專(zhuān)利名稱(chēng)：混凝土鋼筋磷化緩蝕法防腐新工藝的制作方法
混凝土鋼筋磷化緩蝕法防腐新工藝當(dāng)今在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)高速發(fā)展與規(guī)模宏大的基本建設(shè)中，公路橋、海港、堤壩、跨海大橋、石油鉆井平臺(tái)、島礁建設(shè)、樓房建設(shè)等鋼筋混凝土工程中，存在一個(gè)亟待解決的問(wèn)題——鋼筋的腐蝕與防護(hù)。
技術(shù)領(lǐng)域：
:本項(xiàng)技術(shù)在于解決我國(guó)大規(guī)?；窘ㄔO(shè)中，如海港、跨海大橋、公路、鐵路橋、堤壩、島礁、石油鉆井平臺(tái)等的鋼筋混凝土構(gòu)件，由于內(nèi)部的鋼筋被腐蝕而導(dǎo)致混凝土破裂，使混凝土建筑物壽命大大縮短，甚至毀滅，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失與人的生命財(cái)產(chǎn)的危害。本項(xiàng)發(fā)明是解決鋼筋防腐蝕的強(qiáng)有力手段，也是技術(shù)上一個(gè)新的突破。
二、技術(shù)背景:1997年4月我時(shí)任北京郵電大學(xué)教授兼化學(xué)防護(hù)研究所所長(zhǎng)時(shí)，一位多年從事海港碼頭建設(shè)的老工程師專(zhuān)程來(lái)到我所，謀求解決混凝土建設(shè)中存在的問(wèn)題。他講述了在我國(guó)海港碼頭建設(shè)中，鋼筋混凝土遭海水嚴(yán)重腐蝕破壞的情況，以及湛江軍港碼頭被海水侵蝕、造成破損嚴(yán)重重修的情況，嚴(yán)重影響了國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)，希望得到研究解決。彭道儒視國(guó)家的需要為號(hào)角，欣然承諾了他的請(qǐng)求，并隨后即開(kāi)展研究，經(jīng)過(guò)三年多的努力，于2001年8月研究成功從鋼筋除銹到防護(hù)形成了一整套新的工藝，并經(jīng)過(guò)濕熱、鹽霧、工業(yè)大氣、室外暴露等大量試驗(yàn)，取得了優(yōu)良效果，特別是在混凝土板塊模擬海水腐蝕試驗(yàn)取得的優(yōu)良效果，證明切實(shí)可行的情況下，又繼續(xù)從理論上與化學(xué)反應(yīng)機(jī)制上進(jìn)行了更加深入的探討。2002年3月湖南長(zhǎng)沙一工地的承包商又來(lái)求援，他是上海寶山鋼鐵廠建筑工程公司的經(jīng)理，該公司承建了長(zhǎng)沙一座大型國(guó)際展覽館。由于長(zhǎng)沙地處江南，一年中有較長(zhǎng)時(shí)間處于高溫、高濕，又因大氣污染嚴(yán)重、酸雨頻繁，屬惡劣氣候環(huán)境，給全部為鋼架結(jié)構(gòu)的展覽館建設(shè)帶來(lái)很大困難，尤其是室外八根直徑一米多、高二十多米的大型鋼柱與房頂?shù)拇髩K照牌，總面積共兩千平米的鋼鐵表面，直接暴露室外遭受日曬雨淋，銹蝕十分嚴(yán)重。該經(jīng)理說(shuō):“寶鋼本擁有國(guó)內(nèi)一流技術(shù)，材料也是上海最好的，可如今遇上這個(gè)難題，感到束手無(wú)策，因人工除銹很困難，酸洗、噴砂工地上不適用，今天只好來(lái)求援”。本人以上述為海洋建設(shè)而研制的新工藝與新材料，提供該公司使用并到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)操作，意想不到僅兩個(gè)星期之久即圓滿完成了室外全部工程。