專利名稱：包括水泥基質(zhì)和鍍鋅金屬元件的增強結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用鍍鋅金屬元件增強的水泥基質(zhì)，和涉及用于增強水泥基質(zhì)的鍍鋅金屬元件。
本發(fā)明進一步涉及在采用鍍鋅金屬元件增強的混凝土的硬化過程中抑制氫氣放出的方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，包含金屬元件如鋼纖維的鋼筋混凝土例如可以給予基質(zhì)所需的拉伸特性。
由于裸露的鋼纖維會遭受腐蝕，因此建議使用鍍鋅鋼纖維以便賦予纖維長期的耐腐蝕性。鍍鋅的增強性鋼元件尤其適用于增強用于建造目的的混凝土，其中鋼筋混凝土在建造開始之前將暴露于氣相條件下，例如在預(yù)制建造中。
然而，在混凝土中使用鍍鋅鋼纖維產(chǎn)生的問題是在混凝土硬化過程中，鋼元件的鍍鋅表面將與堿性混凝土反應(yīng)以形成鋅鹽，伴隨著氫氣的放出。
氫氣放出導(dǎo)致美學問題以及強度和耐久性的問題。
由于氫氣在金屬元件和混凝土的界面處放出，金屬元件和混凝土之間的粘結(jié)強度降低。這導(dǎo)致鋼筋混凝土的強度降低。
由于鋅或鋅合金鍍層在堿性環(huán)境中的反應(yīng)，鋅或鋅合金鍍層的厚度減少，從而導(dǎo)致耐久性的問題。
混凝土中的鍍鋅鋼纖維的問題描述于“Effect ofchemical-physical interaction between galvanized steel fibresand concrete”，T.Belleze，R.Fratesi，C.Failla，6thRILEMSymposium on Fibre-Reinforced Concretes(FRC)BEFIB 2004，20-22September 2004，239-248。
為防止氫氣的放出，可以鈍化鋅表面。這可以通過用鉻基化合物處理鍍鋅鋼元件而實現(xiàn)。天然存在于混凝土中的鉻酸鹽也可以足夠保護鍍鋅鋼元件。
然而，近年來人們已經(jīng)認識到六價鉻引起的嚴重環(huán)境問題和健康問題。因此，已經(jīng)嚴格限制了六價鉻在眾多工業(yè)工藝及產(chǎn)品如水泥和混凝土中的使用量。
其它保護鍍鋅鋼的嘗試包括施涂環(huán)氧樹脂涂層到鍍鋅鋼上。涂有環(huán)氧樹脂涂層的鍍鋅鋼用于增強混凝土例如描述在JP 53-078625中。
環(huán)氧樹脂涂層可以單獨作為阻擋層起到隔離腐蝕性環(huán)境的作用。如果環(huán)氧樹脂涂層中存在缺陷，侵蝕劑可以通過該缺陷滲透過阻擋層，腐蝕將集中在這些區(qū)域上。涂層中的缺陷將因此引起局部的氫氣放出，并將導(dǎo)致粘結(jié)強度的損失。
因為薄膜必須沒有孔隙、裂紋和受損區(qū)域，環(huán)氧樹脂涂層的完整性因此是重要的。
環(huán)氧樹脂涂層易碎。因此，環(huán)氧樹脂涂布的金屬元件在儲存、輸送和處理時必須非常小心地處理。
因為增強元件在混凝土中的混合是劇烈的操作，從而增強元件表面上的局部損壞是不可避免的，對于混凝土的增強而言，使用環(huán)氧樹脂涂布的金屬元件不是一個好的選擇。
已經(jīng)試驗了許多本領(lǐng)域已知的緩蝕劑如磷酸鹽、硅酸鹽、硅烷、碳酸鹽和碳酸、硫化物和巰基衍生物、胺和磺酸鹽。 然而，這些緩蝕劑沒有產(chǎn)生滿足要求的結(jié)果，因為它們不能避免氫氣的放出。
因此，在不使用鉻化合物并且不需要100％密閉的阻擋性涂層的條件下獲得對鋅或鍍鋅金屬元件的充分保護仍然是一個問題，并且仍然需要有效的方案。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的是提供包括水泥基質(zhì)和鍍鋅金屬元件的增強結(jié)構(gòu)，避免現(xiàn)有技術(shù)的缺點。
本發(fā)明的另一個目的是提供不含六價鉻的增強結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的又一個目的是提供用于增強水泥基質(zhì)的鍍鋅金屬元件。
本發(fā)明的仍然又一個目的是提供抑制在水泥基質(zhì)硬化過程中分散在水泥基質(zhì)中的鍍鋅金屬元件界面處放出氫氣的方法。
此外，本分明的一個目的是提供提高分散在水泥基質(zhì)中的鍍鋅金屬元件的短期腐蝕保護的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了包括水泥基質(zhì)和鍍鋅金屬元件的增強結(jié)構(gòu)。
