长适用期钢结构建筑密封胶防腐性能研究*

刘 强，宁远鸿

（1广西工业职业技术学院 建筑工程学院,广西南宁530001 ;2广西工业职业技术学院 智能制造学院,广西南宁530001）

以往,长适用期钢结构建筑的防腐蚀措施未能引起人们应有的注意,仅进行手工除锈,或喷涂一般底漆和涂料,一段时间后,由于涂料出现透锈、剥落等情况,钢筋容易遭受锈蚀,返修十分困难。防腐蚀层受到破坏是由许多原因引起的,其中,主要因素是涂料材质不耐腐蚀或者涂料施工方式不合理。长适用期钢铁的锈蚀大多源于外部,但是其内部应力变化也会产生锈蚀。因此,开展长适用期钢结构锈蚀事故的分析研究有重要意义。

硅烷改性聚醚胶具备良好的建筑物防水性、透气性、保温施工性能以及耐平均风压力等,而使用其作为钢结构建筑物的密封胶[1-3],需要具备较强的耐久性,很好的抗形位移能力,更高的黏结性、弹性和良好的施工性能等优点[4-5]。何彤等[6]研究了硅烷聚醚改性乳化剂的制备及性能,薛雪雪等[7]研究了单组分硅烷改性聚醚密封胶的制备与性能,但是在钢结构建筑的应用效果较差。因此,以硅烷改性聚醚胶作为长适用期钢结构的建筑密封胶,以研究其防腐蚀特性。

1 试验部分

1.1 试验原材料

MS聚合物；纳米碳酸钙；重质碳酸钙；除水剂；硅烷类偶联剂；锆酸酯类偶联剂；抗老化剂；聚醚多元醇；触变剂；防霉剂；催化剂；抗氧化剂；紫外线吸收剂[8]。

1.2 试验仪器

WDW电子万能拉力试验机；Teclock橡胶硬度计；标准型恒温恒湿试验箱[9]；水-紫外线辐射试验箱；挤出性试验机；粘度计；百分表。

1.3 制备硅烷改性聚醚胶

制备硅烷改性聚醚胶时需将MS聚合物、增塑剂、填料以及其他助剂置于混合器内混合搅拌30min,得到膏状物体[10]；抽取空气到0.5kPa,继续搅拌到温度上升为100℃、含水量下降到0.07%,缓速搅拌至温度下降为50℃,此时在其中加入偶联剂和粘接促进剂并搅拌30min,再溶入催化剂搅拌30min[11-12]。

利用钢板拼接外层覆盖硅烷改性聚醚胶制作试件,养护1天后,试件制作完成。

1.4 测试方法

（1）活期性与不粘期试验

活性期是胶体从开始配制到可涂覆所需的时间,测定标准为HB7752-2004。不粘期是随着硫化程度不断加深胶体逐渐消除对钢板粘性的最短时间,测定标准为HB5242[13]。在干净的玻璃板上放置一份混合均匀的硅烷改性聚醚胶,按照规定要求,用工具以时间间隔为15min、速度为15cm/s的要求进行挑拉,在硅烷改性聚醚胶出现明显回弹时活性期结束[14]。

（2）标准硫化试验

胶体硫化需要达到一定硬度(邵A硬度为30),测定标准为HB5244-1993。将硅烷改性聚醚胶混合均匀(防止大量气泡混入胶内),敷于200mm×60mm×10mm尺寸的钢板表面,待其硫化后,将试样放置在设定50%的湿度(30℃温度)中,在不同温度(湿度)下每天处理20h,取出后放置在标准温度湿度下养护5h,同时测定其邵A硬度值。

（3）粘结强度试验

采用拉力试验机,并依据HB5249-1993检测粘结强度。将混合均匀的硅烷改性聚醚胶养护7d后,继续在不同温度、湿度条件下分别养护1d后,测试其粘结强度。

（4）耐腐蚀试验

对试样进行紫外老化辐射、高温高湿、低温、海水、酸雾以及盐雾的处理,对比测定钢板前后变化。按照JC/483-2006制作硅烷改性聚醚胶试样,基材为钢板,将试样在温度为(20 ± 2)℃、相对湿度为(50 ±5)%条件下养护30d。对试样进行紫外老化、高温高湿、低温、浸海水、酸雾以及盐雾的处理。参考未做任何处理的硅烷改性聚醚胶。在标准环境下通过拉伸试验对处理后的硅烷改性聚醚胶钢板100%拉伸模量与粘结破坏面积进行测试[15]。