大大縮短工期，顯著節(jié)約了人力、物力和財(cái)力，且質(zhì)量令人十分滿意，寶鋼的工程師們樂(lè)得贊不絕口，他們說(shuō)從未見(jiàn)過(guò)這么好的新辦法。工程結(jié)束后三年、五年兩次進(jìn)行質(zhì)量檢查拍照，其防護(hù)效果比室內(nèi)的還好，室內(nèi)一年左右出現(xiàn)局部油漆起泡脫落，基底出現(xiàn)銹蝕，而室外的五年后仍完好無(wú)損，有力證明了該項(xiàng)新工藝和新材料有廣泛的實(shí)用價(jià)值。不僅可用于海洋環(huán)境，也可用于惡劣的大氣環(huán)境，其優(yōu)越性下面將從原理與化學(xué)反應(yīng)機(jī)制作詳細(xì)闡明。(一)以往存在的問(wèn)題在海洋工程中西方發(fā)達(dá)國(guó)家早在一百年以前用陰極保護(hù)法和犧牲性陽(yáng)極保護(hù)法對(duì)海船船體進(jìn)行保護(hù)，雖然收到了一定的效果，但起決定作用的最終還是靠油漆涂料才確保了船體使用壽命的延長(zhǎng)。西方國(guó)家上世紀(jì)五十年代開(kāi)始又將陰極保護(hù)法應(yīng)用于海洋建設(shè)的鋼筋混凝土方面，可至今也未見(jiàn)到取得滿意效果的報(bào)道。我國(guó)2006年6月在青島召開(kāi)國(guó)際海洋科技會(huì)議后，也借助于國(guó)際經(jīng)驗(yàn)在跨海大橋上采用陰極保護(hù)，當(dāng)然在短時(shí)間內(nèi)難以作出評(píng)價(jià)。但從我國(guó)上海等地的科研院所的模擬試驗(yàn)的結(jié)果，可以看到陰極保護(hù)法用到鋼筋混凝土上，似乎存在諸多問(wèn)題，就上海某科學(xué)院2011年他們?cè)诤?%的NaCl的人造海水中，模擬陰極保護(hù)對(duì)混凝土鋼筋的保護(hù)效果，試驗(yàn)進(jìn)行100小時(shí)后剖析，鋼筋表面已出現(xiàn)局部腐蝕，形成了黑褐色腐蝕產(chǎn)物。該院還總結(jié)出“陰極保護(hù)法”存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:一是工藝復(fù)雜，施工效率低下；二是初始投資大，費(fèi)用高出其他方法1.4倍以上；三是電極網(wǎng)帶可能產(chǎn)生短路搭接現(xiàn)象。本人還認(rèn)為上海某科學(xué)院僅模擬試驗(yàn)100小時(shí)的結(jié)果，便發(fā)現(xiàn)鋼筋表面局部腐蝕，尚若試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)到300 500小時(shí)，腐蝕情況可能會(huì)變得明顯甚至嚴(yán)重。而在海洋工程或其他工程中，混凝土的壽命至少要達(dá)一二十年以上至百年無(wú)損才好。故本人認(rèn)為這種古老的“陰極保護(hù)法”，應(yīng)用到混凝土工程上絕非萬(wàn)全之策，最多只能象保護(hù)船體一樣，作為一項(xiàng)輔助措施。目前我國(guó)已在新建杭州灣大橋、青島海灣大橋局部使用，雖然處于初試階段，但本人堅(jiān)信要真正解決問(wèn)題，除借鑒國(guó)外好的經(jīng)驗(yàn)以外，要針對(duì)不同的現(xiàn)實(shí)情況，探索出不同的應(yīng)對(duì)策略，那就是立足于走自主創(chuàng)新之路，開(kāi)拓新的途徑，發(fā)明新的材料，創(chuàng)造出新的工藝技術(shù)。