將鍍鋅金屬元件引入水泥基質(zhì)中，并被水泥基質(zhì)包圍，產(chǎn)生鍍鋅金屬元件-水泥基質(zhì)的界面。
根據(jù)本發(fā)明的增強結(jié)構(gòu)包括至少位于鍍鋅金屬元件和水泥基質(zhì)的界面處的給予鍍鋅金屬元件陰極保護的化合物。該化合物選自咪唑、三唑和四唑。
該化合物的主要功能是在該增強結(jié)構(gòu)的混合、傾倒、固化和/或硬化過程中避免在鍍鋅金屬元件和水泥基質(zhì)界面處的氫氣放出。
其中金屬元件的鍍鋅表面需要保護的關(guān)鍵時期是水泥基質(zhì)進行硬化的時期，即澆鑄后的第一個24小時直到第一個72小時。
為獲得鍍鋅金屬元件的充分保護，根據(jù)本發(fā)明的化合物優(yōu)選以0.005～2％的濃度存在，例如為0.04～0.2％。該濃度是相對于用于制備水泥基質(zhì)的混合水以wt％表示。
在本發(fā)明優(yōu)選的實施方案中，咪唑包括甲硅烷基-咪唑如N-(三甲基甲硅烷基)-咪唑或苯并咪唑，如2-巰基苯并咪唑或2-巰基-1-甲基苯并咪唑。
在根據(jù)本發(fā)明的增強結(jié)構(gòu)中，該化合物必須至少存在于鍍鋅金屬元件和水泥基質(zhì)的界面處。
任何能夠使得該化合物存在于鍍鋅金屬元件和水泥基質(zhì)的界面處的技術(shù)均可以考慮用于施用該化合物。
在第一個實施方案中，在將這些金屬元件引入水泥基質(zhì)之前，將該化合物施用在鍍鋅金屬元件上。例如，在將這些金屬元件引入水泥基質(zhì)之前，可以將該化合物摻入施涂在鍍鋅金屬元件上的涂層中。
例如，在將這些金屬元件引入水泥基質(zhì)之前，將該化合物加入施涂在鍍鋅金屬元件上的粘結(jié)劑中。
在可選實施方案中，將該化合物加入到水泥基質(zhì)中或加入到水泥基質(zhì)的至少一種成分中，和將鍍鋅金屬元件引入到包含該化合物的水泥基質(zhì)中。
根據(jù)本發(fā)明的增強結(jié)構(gòu)的巨大優(yōu)點在于該增強結(jié)構(gòu)不含六價鉻，因為不需要六價鉻保護鍍鋅金屬元件。這意味著金屬元件不需要采用鉻基化合物處理。
根據(jù)本發(fā)明的增強結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點在于在使用不含六價鉻的水泥的情況下，鍍鋅金屬元件也獲得了良好保護。
到目前為止，即使不添加鉻基化合物來保護鍍鋅金屬元件，鍍鋅金屬元件也可以利用天然存在于水泥中的鉻。正在實行新法規(guī)以限制六價鉻在水泥中的含量，以便將與鉻酸鹽相關(guān)的過敏性皮炎減到最低程度。因此，水泥基質(zhì)中的鍍鋅金屬元件不再能利用天然存在于水泥中的鉻。
為獲得不合六價鉻的水泥，水泥生產(chǎn)者發(fā)展了技術(shù)，例如計量加入硫酸亞鐵。硫酸亞鐵的加入顯著提高了氫氣的放出量。
本發(fā)明的巨大優(yōu)點是在使用不含六價鉻的水泥的情況下以及在水泥中計量加入硫酸亞鐵的情況下也可以阻止氫氣的放出。
為了本發(fā)明的目的，“水泥基質(zhì)”應(yīng)該理解為除了金屬元件之外的基質(zhì)材料。水泥基質(zhì)可以包括任何包含水泥的材料，例如混凝土或砂漿。
“金屬元件”應(yīng)該理解為增強水泥基質(zhì)的元件。
金屬元件可以包含任何類型的金屬增強元件，如金屬線、金屬繩、金屬纖維、金屬條、金屬板或金屬網(wǎng)。
金屬元件可以用現(xiàn)有技術(shù)已知的任何金屬或金屬合金制造。金屬元件優(yōu)選是鋼制的。
增強水泥基質(zhì)的金屬元件優(yōu)選是鋼纖維，尤其是由申請人NVBekaertSA以商標名DRAMIX出售的。
主要地，使用拉伸強度例如為500～3000N/mm2的鋼纖維。
使用的纖維可以是例如直線狀。優(yōu)選地，纖維具有利用拉伸應(yīng)變相當難于將它們從硬化水泥基質(zhì)上拉出的形狀。因此，例如，纖維具有鉤狀末端、纖維是波紋狀的或它們的橫截表面沿著長度方向變化。
對于鋼纖維而言，厚度或直徑優(yōu)選在0.1～1.2mm之間變化。由于實踐和經(jīng)濟原因，鋼纖維的長度-直徑比主要為10～200，優(yōu)選最低值至40。對于非直線狀纖維而言，長度是纖維末端之間的直線距離，而直徑沿著長度方向變化的纖維的直徑定義為整體長度上的平均直徑。