2 结果与讨论

2.1 硅烷改性聚醚胶的性能指标

硅烷改性聚醚胶的主要性能指标见表1。

表1 硅烷改性聚醚胶的主要性能Table 1 Main properties of the silane-modified polyether gel

2.2 不同预聚物对常温粘接性能的影响

预聚物为胶体的核心成分,设3种粘度不同的MS预聚物按照粘度排序为1、2、3。其对钢板的粘接性能见表2。

表2 不同粘度预聚物对钢板粘接性能的影响Table 2 Effect of different viscosity prepolymers on the bonding properties of steel plates

由通过表2可知,随着预聚物粘度的增加硅烷改性聚醚胶粘度提升,挤出率降低,断裂伸长率提升。原因是粘度较大的预聚物具有较大的分子质量,其硫化时的交联程度较差,断裂伸长率高。粘度为2的预聚物制备的硅烷改性聚醚胶对钢板的粘接破坏形式为100%内聚,这说明粘度为2的预聚物制备的胶体粘接性能最佳,粘度为3的预聚物制备的硅烷改性聚醚胶粘接破坏形式为界面破坏,所以其粘接性能最差。原因是粘度较大的预聚物会令其与钢板的粘接界面过于湿润从而影响粘接,并且模量提升引起内聚强度增大,当内聚强度比粘接强度大时就会出现粘接破坏的情况。

2.3 填料含量对硅烷改性聚醚胶抗拉力的影响

为了增强硅烷改性聚醚胶强度,选择具有高强抗拉力的CaCO3作为填料。但CaCO3密度较大易产生沉淀,可在制备过程中添加些许防沉剂。分析填料CaCO3含量对硅烷改性聚醚胶抗拉力性能的影响时,需要确保该胶中其它成分的稳定,结果如图1所示。

图1 CaCO3含量对抗拉力强度的影响Fig. 1 Effect of CaCO3 content on the tensile strength

分析图1可得,硅烷改性聚醚胶抗拉力强度和CaCO3用量间具有正相关性。当CaCO3用量在50%以下时,抗拉力强度低于1MPa,在CaCO3用量在70%时,抗拉力强度为2MPa。在实际应用过程中,当硅烷改性聚醚胶制备的填料CaCO3含量达到70%后,硅烷改性聚醚胶的粘度提升的趋势增强,搅拌均匀的难度提升,易难搅匀；在50%以下时,其粘度较低,填料CaCO3容易出现沉降情况,并且成膜发粘不致密,所以CaCO3的质量分数区间为50%左右最合适。

2.4 增塑剂用量对硅烷改性聚醚胶物理性能的影响

用表3描述增塑剂用量对硅烷改性聚醚胶物理性能的影响情况。

表3 增塑剂用量对胶物理性能的影响Table 3 Effects of the plasticizer dosage on the physical properties of the glue

从表3可以看出,由于塑化剂用量的提高,硅烷改性聚醚胶的脆性温度下降。当塑化剂用量为12份时,材料脆性温度可以达到-53℃。同时,由于塑化剂用量的提高造成了胶材坚固性能和拉伸强度的减小、伸长率和压缩永久变形的增加,故选用塑化剂用量为12份时较为理想。

2.5 降黏剂用量对硅烷改性聚醚胶性能的影响

降黏剂选择聚醚多元醇,不同用量的聚醚多元醇对硅烷改性聚醚胶弹性恢复率的影响如图2所示。

图2 胶体弹性恢复率Fig. 2 Collial elastic recovery rate

分析图2可得,聚醚多元醇用量间的取值区间在60% ～ 70%时,弹性恢复率为最大,继续增加其用量,弹性恢复率不断降低。因此,上述用量取值区间是降低硅烷改性聚醚胶粘度的最佳条件。

2.6 防霉剂对硅烷改性聚醚胶性能的影响

硅烷改性聚醚胶中添加防霉剂的量分别是0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%,则基于GB/T 1741-2007标准检测相应硅烷改性聚醚胶的防霉性能,结果见表4。

表4 防霉剂对硅烷改性聚醚胶的防霉性能影响Table 4 Effects of mildew agents on propertie of silane modified polyther gel

分析表4可得,如果硅烷改性聚醚胶中不含防霉剂,则其表面霉菌的覆盖率大概是30%,霉菌清晰可见,样品表面的覆盖率取值区间是[10%,30%],随着防霉剂用量不断提升,霉菌明显减少；如果防霉剂用量取值区间是[0.6%,0.8%],则从霉菌不易直观发现变成在50倍的放大镜下不能发现霉菌。

