区域特殊环境对钢结构涂层基本力学性能影响

郝贠洪, 宣姣羽, 马思晗, 李 洁, 田旭乐

(1.内蒙古工业大学 理学院, 内蒙古 呼和浩特 010051; 2.内蒙古工业大学 土木工程学院, 内蒙古 呼和浩特 010051; 3.内蒙古工业大学 内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室, 内蒙古 呼和浩特 010051; 4.内蒙古工业大学 内蒙古自治区建筑检测鉴定与安全评估工程技术研究中心, 内蒙古 呼和浩特 010051)

内蒙古地区复杂的区域特殊环境(沙尘暴、大温差、强紫外[1-3])对基础设施特别是钢结构建筑的耐久性造成了严重影响.钢结构建筑在服役过程中其表面涂层会受到各种环境因素的侵蚀,包括强紫外线辐射、高低温循环作用、盐雾、湿热及微生物腐蚀等[4-5],使涂层发生物理或化学变化,从而降低其防护性能.涂层对钢结构起保护作用,如果表面涂层破坏,钢结构极易被冲蚀、性能劣化,造成其承载力下降,耐久性和安全性降低[6-7].

钢结构涂层为有机高分子材料,对大温差、强紫外环境敏感程度高,2种环境因素引起的涂层老化速率不同,老化机理也存在差异.因此,需要分析不同老化条件下钢结构涂层基本力学性能变化的原因,在此基础上对其进行改性,针对不同环境赋予更强的耐候性,从而提高钢结构涂层的使用寿命.

本文利用高低温循环试验模拟内蒙古地区的大温差转换,利用紫外老化试验模拟强紫外线照射.通过测试环境作用前后涂层基本力学性能的变化,研究高低温循环作用及紫外老化对钢结构涂层基本力学性能的影响机理.研究结果将为区域特殊环境下钢结构防护涂层的研究与制备提供参考依据.

1 试验

1.1 试验工况

高低温循环试验采用模拟自然环境下工程材料耐久性损伤试验系统进行,根据GB/T 2423.22—2012《环境试验 第2部分：试验方法试验N：温度变化》设置试验工况：最低温度-20℃,持续2h;随后以1℃/min的速率上升到45℃,持续2h.从低温到高温再到低温为1个循环,分别进行10、20、30、40、50个循环.

紫外老化试验采用人工加速紫外老化试验箱进行.内蒙古地区太阳年辐照总量大于6700MJ/m2,紫外光占到达地面的太阳辐射总量的5%～7%.本试验中紫外光占比取7%,紫外线年辐射量为469MJ/m2,再将辐射量单位转化为仪器功率单位,即130.278kW·h,以此为基础设置试验工况：1a紫外辐射量(130.278kW·h)、2a紫外辐射量(260.556kW·h)、3a紫外辐射量(390.834kW·h).

1.2 试件制备

试件基体材料采用表面平整、无扭曲且板面无任何可见裂纹的Q235普通低碳钢,用粒径为34μm(400目)的砂纸进行打磨,打磨方式为先水平再垂直最后圆圈打磨,直至试件表面无锈蚀后用无水乙醇擦拭备用.试件基体材料、尺寸如表1所示.

表1 每种工况下的测试试件规格

试件表面涂层由底漆和面漆组成,底漆采用环氧防腐底漆,面漆采用聚氨酯防腐面漆.按照GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》中的“钢结构涂装工程”工艺要求,第1层喷涂环氧防腐底漆,后3层喷涂聚氨酯防腐面漆.每层喷涂厚度为80μm,喷涂间隔为24h,涂层总厚度为320μm,喷涂完毕后干燥7d.

2 基本力学性能测试

涂层基本力学性能测试包括涂层硬度(H)、弹性模量(E)、柔韧性和涂层/基材附着力,测试环境温度为26～27℃,相对湿度为55%.

2.1 涂层硬度和弹性模量

钢结构涂层硬度和弹性模量采用压痕测试仪[8],可以实时记录压头压力与压深的关系曲线,由此得到材料的相关力学性能.

2.1.1压痕控制深度

压痕测试法测试涂层力学性能时存在明显的表面效应,压痕控制深度需大于20μm,以保证表面粗糙度引起的压入深度的不确定度小于5%[9].同时,为避免钢结构基体对涂层硬度和弹性模量的影响,压痕控制深度需小于涂层厚度的1/10,故本次试验压痕控制深度为27μm.