鍍鋅金屬元件可以具有鋅或鋅合金鍍層。
作為鋅合金鍍層，可以考慮例如Zn-Fe、Zn-Ni、Zn-Al、Zn-Mg、Zn-Mg-Al合金。
優(yōu)選的鋅合金鍍層是包括2～15％Al的Zn-Al合金鍍層。
可能得，可以加入0.1～0.4％的稀土元素，如Ce和/或La。
根據(jù)本發(fā)明的增強結(jié)構(gòu)可以用于現(xiàn)有技術(shù)已知的任何應(yīng)用，如預(yù)制建造、橋梁、建筑、隧道、停車場、海上石油平臺等。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供用于增強水泥基質(zhì)的鍍鋅金屬元件。鍍鋅金屬元件被涂布含有選自咪唑、三唑和四唑的化合物的層。
該涂層包括例如含有所述化合物的粘結(jié)劑。
金屬元件可以包含任何類型的金屬增強元件，如金屬線、金屬繩、金屬纖維、金屬條、金屬板或金屬網(wǎng)。
金屬元件可以用現(xiàn)有技術(shù)已知的任何金屬或金屬合金制造。金屬元件優(yōu)選是鋼制的。優(yōu)選的金屬元件是鋼纖維。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面提供抑制氫氣在嵌入水泥基質(zhì)中的鍍鋅金屬元件的界面處放出的方法。
該方法包括以下步驟提供鍍鋅金屬元件，將所述鍍鋅金屬元件引入水泥基質(zhì)中，和用選自咪唑、三唑和四唑的化合物處理所述鍍鋅金屬元件和/或所述水泥基質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的方法在增強結(jié)構(gòu)的混合、澆鑄、固化和/或硬化過程中避免了氫氣放出。
其中金屬元件的鍍鋅表面需要保護的關(guān)鍵時期是水泥基質(zhì)進行硬化的時期，即澆鑄之后的第一個24小時直到第一個72小時。
利用所述化合物的處理可以包括任何能夠使鍍鋅金屬元件和水泥基質(zhì)至少在它們的界面處與上述化合物接觸的技術(shù)。
例如，該化合物可以加入到水泥基質(zhì)中。
可選地，該化合物可以通過在將該鍍鋅金屬元件引入水泥基質(zhì)之前施涂含有該化合物的涂層到鍍鋅金屬元件上而加入。
在優(yōu)選的實施方案中，在將鍍鋅金屬元件引入水泥基質(zhì)之前，該化合物可以加入到施涂在鍍鋅金屬元件或大量鍍鋅金屬元件上的粘結(jié)劑中。
現(xiàn)有技術(shù)眾所周知將金屬元件如鋼纖維以帶狀形式引入到水泥基質(zhì)中，其中纖維通過粘結(jié)劑粘接在一起。使用上述條狀纖維避免了在混合運動過程中所述纖維聚結(jié)成球，相反地，上述纖維被平均地分布。
以下述方式選擇粘結(jié)劑一旦將其添加到水泥基質(zhì)中它可以溶解、熔化、軟化或機械斷裂，使得帶狀纖維分離成單獨的纖維并平均地分布在整個水泥基質(zhì)中。
通過加入根據(jù)本發(fā)明的化合物，保證了鍍鋅金屬元件的短期腐蝕保護，即在水泥基質(zhì)硬化過程中的腐蝕保護。
附圖簡述本發(fā)明將參考以下附圖更詳細的描述，其中-

圖1舉例說明在新調(diào)制的建造基質(zhì)中的電位測量；-圖2顯示三種不同樣品隨時間變化的開路電位(OCP)。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案在根據(jù)本發(fā)明的增強結(jié)構(gòu)中，將鍍鋅金屬元件嵌入水泥基質(zhì)如混凝土中。
濕混凝土起到其中可能發(fā)生腐蝕的電介質(zhì)的作用。
水能夠分解為氫氣和氧氣。水的分解是電化學氧化還原反應(yīng)，它在一定電位下發(fā)生。根據(jù)Nernst定律，發(fā)生分解的電化學電位通過pH確定。
形成氫氣的水的分解電位根據(jù)Nernst定律如下EH2=EH20-0.059*pH]]>其中相對標準氫電極，EH20=0]]>形成氧氣的水的分解電位根據(jù)Nernst定律如下EO2=EO20-0.059*pH]]>其中相對標準氫電極，EO20=+1.226V]]>E0或標準電位的列表可以由“The handbook of Chemistry andPhysics”，the electrochemical series，p.D151-D158，67th版，1986中查到。