( 二)鋼筋磷化緩蝕法防腐的研究目的與適用范圍本項(xiàng)發(fā)明的目的:在于解決鋼筋混凝土中一個(gè)長(zhǎng)期被忽視而又影響廣泛危害極大的核心問(wèn)題一鋼筋腐蝕。當(dāng)前在我國(guó)高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，混凝土工程成了大規(guī)模建設(shè)的基礎(chǔ)，可是根據(jù)科學(xué)研究與大量事例的暴露，混凝土中存在一個(gè)很大的隱患，亟待引起重視，因?yàn)樗梢詫?dǎo)致人身傷亡等惡性事故的發(fā)生，并可造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，根據(jù)中國(guó)工程院本世紀(jì)初對(duì)中國(guó)腐蝕調(diào)查報(bào)告，我國(guó)由于自然環(huán)境對(duì)金屬的腐蝕損失，每年高達(dá)六千億元，如果作好了各部門(mén)各項(xiàng)腐蝕的防護(hù)工作，則可挽回年損失的40 %，故是一件有重大經(jīng)濟(jì)意義的工作。三、“鋼筋磷化緩蝕法”的技術(shù)原理與化學(xué)反應(yīng)機(jī)制(一)金屬腐蝕的內(nèi)因與外因:事物的變化總是由外因通過(guò)內(nèi)因起作用，金屬的腐蝕正是由于外界腐蝕介質(zhì)通過(guò)金屬自身的內(nèi)在因素而發(fā)生的破壞現(xiàn)象?？茖W(xué)上早已發(fā)現(xiàn)金屬中鐵元素的屬性，鐵(Fe)的標(biāo)準(zhǔn)電位-0.440，屬于活潑金屬，鐵原子易失去電子成為鐵離子(Fe_2e — Fe2+)。另外鐵是從鐵礦石(Fe2O3)在高爐中加熱吸收大量熱能冶煉出來(lái)的，自身處于高能不穩(wěn)定狀態(tài)，它會(huì)不斷放出能量，回到原始的(Fe2O3)穩(wěn)定狀態(tài)，因此，鐵在自然環(huán)境中遇上H2O分子與O2分子便發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)并放出能量，形成腐蝕產(chǎn)物Fe2O3.H2O,而后又進(jìn)一步脫水后成為紅棕色鐵銹(Fe2O3)。4Fe+2H20+302 = 2 (Fe2O3.H2O)Fe2O3.H2O — Fe203+H20以上是鋼鐵腐蝕難以克服的本性，是一種自然規(guī)律。影響鋼鐵腐蝕的外因更為復(fù)雜多樣，除了水分子(H2O)與氧分子(O2)為主要腐蝕元兇之外，自然環(huán)境中存在大量C02、SO2, H2S, Cl' Br_等與H2O分子結(jié)合，形成電解質(zhì)溶液，對(duì)鋼鐵就會(huì)產(chǎn)生劇烈的電化學(xué)腐蝕。(二)鋼筋腐蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響
鋼筋在混凝土中如人體的骨骼，起主要支撐作用，大大加強(qiáng)了混凝土的強(qiáng)度與堅(jiān)固性能。因此，一旦鋼筋遭受腐蝕，必然影響混凝土的強(qiáng)度和壽命。但鐵自身存在活潑性與不穩(wěn)定性，又必然會(huì)出現(xiàn)緩慢的或快速的腐蝕，這種腐蝕在混凝土工程中又長(zhǎng)期以來(lái)被人們所忽視，這有多種原因，一是混凝土工程較為粗糙，要求不甚嚴(yán)格；二是多在露天施工，鋼筋有的堆放在泥土地上，有時(shí)遭受日曬雨淋，加上城市工業(yè)大氣的污染，沿海地區(qū)還有鹽霧的侵蝕；三是混凝土工程通常規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼筋用量多，要一一進(jìn)行除銹很難作到。