2.7 差异环境温度对硅烷改性聚醚胶的抗拉力性能影响

表5为差异环境温度对硅烷改性聚醚胶抗拉力强度的影响。

表5 差异环境温度对抗拉力强度的影响Table 5 Effects of the differential ambient temperature on the tensile strength

分析表5可知,不同环境温度下的硅烷改性聚醚胶抗拉力强度差异较大。一定温度区间内,温度与抗拉力强度呈负相关关系,温度降低,抗拉力强度升高。试验发现,在温度达到70℃时,抗拉力强度最低；温度达到-30℃时,抗拉力强度最高,达到15.4MPa,证明硅烷改性聚醚胶的耐低温性能特别好、耐高温性能较差。

2.8 紫外光、高温高湿以及低温对粘接性能的影响

对硅烷改性聚醚胶展开紫外加速老化试验、耐湿热性能试验以及低温试验,结果见表6。

表6 紫外光、高温高湿、低温对粘接性能的影响Table 6 Effects of UV light, high temperature, high humidity and low temperature on the bonding performance

通过表6可以看出,长时间紫外光照射下,硅烷改性聚醚胶的粘度变高,断裂伸长率下降,呈现内聚破坏现象,说明硅烷改性聚醚胶抵抗紫外辐射性能强。

经高温高湿老化研究硅烷改性聚醚胶的耐湿热性能发现,跟随老化时间的延长,硅烷改性聚醚胶的100%模量下降、粘度增加,当老化时间为21d后,粘接破坏形式为界面破坏,原因是硅烷改性聚醚胶的分子结构出现水解或溶胀情况,令强度下降,说明高温高湿环境对 硅烷改性聚醚胶粘接性能影响显著。

对比室温性能,低温下的硅烷改性聚醚胶伸长率有所下降,原因主要是低温下的低聚合反应活性导致不能完全交联,引起聚合度下降,断裂伸长率衰减。但是低温环境下的粘接破坏形式没有发生变化,表示该环境下的硅烷改性聚醚胶后期完全固化,耐寒性较好。

2.9 硅烷改性聚醚胶的耐腐蚀性能

为考察海水、酸雾以及盐雾对钢板的腐蚀情况,将三块试件钢板分别浸泡在海水、酸雾试验箱以及盐雾试验箱中。其中,酸雾、盐雾参照欧标ETAG002规定的方法进行试验,试验完成后,将试件刨开检查,得到结果如图3所示。

图3 钢板的不同腐蚀程度Fig. 3 Different degrees of corrosion of steel plates

图3中,钢板内部均无腐蚀,钢板表面腐蚀程度和浸泡时间具有正相关性,且钢板表面腐蚀率始终较低。通过上述耐腐蚀实验可以看出,通过硅烷改性聚醚胶对钢板进行密封,可构建完善、稳定的防腐系统,可以阻断湿气侵蚀钢板,避免其内部腐蚀,具有较好的钢结构防腐效果。

钢结构的锈蚀一般是从钢铁的表层开始,但在腐蚀介质的影响下,先是在钢铁表面形成层锈,接着再逐渐向里面和深层发展,最后钢锈的厚度愈来愈大,而钢铁结构的截面体积也愈来愈小。钢构件未被侵蚀的材质特性和新金属材料相比基本上没有差异,其抗拉强度、抗压强度等指数基本不会发生变化。但钢结构遭受侵蚀后,其有效受力面积减小,导致整体承重能力衰减,承载能力下降,从而加剧了变形,严重影响了正常应用。为此研究硅烷改性聚醚胶加固前后的钢板承载力情况变化,结果如图4所示。

图4 加固前后的钢板承载力Fig. 4 Bearing capacity of steel plate before and after reinforcement

通过图4可以看出,硅烷改性聚醚胶加固前的钢板经自然老化逐渐被腐蚀,承载力下降,硅烷改性聚醚胶加固后的钢板腐蚀程度始终较低,所以可有效保证钢板的承载力不被影响。

3 结论

通过对长适用期钢结构建筑密封胶的防腐性能进行试验,选用硅烷改性聚醚胶对长适用期钢结构建筑进行密封,可形成完善、封闭、稳定的防腐系统,能够抵御海水、盐雾、酸雾、高温高湿等恶劣环境条件的影响,达到较好的防腐效果,令钢结构更加安全稳固。