2.1.2微米压痕试验

(1)

(2)

式中：A为在荷载F作用下接触表面的投影面积;Er为响应模量;β为与压头形状有关的常数,β=1.034.

仪器荷载范围0～40N,荷载分辨率0.75Mn,最大压痕深度300μm,压入深度分辨率3nm.测试时在涂层不同部位取5个测点,测量后取其平均值.

2.2 涂层柔韧性

根据GB/T 1731—93《漆膜柔韧性测定法》规定使用的轴棒法,采用QTX漆膜弹性测试仪测试涂层柔韧性.柔韧性测定仪由7个固定在底座上直径不同的钢制轴棒组成,其中1#～4#轴棒直径分别为15、10、5、4mm;5#～7#轴棒曲率半径分别为1.5、1.0、0.5mm.每种工况下需要7块试件进行重复试验,涂层柔韧性以不引起涂层破坏的最小轴棒的直径来表示.

2.3 涂层/基材附着力

根据GB/T5210—2006《色漆与清漆拉开法附着力试验》,采用GTJTC-10S型涂层附着力测试仪测试涂层/基材附着力.试柱直径为20mm,将试柱与涂层黏接、固化后放置于拉力试验机下.在与试件平面垂直的方向上施加拉伸应力,以不超过1MPa/s的速度稳步增加,试验应在90s内完成,记录破坏时的拉力Ft.每种工况需6块试件进行重复试验.破坏强度σ=Ft/At,取6次的平均值.其中At为黏接面积.

3 结果及分析

3.1 未老化钢结构涂层基本力学性能

表2、3为未老化钢结构聚氨酯涂层的基本力学性能.由表2、3可见：涂层硬度范围在16.240～16.540MPa,平均值为16.410MPa;弹性模量范围在893.000～923.600MPa,平均值为904.500MPa;涂层/基材附着力为1.800MPa.同时，测试得到涂层柔韧性为0.5mm.

表2 涂层硬度和弹性模量测试结果

表3 涂层与基材附着力测试结果

3.2 钢结构涂层化学结构

图1为钢结构聚氨酯涂层在高低温循环作用和紫外老化作用下的傅里叶变换红外光谱(FTIR)图.由图1可见：3600～3200cm-1是O—H和N—H的伸缩振动峰,由于羟基形成氢键,缔合偶极矩增大,因此表现出比较宽的峰;2922.61、2849.57cm-1分别是—CH3和—CH2的伸缩振动吸收峰;1725.22cm-1是酯和氨基甲酸酯2种C—O吸收相互重叠形成的吸收峰;1560.87cm-1是苯环中C—C的伸缩振动吸收峰;1532.17cm-1是—C—NH基团的—N—H弯曲振动与—C—N伸缩振动的组合吸收峰;1263.26cm-1是C—O键的吸收峰;1122.61cm-1和1065.22cm-1是醚键C—O—C吸收峰,处于高频的为反对称伸缩振动峰,低频的为对称伸缩振动峰;739.13cm-1是苯环C—H面外变形振动吸收峰.

图1 环境老化后聚氨酯涂层的FTIR图谱Fig.1 FTIR spectra of polyurethane coatings after environmental aging

3.3 高低温循环作用对钢结构涂层基本力学性能的影响

图2为高低温循环作用前后钢结构涂层的硬度和涂层与基材附着力的变化.由图2可见：高低温循环作用使钢结构涂层硬度增加,未老化的钢结构涂层的硬度为16.410MPa,经历50个高低温循环后涂层硬度为20.470MPa,硬度增加了24.74%;经历10、20个高低温循环后,涂层与基材附着力有所增加,但是增加量较小;经历30个高低温循环后,涂层附着力较未老化时开始降低;经历50个高低温循环后,涂层附着力降低了18.3%.

图2 高低温循环后钢结构涂层的硬度和附着力变化Fig.2 Change of hardness and adhesion of steel structure coating after high-low temperature cycle

表4为高低温循环老化后钢结构涂层的柔韧性.由表4可见：经历10、20个高低温循环后涂层柔韧性没有发生变化;经历30个高低温循环后,涂层柔韧性出现变化,但是变化较小,表明高低温循环作用对钢结构涂层柔韧性的影响较小.