即就在高端建設(shè)中如我國(guó)興建大亞灣核電站時(shí)，一位法國(guó)專(zhuān)家嚴(yán)肅指出，你們的鋼筋都銹蝕了，不符合建核電站的要求。但當(dāng)時(shí)在大亞灣海邊高濕、高溫、高鹽霧環(huán)境中鋼筋的銹蝕是個(gè)極難解決的問(wèn)題。(三)混凝土破損、縮短使用壽命的內(nèi)因與外因鋼鐵腐蝕首先生成的是氫氧化亞鐵(Fe(OH)2)，無(wú)色透明，人眼看不見(jiàn)的薄膜2Fe+2H20+02 = 2Fe (OH2) +2 隨后氫氧化亞鐵 (Fe(OH)2)進(jìn)一步吸收空氣中的氧分子(O2)，氧化成為三氧化二鐵(Fe2O3)分子，并與水結(jié)合成結(jié)晶水分子，成為可見(jiàn)的紅棕色鐵銹層，這時(shí)由Fe變?yōu)镕e2O3.H2O體積增大3 4倍。新生成的Fe2O3.H2O又會(huì)進(jìn)一步分解成Fe2O3和H2O分子，F(xiàn)e2O3分子為松軟的紅棕色顆粒，即常見(jiàn)到的鐵銹。鋼筋在混凝土中由于腐蝕生成Fe2O3.H2O分子，使體積膨脹了 3 4倍，因而對(duì)混凝土產(chǎn)生了強(qiáng)大的對(duì)外膨脹的內(nèi)應(yīng)力，即內(nèi)因。外因則是混凝土構(gòu)件或建筑物，在各種外力作用下如拉、扭、折、擠、撞擊、震動(dòng)等作用，使剛性的混凝土開(kāi)裂至解體，這就是外應(yīng)力的影響。由于內(nèi)應(yīng)力與外應(yīng)力的兩種作用，混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫也是遲早不可避免會(huì)發(fā)生的。在海洋環(huán)境中混凝土一旦有了裂縫，海水灌入，混凝土中的鋼筋直接浸泡在含Cr、Br-等強(qiáng)電解質(zhì)的溶液中，鋼筋遭受強(qiáng)烈的電化學(xué)腐蝕后，混凝土也由此而解體了。這種凸顯的破壞不僅在海洋工程中易出現(xiàn)，許許多多海濱城市的樓房等建設(shè)，由于鹽霧的作用，也會(huì)產(chǎn)生同樣的結(jié)果。此外，遠(yuǎn)離海洋的內(nèi)地的混凝土工程也不是無(wú)問(wèn)題，就像人民大會(huì)堂內(nèi)算是最好的環(huán)境條件，九十年代末也出現(xiàn)過(guò)部分橫梁的混凝土開(kāi)裂，而進(jìn)行大修的問(wèn)題。在內(nèi)地自然環(huán)境中就更容易出現(xiàn)了，例如1999年I月4日重慶市綦江縣城跨越綦河(長(zhǎng)江支流)的人行彩虹橋垮塌，40人遇難的慘事，原因是混凝土抗壓強(qiáng)度不足和焊接縫腐蝕造成；又如2004年11月盤(pán)錦遼河大橋發(fā)生垮塌，與橋面混凝土出現(xiàn)裂縫，雨水沿裂縫滲入侵蝕內(nèi)部的鋼筋，使橋面的承載力顯著下降，稍遇超重車(chē)經(jīng)過(guò)或震動(dòng)造成橋面垮塌恐怕是主要因素之