為pH的函數(shù)的水分解電位描述在“Atlas of electrochemicalequilibria in aqueous solutions by Marcel Pourbaix-Cebelor”，2nd版1997，p.98-105中。
當強電負性元素如鋅、鋁或鎂暴露于水時，該元素具有如在標準ASTM G15-93中所定義的開路電位。該開路電位也稱為靜止電位或標準電位。高pH值時，開路電位降低到低于氫氣放出的電位，因此引發(fā)氫離子的還原，導(dǎo)致氫氣放出?；趯⒉牧媳┞队谄渲械沫h(huán)境的pH測量，計算氫氣的放出。
水泥基質(zhì)的pH根據(jù)試驗方法ASTM G51-95測量。在腐蝕試驗中，該方法包括測定土壤pH的過程。為了本申請的目的，將試驗方法ASTMG51-95應(yīng)用于水泥基質(zhì)代替土壤。
對于包括一份水泥和四份砂子(代替土壤，根據(jù)ASTM51-95)的樣品，發(fā)現(xiàn)pH為13.04。
根據(jù)Nernst定律，計算EH2
EH2=-0.7694V]]>(相對標準氫電極電位)這意味著當被引入此類水泥基質(zhì)的增強材料的開路電位降低到低于數(shù)值-0.7694V時，氫氣將形成。
開路電位可以容易地在建造材料的原位測量，例如澆鑄水泥基質(zhì)之后的第一個小時期間。其中放出氫氣是有害的最關(guān)鍵時期是澆鑄之后的第一個24小時直到第一個72小時。
一旦復(fù)合材料硬化，氫氣放出的風險是可忽略的。
開路電位可以根據(jù)標準ASTM C876在原位測量。然而在例如圖1所示的小樣品中測量開路電位更為合適。根據(jù)標準ASTM G3-89(94)使用該設(shè)備。鍍鋅金屬元件12嵌入水泥基質(zhì)14中。鍍鋅金屬元件12和參比電極16之間的電位利用靜電計或高阻抗伏特計18測量。
為評價根據(jù)本發(fā)明的增強結(jié)構(gòu)，比較了三種不同樣品。三種樣品全部包含通過混合一份CEM II42.5R水泥與四份砂子和五份水獲得的水泥基質(zhì)。
三種樣品用不同的金屬元件增強-樣品1包括未處理的鋼纖維，-樣品2包括鉻處理的鋼纖維，和-樣品3包括用苯并咪唑處理的鋼纖維。
測定水泥基質(zhì)的pH。發(fā)現(xiàn)pH值為12.25。
根據(jù)Nernst定律，EH2測定為 EH2=-0.7228V]]>(相對標準氫電極電位)測量三種樣品隨時間變化的開路電位，結(jié)果見圖2。樣品1的開路電位由線21給出，樣品2的開路電位由線22給出，樣品3的開路電位由線23給出。
約24小時之后，未處理的樣品(樣品1)的開路電位降低到低于氫氣放出的電位，導(dǎo)致氫氣的放出。
對于其它兩種樣品(樣品2和樣品3)，開路電位保持在氫氣放出電位之上。因此，沒有氫氣產(chǎn)生。
為了評價鋼筋混凝土在載荷下的性能，根據(jù)Belgian NBNB15-238(L＝450mm)對采用鋼纖維增強的兩種不同混凝土樣品進行載荷試驗，確定常規(guī)撓曲強度(Ff，300和Ff，150)。
用鋼纖維增強的梁(150×150×500mm)進行了該試驗。
該混凝土組成與樣品1和2相同。
鋼纖維的添加量是20和40kg/m3。
加入到樣品1～2混凝土中的鋼纖維以不同的方式處理-樣品1包括利用根據(jù)本發(fā)明的緩蝕劑處理的鍍鋅鋼纖維；-樣品2包括沒有進一步處理的鍍鋅鋼纖維。
進行載荷試驗之前，該梁在潮濕大氣中貯存28天。
載荷試驗的結(jié)果見表1添加量為20kg/m3，和表2添加量為40kg/m3。
表1
表2
由表1和表2可以得出結(jié)論樣品1是最好的。
樣品1和2之間的韌性顯著增加。根據(jù)本發(fā)明處理的鍍鋅鋼纖維相比沒有處理的鍍鋅鋼纖維產(chǎn)生約10-40％的韌性增加，例如30％。
這表明由于氫氣放出，樣品2的水泥基質(zhì)顯著地削弱。
因為韌性是混凝土在第一次開裂之后支撐載荷的能力的量度，樣品1的增強纖維將能夠在載荷下在更高的水平下將裂縫保持在一起。
權(quán)利要求
