新建高速铁路环氧基材处理剂热应力对聚脲防护层附着力影响的研究

吕 平，朱 立，刘旭东，黄微波

(1.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033;2.青岛理工大学 功能材料研究所，山东 青岛 266033)

如今防护层大量采用聚脲等有机高分子材料［1］，作为连接基材与防护层二者之间的基材处理剂，必须在各种环境条件下都具备较高的附着性。环氧体系由于物理性能优异、应用广泛，而被大量采用。此外，基于聚脲防护层对于基材表面的表观要求，环氧体系被大面积地刮涂在基材上，封闭针眼、孔洞等缺陷，新建高速铁路以梁桥为主，每一段的桥面的防护层施工面积为32.0 m×8.8 m。

新建高速铁路聚脲防护层施工中，曾在冬季出现大面积脱落现象。本文从热应力角度出发，针对基材与环氧基材处理层的热膨胀性系数存在的较大差异，研究环境温度因素所造成的应变应力对于聚脲附着力的影响［2-3］。解释聚脲防护层大面积脱落现象，为工程应用提供必要的理论依据。

1 试验方法

1.1 试件制备及主要实验设备

采用在抗折强度、抗压强度、邵氏硬度相接近的天然大理石板模拟新建高速铁路C50高性能混凝土。在400 mm×300 mm大理石上刮涂环氧类基材处理剂涂层。表1为主要的实验设备。

1.2 试验方法

涂层平面应变测试，采用静态应变仪，使用四分之一桥路连接，大理石板中心点采取三片5 mm×30 mm应变片贴直角应变花的方式，采用摩尔应变圆计算公式，得出最大主应变 ε1、最小主应变ε2和最大主应变与0°应变片(11号)水平方向线(简称x轴)的夹角ψ，四角采用5 mm×3 mm应变片的方式，其中 1号、4号、5号、8号为横向布置，其余为竖向布置。如图1所示，测试在常温20℃ ～23℃和低温-20℃ ～18℃下环氧平面涂层应变情况，研究涂层中心点与四周的联系与区别。表2是试验材料的弹性模量、泊松比、热膨胀性系数等参数。

表1 主要实验设备

图1 电阻应变片的平面布置

表2 主要材料参数

2 试验结果及讨论

2.1 常温静态应变

2.1.1 中心点主应变

图2 常温下环氧类基材处理层中心点主应变变化规律

常温(20℃)下，环氧类基材处理层中心点主应变变化规律如图2所示。图2(a)是20℃常温下环氧最大主应变ε1随时间发展的变化规律。从该图中看出，微应变ε1维持在 -5×10-6～20×10-6区间，在相对时间100～550 s里保持相对稳定，由于受到周围空气流通及一定细微的温度波动，造成其微应变的波动，而这种微应变的波动幅度不大于20×10-6。图2(b)是最小主应变ε2的变化规律，该图表明，ε2维持在 -20×10-6～0这个区间，且与 ε1变化规律相对应。图2(c)是最大主应变与x轴的夹角变化规律，图2(c)表明其变化规律与最大主应变 ε1的变化规律相一致。图2研究结果表明，在常温下环氧类基材处理剂维持在较低的微应变，其产生的应力忽略不计，图2中，相对时间为0.5 s等于实际时间5 s，下同。

2.1.2 四角微应变

图3是常温20℃下大理石板四角的微应变变化。从图3可以看出，1号、7号和8号应变片微应变变化规律相接近，微应变维持在 -25×10-6～0范围内，而3号、4号和6号应变片微应变变化规律相接近，微应变维持在-10×10-6～0范围内，在2 h内，四角呈收缩应变，且在80 min后收缩应变增加，以图1应变片横竖布置所示，表明四角横竖向布置区别不大。根据参考文献［4-5］，各点变化规律可能与所测各点自身涂层的厚度等有关，四角的微应变在85 min(相对时间510 s)后呈较大的下降趋势，可能与同期最大主应变增加呈拉伸状态有关，且四角受到边界条件的约束，反而呈收缩微应变。

由以上分析可知，常温下环氧热应力对于聚脲附着力几乎不产生影响。

图3 常温下四角环氧类基材处理层应变变化规律

2.2 低温静态应变

2.2.1 中心主应变

图4是环氧类基材处理剂低温(-20℃)下中心的主应变变化规律，图4(a)是最大主应变 ε1的变化规律，从图中看出ε1随时间收缩应变呈递增的变化规律，且整个过程伴随着上下波动，结合图4(c)最大主应变与x轴夹角的变化规律，可以得出，最大主应变在低温下收缩应变不断增加的同时，其方向处在不断往复的变化之中。图4(b)是最小主应变 ε2的变化规律，与ε1的变化规律相接近，表明主应变呈现收缩状态，且不断增加。

图4 低温下环氧类基材处理层中心点主应变变化规律

2.2.2 四角应变

表3是低温8 h后大理石四角微应变。由表3可见，四角微应变8 h后，仍维持在 -25×10-6～30×10-6区间内，表明四角微应变不大，这与中心点呈收缩应变和受大理石边界条件制约，二者因素共同作用有关。

表3 大理石板四角1号～8号低温8 h后应变 ×10-6

由于刮涂有环氧类基材处理剂的大理石板，很难测定其弹性模量及泊松比。以表2材料参数所示，假定弹性模量为100 GPa，泊松比 ν为0.3，测得最大剪切应力在低温下将达到2 MPa左右，根据文献［6-7］，环氧类基材处理层对于混凝土基材的附着力比聚脲层对于基材处理层的附着力高，聚脲附着力在冬季受到低温影响，前期附着力只有3 MPa左右，故而导致采用环氧类基材体系的聚脲层的大面积脱落。

3 结论

1)常温(20℃)下，环氧类基材处理剂应变不大，主应变维持在-20×10-6～20×10-6范围内，由此产生的热应力较小，对聚脲附着力没有影响。

2)低温(-20℃)下，由于环氧类基材处理剂与基材存在较大的热膨胀性系数，8 h收缩应变达到300×10-6，产生的热应力加上环氧体系自身交联过程中由于低温无法松弛而残留的内应力，这二者应力共同作用是造成聚脲涂层脱落的重要因素之一;同时冬季低温状况下，影响聚脲涂层与基材处理剂之间附着力发展，从而共同造成聚脲涂层的大面积脱落。

3)结构因素是影响基材处理剂应变一个重要的因素，在实际应用中，结构设计时应加以考虑，避免产生较大的应力应变。

［1］黄微波.喷涂聚脲技术在京沪高铁的应用与展望［J］.上海涂料，2009，47(5):1-3.

［2］姜英涛.涂料基础［M］.北京:化学工业出版社，2005:48-77.

［3］尹应跃，魏晓红，游敏.粘涂层中的温度应力测试与分析［J］.粘接，2003，24(4):3-5

［4］MULLE M，ZITOUNE R，COLLOMBET F，et al.Measuring Strains through the Thickness of a Composite Structural Specimen Subjected to Bending［J］.Experimental Mechanics，2009(4):877-880.

［5］SHI Xiaodong，STUART G.Thermal-induced recovery of small deformations and degradation defects on epoxy coating surface［J］.J.Coat.Technol.Res，2010，7(1):73-84.

［6］吕平，朱立，丁国雷，等.基材处理剂对京沪高铁聚脲涂层附着力影响的研究［J］.新型建筑材料，2010(6):77-80.

［7］蒋宗全，郭晓安，屈高见.桥面喷涂聚脲防水层常见质量缺陷与应对措施［J］.铁道建筑，2010(10):19-21.