O特別是我國(guó)在西南地區(qū)大量興建的公路橋、鐵路橋、隧道、堤壩，由于那些地區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地震多發(fā)，還有酸雨侵蝕，地質(zhì)變化所產(chǎn)生的強(qiáng)大外應(yīng)力最易造成橋梁等建筑物開(kāi)裂，而這許許多多混凝土工程中的鋼筋，從未有人做過(guò)防護(hù)處理，腐蝕問(wèn)題早已構(gòu)成了隱患，在外應(yīng)力作用(拉、扭、擠、壓等)下，一旦出現(xiàn)裂縫，雨水特別是酸雨的滲入，內(nèi)部的鋼筋造成電化學(xué)腐蝕，會(huì)嚴(yán)重影響橋梁等建筑物的壽命，甚至出現(xiàn)險(xiǎn)情。故特提請(qǐng)有關(guān)方面注意，應(yīng)多加巡視，一旦發(fā)現(xiàn)某處混凝土有裂縫，應(yīng)隨時(shí)修補(bǔ)，將裂縫堵死，防止雨水滲入。如若在堵縫前設(shè)法注入我所研制的“PS-鋼鐵緩蝕劑”就可制止或減緩內(nèi)部鋼筋的腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命。而今有了新方法新材料，最有效的是在開(kāi)始興建時(shí)，首先作好鋼筋的防護(hù)處理。(四)“鋼筋磷化緩蝕法”的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制鋼筋混凝土工程?；蚧炷令A(yù)制件，通常是在室外或野外露天施工，所用的鋼筋不僅數(shù)量大，也常有局部銹蝕或整體銹蝕，，要解決混凝土的問(wèn)題就在此時(shí)應(yīng)從鋼筋除銹防銹作起，從根本作起。為此，針對(duì)在露天存放和野外施工的各種現(xiàn)實(shí)情況，彭道儒研制出一種命名為“PP-常溫速效磷化劑”，不論任何條件下的施工現(xiàn)場(chǎng)，只要用普通油漆排刷(豬鬃、馬尾刷或尼龍刷)，將該磷化劑溶液刷涂到鋼筋表面，即在30 60分鐘內(nèi)迅速將銹蝕產(chǎn)物(Fe2O3)轉(zhuǎn)化成緊密的磷化物膜，便由此制住了鋼鐵在大氣環(huán)境中的腐蝕，隔兩小時(shí)左右待磷化膜水分干了之后，再用排刷刷涂或噴涂一遍彭道儒研發(fā)的“PS-高效鋼鐵大氣緩蝕劑”，自然晾干2 3小時(shí)，整個(gè)鋼筋防護(hù)工藝即告完成。若鋼筋或其他鋼鐵部件存放時(shí)間長(zhǎng)了，銹層很厚的情況下，用其他方法難以解決時(shí)，采用“PP-常溫速效磷化劑”刷涂一遍，在30 60分鐘后銹層即變得松軟，然后用鋼刷或硬質(zhì)尼龍刷進(jìn)行刷拭，松軟的銹層迅速脫落，剩下難以脫落的即為緊密的磷化膜產(chǎn)物，在此基礎(chǔ)上再刷涂一遍“PP-常溫速效磷化劑”，使膜層增厚。然后又晾干一小時(shí)后，再刷涂或噴涂一遍“PS-高效鋼鐵大氣緩蝕劑”即成。由于研發(fā)上述兩種新材料及其整套新工藝，即構(gòu)成“PC-彭氏混凝土鋼筋保護(hù)法”。上述“PP-磷化劑”與“PS-鋼鐵大氣緩蝕劑”，已在北京昌平溫都水城西沙工業(yè)區(qū)、北京勤思得新材料技術(shù)研究所有限公司批量生產(chǎn)，可隨時(shí)滿足社會(huì)需求。(聯(lián)系電話:010-62282263/5411)(五)“混凝土鋼筋磷化緩蝕法”效能的驗(yàn)證任何有價(jià)值的科研成果，絕非輕而易舉能獲得，本項(xiàng)新方法新工藝是彭道儒教授多年的科研經(jīng)驗(yàn)和近幾年的努力研究出新材料與成套的新工藝，從材料合成后，通過(guò)幾年的室外試驗(yàn)、室外暴露試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、鋼筋混凝土模塊在人造海水中的模擬試驗(yàn)等一系列工作，取得圓滿成功后才得以形成。又經(jīng)過(guò)在惡劣氣候環(huán)境中大型展館的鋼架結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，取得優(yōu)良效果后，才加以充分肯定。