1.一種包括水泥基質(zhì)和鍍鋅金屬元件的增強結(jié)構(gòu)，所述增強結(jié)構(gòu)至少在所述鍍鋅金屬元件和所述水泥基質(zhì)的界面處用給予所述鍍鋅金屬元件陰極保護的化合物處理，所述化合物選自咪唑、三唑和四唑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增強結(jié)構(gòu)，其中所述化合物以0.005～2wt％的濃度存在，其中該濃度相對于用于制備水泥基質(zhì)的混合水表示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的增強結(jié)構(gòu)，其中所述增強結(jié)構(gòu)不含六價鉻。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的增強結(jié)構(gòu)，其中所述咪唑包括苯并咪唑。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的增強結(jié)構(gòu)，其中在被引入所述水泥基質(zhì)之前，所述鍍鋅金屬元件被涂布含有所述化合物的層。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的增強結(jié)構(gòu)，其中將所述化合物加入到水泥基質(zhì)中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的增強結(jié)構(gòu)，其中所述金屬元件包括金屬線、金屬繩、金屬纖維、金屬條、金屬板或金屬網(wǎng)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的增強結(jié)構(gòu)，其中所述金屬元件包括鋼纖維。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一所述的增強結(jié)構(gòu)，其中所述金屬元件具有鋅合金鍍層。
10.一種用于增強水泥基質(zhì)的鍍鋅金屬元件，所述鍍鋅金屬元件被涂布含有選自咪唑、三唑和四唑的化合物的層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的鍍鋅金屬元件，其中所述層包括含有所述化合物的粘結(jié)劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的鍍鋅金屬元件，其中所述咪唑包括苯并咪唑。
13.根據(jù)權(quán)利要求10～12任一所述的鍍鋅金屬元件，其中所述金屬元件包括金屬線、金屬繩、金屬纖維、金屬條、金屬板或金屬網(wǎng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10～13任一所述的鍍鋅金屬元件，其中所述金屬元件包括鋼纖維。
15.根據(jù)權(quán)利要求10～14任一所述的鍍鋅金屬元件，其中所述金屬元件具有鋅合金鍍層。
16.一種抑制氫氣在嵌入水泥基質(zhì)中的鍍鋅金屬元件的界面處放出的方法，所述方法包括以下步驟提供鍍鋅金屬元件，將所述鍍鋅金屬元件引入水泥基質(zhì)中，和用選自咪唑、三唑和四唑的化合物處理所述鍍鋅金屬元件和/或所述水泥基質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述咪唑包括苯并咪唑。
18.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中所述處理包括將所述化合物加入到所述水泥基質(zhì)中。
19.根據(jù)權(quán)利要求15～17任一所述的方法，其中所述處理包括在將所述鍍鋅金屬元件引入所述水泥基質(zhì)中之前，施涂含有所述化合物的涂層到所述鍍鋅金屬元件上。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述鍍層包括粘結(jié)劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括水泥基質(zhì)和鍍鋅金屬元件的增強結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括至少位于所述鍍鋅金屬元件和所述水泥基質(zhì)的界面處的化合物，所述化合物選自咪唑、三唑和四唑。本發(fā)明另外涉及用于增強水泥基質(zhì)的鍍鋅金屬元件，和涉及抑制氫氣在嵌入水泥基質(zhì)中的鍍鋅金屬元件的界面處放出的方法。
文檔編號E04C5/01GK101087738SQ200580044493
公開日2007年12月12日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者A·蘭布雷希茨, J·范布拉班特 申請人:貝卡爾特股份有限公司