區域特殊環境對鋼結構涂層基本力學性能影響

郝贠洪, 宣姣羽, 馬思晗, 李 潔, 田旭樂

(1.內蒙古工業大學 理學院, 內蒙古 呼和浩特 010051; 2.內蒙古工業大學 土木工程學院, 內蒙古 呼和浩特 010051; 3.內蒙古工業大學 內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室, 內蒙古 呼和浩特 010051; 4.內蒙古工業大學 內蒙古自治區建筑檢測鑒定與安全評估工程技術研究中心, 內蒙古 呼和浩特 010051)

內蒙古地區復雜的區域特殊環境(沙塵暴、大溫差、強紫外[1-3])對基礎設施特別是鋼結構建筑的耐久性造成了嚴重影響.鋼結構建筑在服役過程中其表面涂層會受到各種環境因素的侵蝕,包括強紫外線輻射、高低溫循環作用、鹽霧、濕熱及微生物腐蝕等[4-5],使涂層發生物理或化學變化,從而降低其防護性能.涂層對鋼結構起保護作用,如果表面涂層破壞,鋼結構極易被沖蝕、性能劣化,造成其承載力下降,耐久性和安全性降低[6-7].

鋼結構涂層為有機高分子材料,對大溫差、強紫外環境敏感程度高,2種環境因素引起的涂層老化速率不同,老化機理也存在差異.因此,需要分析不同老化條件下鋼結構涂層基本力學性能變化的原因,在此基礎上對其進行改性,針對不同環境賦予更強的耐候性,從而提高鋼結構涂層的使用壽命.

本文利用高低溫循環試驗模擬內蒙古地區的大溫差轉換,利用紫外老化試驗模擬強紫外線照射.通過測試環境作用前后涂層基本力學性能的變化,研究高低溫循環作用及紫外老化對鋼結構涂層基本力學性能的影響機理.研究結果將為區域特殊環境下鋼結構防護涂層的研究與制備提供參考依據.

1 試驗

1.1 試驗工況

高低溫循環試驗采用模擬自然環境下工程材料耐久性損傷試驗系統進行,根據GB/T 2423.22—2012《環境試驗 第2部分：試驗方法試驗N：溫度變化》設置試驗工況：最低溫度-20℃,持續2h;隨后以1℃/min的速率上升到45℃,持續2h.從低溫到高溫再到低溫為1個循環,分別進行10、20、30、40、50個循環.

紫外老化試驗采用人工加速紫外老化試驗箱進行.內蒙古地區太陽年輻照總量大于6700MJ/m2,紫外光占到達地面的太陽輻射總量的5%～7%.本試驗中紫外光占比取7%,紫外線年輻射量為469MJ/m2,再將輻射量單位轉化為儀器功率單位,即130.278kW·h,以此為基礎設置試驗工況：1a紫外輻射量(130.278kW·h)、2a紫外輻射量(260.556kW·h)、3a紫外輻射量(390.834kW·h).

1.2 試件制備

試件基體材料采用表面平整、無扭曲且板面無任何可見裂紋的Q235普通低碳鋼,用粒徑為34μm(400目)的砂紙進行打磨,打磨方式為先水平再垂直最后圓圈打磨,直至試件表面無銹蝕后用無水乙醇擦拭備用.試件基體材料、尺寸如表1所示.

表1 每種工況下的測試試件規格

試件表面涂層由底漆和面漆組成,底漆采用環氧防腐底漆,面漆采用聚氨酯防腐面漆.按照GB 50205—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》中的“鋼結構涂裝工程”工藝要求,第1層噴涂環氧防腐底漆,后3層噴涂聚氨酯防腐面漆.每層噴涂厚度為80μm,噴涂間隔為24h,涂層總厚度為320μm,噴涂完畢后干燥7d.

2 基本力學性能測試

涂層基本力學性能測試包括涂層硬度(H)、彈性模量(E)、柔韌性和涂層/基材附著力,測試環境溫度為26～27℃,相對濕度為55%.

2.1 涂層硬度和彈性模量

鋼結構涂層硬度和彈性模量采用壓痕測試儀[8],可以實時記錄壓頭壓力與壓深的關系曲線,由此得到材料的相關力學性能.

2.1.1壓痕控制深度

壓痕測試法測試涂層力學性能時存在明顯的表面效應,壓痕控制深度需大于20μm,以保證表面粗糙度引起的壓入深度的不確定度小于5%[9].同時,為避免鋼結構基體對涂層硬度和彈性模量的影響,壓痕控制深度需小于涂層厚度的1/10,故本次試驗壓痕控制深度為27μm.