尤其重要的是在鋼筋混凝土模擬在海水中浸泡的結(jié)果，得到了真實(shí)的驗(yàn)證。我所工程師將建筑用水泥按施工標(biāo)準(zhǔn)，做成兩個(gè)試塊，試塊尺寸為30cmX20cmX5cm，其中一塊埋入未經(jīng)防腐處理、作空白對(duì)比的螺紋鋼筋Φ14πιπιΧ200mm的螺紋鋼筋4根，每根鋼筋間距為4cm。另一水泥試塊中，埋入經(jīng)過(guò)本方法進(jìn)行過(guò)防腐處理的、同樣尺寸的螺紋鋼筋4根，然后進(jìn)行如下模擬腐蝕試驗(yàn)。按自然海水含鹽(NaCl)量3 5 %的比例，稱(chēng)取海鹽配制成含NaCl 5%濃度的人造海水。注入塑料桶中。然后將上述兩塊試件一起插入塑料桶內(nèi)鹽水中浸泡，并記錄起點(diǎn)時(shí)間，然后每天進(jìn)行觀察，如水分蒸發(fā)了及時(shí)補(bǔ)充，維持鹽水濃度保持5%不變。如此進(jìn)行了50天共計(jì)1200小時(shí)的試驗(yàn)后，從水泥試塊中取出鋼筋，作細(xì)致的分析檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果:經(jīng)過(guò)“磷化緩蝕法”處理的4根鋼筋光亮如新，幾乎無(wú)腐蝕跡象。未經(jīng)處理的4根鋼筋表面已經(jīng)生產(chǎn)大量黑褐色產(chǎn)物(FeCl3)。由此證明“磷化緩蝕法”在極為嚴(yán)酷的海洋環(huán)境中，對(duì)混凝土中鋼筋的防護(hù)具有凸顯的效果，經(jīng)過(guò)1200小時(shí)試驗(yàn)，無(wú)腐蝕跡象，它明顯地超過(guò)“陰極保護(hù)法”的效能(上海某科學(xué)院用陰極保護(hù)法只進(jìn)行100小時(shí)試驗(yàn)，便已出現(xiàn)腐蝕)，故本項(xiàng)發(fā)明在建筑工程中可能成為一個(gè)有突破性的先進(jìn)技術(shù)與先進(jìn)方法。
權(quán)利要求
1.本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù)特征，是應(yīng)用彭道儒發(fā)明的“PS-鋼鐵大氣緩蝕劑”和他研發(fā)的“PP-常溫速效磷化劑”兩種新材料，對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹防銹，使鋼筋得到有效保護(hù)，從而防止混凝土構(gòu)件與混凝土工程中由于內(nèi)部鋼筋腐蝕而破壞，達(dá)到保護(hù)與延長(zhǎng)鋼筋混凝土建筑物(橋梁、堤壩、海港、樓房等)的壽命與人身安全的目的。
由上述構(gòu)想所形成的工藝方法，請(qǐng)求保護(hù)。
2.“PS-鋼鐵大氣緩蝕劑”與“PP-常溫速效磷化劑”的化學(xué)成分與配方不容仿造，請(qǐng)求保護(hù)。
全文摘要
“混凝土鋼筋磷化緩蝕法”，在于保護(hù)鋼筋混凝土中的鋼筋不遭受海水與工業(yè)大氣等因素的腐蝕，從而保護(hù)混凝土構(gòu)件及混凝土工程，不至因?yàn)殇摻畹母g膨脹，造成混凝土開(kāi)裂至瓦解，而嚴(yán)重影響鋼筋混凝土建成的橋梁、堤壩、港口、樓房等建筑物的壽命與人身安全等問(wèn)題。
文檔編號(hào)E02D31/06GK103161182SQ20111040785
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月9日
發(fā)明者彭道儒 申請(qǐng)人:彭道儒