應(yīng)會(huì)令其發(fā)生結(jié)構(gòu)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(yīng)具有良好的耐火阻燃性能，這不僅為疏散人群提供了時(shí)間，而且能減少因構(gòu)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(gòu)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(gòu)件受熱溫度測量值

由表5可知，采用7∶3的丁苯膠乳復(fù)配乳化瀝青，固化劑用量16%，涂層厚度為100 μm，建筑用復(fù)合型阻燃劑用量5%制備成的防腐涂料，耐火阻燃時(shí)間長達(dá)40 min，火焰?zhèn)鞑ケ戎祪H為3，質(zhì)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(yōu)良。由表6可知，鋼結(jié)構(gòu)翼緣內(nèi)側(cè)溫度與表層涂層溫度一致，相同檢測結(jié)構(gòu)溫度的時(shí)間下，翼緣溫度較表層溫度低，主要因?yàn)殍F的膨脹指數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)大，傳熱快，在外部撤離火源時(shí)，能夠?qū)⒁砭墱囟葌髦粮拱逄?，腹板縱向剛度較大，承載力較翼緣強(qiáng)，仍能保持良好的結(jié)構(gòu)性能；而混凝土構(gòu)件內(nèi)部溫度較涂層表面低，主要因?yàn)榛炷翗?gòu)件導(dǎo)熱性差，在火源作用時(shí)間較短情況下，表層溫度還未傳至內(nèi)部，但混凝土自身降溫緩慢，在相同的時(shí)間內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)降溫可達(dá)4.27 ℃/min，而混凝土降溫速率僅為3 ℃/min。綜上，丁苯膠乳復(fù)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(gòu)件，需要注意溫度聚集和散熱，必要時(shí)可在表層灑水，增加散熱；對于鋼結(jié)構(gòu)需要做好隔熱處理，避免外部溫度迅速傳至結(jié)構(gòu)損壞薄弱結(jié)構(gòu)如翼緣等。

2.4 防腐涂料的抗凍融性能

凍融循環(huán)條件：首先將水制冷成冰，保持凍融機(jī)溫度達(dá)到0 ℃，然后放置立方體涂層試件，保持凍融機(jī)繼續(xù)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(gè)循環(huán)周期，以此條件下循環(huán)70 h，即為5個(gè)周期。測量每一個(gè)周期凍融循環(huán)下對試件的抗剝落性能，結(jié)果見表7。

表7 凍融循環(huán)條件下防腐涂料的抗剝落性能

由表7可知，在凍融循環(huán)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(fā)生0.5 mm的滑動(dòng)，Y滑移位移在3次凍融作用下直接發(fā)生斷裂，并未發(fā)生滑動(dòng)，說明凍融循環(huán)對材料的抗剝落性能影響較大；隨著循環(huán)次數(shù)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(fā)生斷裂的凍融次數(shù)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(shí)，到達(dá)其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，材料狀態(tài)發(fā)生變化，循環(huán)5次后，材料分子發(fā)生“水老化”，鏈段發(fā)生變化，因此防腐材料的抗剝落性能下降。

3 結(jié)論

(1)固化劑用量25%時(shí)，7∶3的丁苯膠乳復(fù)配乳化瀝青具有最優(yōu)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(shí)，其固化時(shí)間以及耐酸堿等性能最優(yōu)。

(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(shí)，其水平抗滑移和垂直拉拔均具有最好的性能。

(4)復(fù)合型阻燃劑用量5%時(shí)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(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)在噴涂丁苯膠乳復(fù)配乳化瀝青防腐涂料時(shí)，在火災(zāi)或者溫度較高作用持續(xù)下，對混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行灑水散熱，對鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行隔熱處理，同時(shí)凍融循環(huán)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(shí)。