2.1.2微米壓痕試驗

(1)

(2)

式中：A為在荷載F作用下接觸表面的投影面積;Er為響應模量;β為與壓頭形狀有關的常數,β=1.034.

儀器荷載范圍0～40N,荷載分辨率0.75Mn,最大壓痕深度300μm,壓入深度分辨率3nm.測試時在涂層不同部位取5個測點,測量后取其平均值.

2.2 涂層柔韌性

根據GB/T 1731—93《漆膜柔韌性測定法》規定使用的軸棒法,采用QTX漆膜彈性測試儀測試涂層柔韌性.柔韌性測定儀由7個固定在底座上直徑不同的鋼制軸棒組成,其中1#～4#軸棒直徑分別為15、10、5、4mm;5#～7#軸棒曲率半徑分別為1.5、1.0、0.5mm.每種工況下需要7塊試件進行重復試驗,涂層柔韌性以不引起涂層破壞的最小軸棒的直徑來表示.

2.3 涂層/基材附著力

根據GB/T5210—2006《色漆與清漆拉開法附著力試驗》,采用GTJTC-10S型涂層附著力測試儀測試涂層/基材附著力.試柱直徑為20mm,將試柱與涂層黏接、固化后放置于拉力試驗機下.在與試件平面垂直的方向上施加拉伸應力,以不超過1MPa/s的速度穩步增加,試驗應在90s內完成,記錄破壞時的拉力Ft.每種工況需6塊試件進行重復試驗.破壞強度σ=Ft/At,取6次的平均值.其中At為黏接面積.

3 結果及分析

3.1 未老化鋼結構涂層基本力學性能

表2、3為未老化鋼結構聚氨酯涂層的基本力學性能.由表2、3可見：涂層硬度范圍在16.240～16.540MPa,平均值為16.410MPa;彈性模量范圍在893.000～923.600MPa,平均值為904.500MPa;涂層/基材附著力為1.800MPa.同時，測試得到涂層柔韌性為0.5mm.

表2 涂層硬度和彈性模量測試結果

表3 涂層與基材附著力測試結果

3.2 鋼結構涂層化學結構

圖1為鋼結構聚氨酯涂層在高低溫循環作用和紫外老化作用下的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)圖.由圖1可見：3600～3200cm-1是O—H和N—H的伸縮振動峰,由于羥基形成氫鍵,締合偶極矩增大,因此表現出比較寬的峰;2922.61、2849.57cm-1分別是—CH3和—CH2的伸縮振動吸收峰;1725.22cm-1是酯和氨基甲酸酯2種C—O吸收相互重疊形成的吸收峰;1560.87cm-1是苯環中C—C的伸縮振動吸收峰;1532.17cm-1是—C—NH基團的—N—H彎曲振動與—C—N伸縮振動的組合吸收峰;1263.26cm-1是C—O鍵的吸收峰;1122.61cm-1和1065.22cm-1是醚鍵C—O—C吸收峰,處于高頻的為反對稱伸縮振動峰,低頻的為對稱伸縮振動峰;739.13cm-1是苯環C—H面外變形振動吸收峰.

圖1 環境老化后聚氨酯涂層的FTIR圖譜Fig.1 FTIR spectra of polyurethane coatings after environmental aging

3.3 高低溫循環作用對鋼結構涂層基本力學性能的影響

圖2為高低溫循環作用前后鋼結構涂層的硬度和涂層與基材附著力的變化.由圖2可見：高低溫循環作用使鋼結構涂層硬度增加,未老化的鋼結構涂層的硬度為16.410MPa,經歷50個高低溫循環后涂層硬度為20.470MPa,硬度增加了24.74%;經歷10、20個高低溫循環后,涂層與基材附著力有所增加,但是增加量較小;經歷30個高低溫循環后,涂層附著力較未老化時開始降低;經歷50個高低溫循環后,涂層附著力降低了18.3%.

圖2 高低溫循環后鋼結構涂層的硬度和附著力變化Fig.2 Change of hardness and adhesion of steel structure coating after high-low temperature cycle

表4為高低溫循環老化后鋼結構涂層的柔韌性.由表4可見：經歷10、20個高低溫循環后涂層柔韌性沒有發生變化;經歷30個高低溫循環后,涂層柔韌性出現變化,但是變化較小,表明高低溫循環作用對鋼結構涂層柔韌性的影響較小.