表4 高低温循环后钢结构涂层柔韧性测试结果

结合图1(a)可知,钢结构聚氨酯涂层受高低温循环作用后,C—O键(1263.26、1725.22cm-1)吸收峰强度增大,这是由于聚氨酯大分子链中的氨基羰基是以游离和氢键化2种形式存在,氢键化程度直接影响到聚氨酯材料中硬段的有序结构.一般通过羰基区(1800～1600cm-1)来分析聚氨酯中的氢键化作用,其中1747～1728cm-1是游离态羰基区,1727～1709cm-1是氢键化羰基区域.随着经历高低温循环次数的增加,游离态羰基区峰面积减小,氢键化羰基区域的峰面积增加,氢键化程度增加,导致分子间作用力增大,链段规整度增加.说明高低温循环作用使得聚氨酯涂层中的氨酯氢键转化为无序氢键,从而使总的氨酯氢键化程度得到提高,即氢键化程度越高,材料硬段的有序结构越好,涂层硬度增加.但高低温循环作用同时存在键的断裂,涂层柔韧性降低,涂层/基材附着力表现出先增后减的趋势.

3.4 紫外老化对钢结构涂层基本力学性能的影响

图3为紫外老化1、2、3a前后钢结构涂层硬度和涂层与基材附着力的变化.由图3可见：紫外老化使涂层硬度减小较快,老化3a后涂层硬度减小了44.37%;紫外老化使涂层与基材附着力降低,紫外老化3a后涂层附着力降低了22.7%.

图3 紫外老化后钢结构涂层硬度和附着力变化图Fig.3 Hardness and Adhesion of steel structure coating after UV aging

表5为紫外老化后钢结构涂层的柔韧性.由表5可见,紫外老化作用使得钢结构聚氨酯涂层柔韧性减小,紫外老化1、2a后涂层柔韧性减小较少,老化3a后柔韧性减少较为明显.

表5 紫外老化后钢结构涂层柔韧性测试结果

结合图1(b)可知,钢结构聚氨酯涂层受紫外老化后,官能团IR吸收强度随着紫外老化时间的延长逐渐减弱.2类C—H键(2922.61、2849.57cm-1)吸收峰的强度降低,且2922.61cm-1处—CH3的伸缩振动吸收峰和2849.57cm-1处—CH2的伸缩振动吸收峰,由2个裂峰逐渐形成1个宽峰,说明C—H键遭到破坏,涂层中可能有氢过氧化物产生.同时C—O键(1725.22cm-1)、C—N键(1532.17cm-1)吸收峰强度均出现不同程度降低.C—O键(1725.22cm-1)吸收峰强度降低说明C—O键断裂,形成氨基甲酰基和烷氧基自由基,氨基甲酰自由基进一步分解成氨基自由基和CO2,反应式如图4所示.C—N键(1532.17cm-1)吸收峰的强度降低说明C—N键断裂,形成氨基自由基和烷基自由基同时释放出CO2,反应式如图5所示.紫外辐射导致钢结构聚氨酯涂层中化学键发生断裂,因此涂层硬度、柔韧性和涂层与基材的附着力均有所降低.紫外老化3a后,FTIR光谱中所有吸收峰强度明显降低,故钢结构涂层力学性能(硬度、柔韧性和涂层与基材的附着力)在紫外老化3a后降低明显.

图4 FTIR图谱中1725.22cm-1处反应式Fig.4 Reaction formula in FTIR spectra at 1725.22cm-1

图5 FTIR图谱中1532.17cm-1处反应式Fig.5 Reaction formula in FTIR spectra at 1532.17cm-1

4 结论

(1)未老化钢结构涂层硬度为16.410MPa,弹性模量为904.500MPa,涂层/基材附着力为1.800MPa,柔韧性为0.5mm.经历50个高低温循环后,涂层硬度增加24.74%,附着力降低18.3%.紫外老化3a后涂层硬度减小44.37%,涂层/基材附着力降低22.7%.

(2)高低温循环作用使得钢结构涂层氢键化程度增加,分子间作用力增大.氢键化程度越高,材料硬段的有序结构越好,涂层硬度增加,同时存在键的断裂,导致涂层柔韧性降低,附着力呈现先增后减趋势.

(3)紫外老化作用使得钢结构涂层中化学键发生断裂,其中C—N和C—O键断裂形成氨基自由基,同时释放出CO2,导致涂层基本力学性能下降.