表4 高低溫循環后鋼結構涂層柔韌性測試結果

結合圖1(a)可知,鋼結構聚氨酯涂層受高低溫循環作用后,C—O鍵(1263.26、1725.22cm-1)吸收峰強度增大,這是由于聚氨酯大分子鏈中的氨基羰基是以游離和氫鍵化2種形式存在,氫鍵化程度直接影響到聚氨酯材料中硬段的有序結構.一般通過羰基區(1800～1600cm-1)來分析聚氨酯中的氫鍵化作用,其中1747～1728cm-1是游離態羰基區,1727～1709cm-1是氫鍵化羰基區域.隨著經歷高低溫循環次數的增加,游離態羰基區峰面積減小,氫鍵化羰基區域的峰面積增加,氫鍵化程度增加,導致分子間作用力增大,鏈段規整度增加.說明高低溫循環作用使得聚氨酯涂層中的氨酯氫鍵轉化為無序氫鍵,從而使總的氨酯氫鍵化程度得到提高,即氫鍵化程度越高,材料硬段的有序結構越好,涂層硬度增加.但高低溫循環作用同時存在鍵的斷裂,涂層柔韌性降低,涂層/基材附著力表現出先增后減的趨勢.

3.4 紫外老化對鋼結構涂層基本力學性能的影響

圖3為紫外老化1、2、3a前后鋼結構涂層硬度和涂層與基材附著力的變化.由圖3可見：紫外老化使涂層硬度減小較快,老化3a后涂層硬度減小了44.37%;紫外老化使涂層與基材附著力降低,紫外老化3a后涂層附著力降低了22.7%.

圖3 紫外老化后鋼結構涂層硬度和附著力變化圖Fig.3 Hardness and Adhesion of steel structure coating after UV aging

表5為紫外老化后鋼結構涂層的柔韌性.由表5可見,紫外老化作用使得鋼結構聚氨酯涂層柔韌性減小,紫外老化1、2a后涂層柔韌性減小較少,老化3a后柔韌性減少較為明顯.

表5 紫外老化后鋼結構涂層柔韌性測試結果

結合圖1(b)可知,鋼結構聚氨酯涂層受紫外老化后,官能團IR吸收強度隨著紫外老化時間的延長逐漸減弱.2類C—H鍵(2922.61、2849.57cm-1)吸收峰的強度降低,且2922.61cm-1處—CH3的伸縮振動吸收峰和2849.57cm-1處—CH2的伸縮振動吸收峰,由2個裂峰逐漸形成1個寬峰,說明C—H鍵遭到破壞,涂層中可能有氫過氧化物產生.同時C—O鍵(1725.22cm-1)、C—N鍵(1532.17cm-1)吸收峰強度均出現不同程度降低.C—O鍵(1725.22cm-1)吸收峰強度降低說明C—O鍵斷裂,形成氨基甲酰基和烷氧基自由基,氨基甲酰自由基進一步分解成氨基自由基和CO2,反應式如圖4所示.C—N鍵(1532.17cm-1)吸收峰的強度降低說明C—N鍵斷裂,形成氨基自由基和烷基自由基同時釋放出CO2,反應式如圖5所示.紫外輻射導致鋼結構聚氨酯涂層中化學鍵發生斷裂,因此涂層硬度、柔韌性和涂層與基材的附著力均有所降低.紫外老化3a后,FTIR光譜中所有吸收峰強度明顯降低,故鋼結構涂層力學性能(硬度、柔韌性和涂層與基材的附著力)在紫外老化3a后降低明顯.

圖4 FTIR圖譜中1725.22cm-1處反應式Fig.4 Reaction formula in FTIR spectra at 1725.22cm-1

圖5 FTIR圖譜中1532.17cm-1處反應式Fig.5 Reaction formula in FTIR spectra at 1532.17cm-1

4 結論

(1)未老化鋼結構涂層硬度為16.410MPa,彈性模量為904.500MPa,涂層/基材附著力為1.800MPa,柔韌性為0.5mm.經歷50個高低溫循環后,涂層硬度增加24.74%,附著力降低18.3%.紫外老化3a后涂層硬度減小44.37%,涂層/基材附著力降低22.7%.

(2)高低溫循環作用使得鋼結構涂層氫鍵化程度增加,分子間作用力增大.氫鍵化程度越高,材料硬段的有序結構越好,涂層硬度增加,同時存在鍵的斷裂,導致涂層柔韌性降低,附著力呈現先增后減趨勢.

(3)紫外老化作用使得鋼結構涂層中化學鍵發生斷裂,其中C—N和C—O鍵斷裂形成氨基自由基,同時釋放出CO2,導致涂層基本力學性能下降.