外飾面涂層耐久性預測模型的建立與應用

尚建麗，王健

（西安建筑科技大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710055）

外飾面涂層耐久性預測模型的建立與應用

尚建麗*，王健

（西安建筑科技大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710055）

從涂料性能、環(huán)境條件、破壞特征等角度對涂層老化過程進行分析，根據(jù)服務壽命預測理論，運用數(shù)學方法，提出涂層耐久性預測的數(shù)學模型。并對2種建筑外墻涂層進行了試驗研究。結果表明，該模型可以對建筑外墻涂層的服務年限進行較好的預測。

建筑涂料；外飾面涂層；耐久性；預測；數(shù)學模型

1 前言

涂料作為建筑外墻裝飾主要形式之一，具有色彩豐富、裝飾質感好、施工方便、經(jīng)濟效果好、維護方便、自重輕等優(yōu)點。隨著高層建筑的發(fā)展，應用建筑涂料體現(xiàn)裝飾風格仍將成為建筑裝飾的主流。然而，由于涂料本身的組成、性質差別，加之涂料基層處理是否得當、施工條件、外界環(huán)境條件等因素的影響，使得涂料在建筑外墻應用中出現(xiàn)了諸如涂層脫落、開裂，涂料變色等現(xiàn)象，嚴重影響了建筑裝飾長期使用的效果。從既有建筑體系的角度來看，建筑外墻裝飾涂料的使用壽命遠小于建筑結構承載能力。為了盡量使外墻裝飾與主體結構功能匹配，減少維護費用，達到節(jié)約資源的目的，建筑外墻涂層的耐久性研究隨之提出，而建筑外墻涂層耐久性預測問題的研究則顯得尤為重要。

2 建筑涂層耐久性預測方法

建筑涂層的耐久性是指涂層的使用年限，或為涂層的耐老化問題，可以定義為涂層對其使用環(huán)境條件所引起的破壞作用的抵抗能力。這個能力與涂料本身的性質、基層處理、施工條件、外界環(huán)境等方面有著密切的關系[1]。目前預測所采用的方法有：長期跟蹤的方法、人工加速試驗方法、天然曝曬試驗方法等[2]。

長期跟蹤的方法是指施工企業(yè)根據(jù)需要，首先建立一個樣板房用于長期跟蹤，并記錄觀測到的各項數(shù)據(jù)，然后進行分析對比，從而對涂層的耐久性做出預測。該方法的優(yōu)點是外界條件與實際情況相符，所得到的數(shù)據(jù)比較真實可靠，對某些涂料的耐久性可以做出較為真實的預測。但是，這種方法需要很長的時間，不利于涂料產(chǎn)品的推廣使用。人工加速試驗方法是用人工的辦法在室內(nèi)或設備內(nèi)，模擬近似于大氣環(huán)境條件或者某種特定環(huán)境條件，并強化其某些因素的試驗方法[3]。對于給定的涂料，由于實驗室結果是可以重復的，為在短期內(nèi)獲得實驗結果提供了基礎。然而，實際使用中，不同的地域、不同時間的自然環(huán)境因素是變化的，不可能重復和重現(xiàn)，因此，絕對的關聯(lián)性也是不存在的。天然曝曬實驗雖然接近實際，但是由于地域分布的原因，其實驗結果不能直接用于其他地方，而且試驗時間太長，不能作為預測方法?；谏鲜銮闆r，本文提出建立數(shù)學模型的方法對外墻涂層的耐久性進行預測。

3 耐久性預測模型的建立

3. 1 構建思路

對于一定的自然環(huán)境，通過設計合適的實驗室實驗環(huán)境參數(shù)，在一定的假設前提下，與實際情況建立一定的相關性，由此可進行相對準確的預測。其基本假設包括：一是盡量使加速環(huán)境與大氣環(huán)境中涂層的失效機理保持相同；二是在大氣環(huán)境下的物理性能下降率與加速環(huán)境條件下的下降率具有相關性。

外墻涂層耐久性數(shù)學模型的建立，必須考慮環(huán)境作用條件(包括溫度、濕度、化學物質侵蝕)、材料破壞程度以及兩者之間的關系。圖1是模型建立的基本思路。即根據(jù)涂料設計壽命，可從最初的環(huán)境參數(shù)入手，建立一個環(huán)境模型和一個材料破壞模型；通過質量標準，在維護修復性能的總量和耐久性消耗的積累總量之間建立起一定的聯(lián)系[4]，從而完成耐久性預測的任務。

圖1 涂層耐久性預測模型的構建Figure 1 Establishment for durability forecast model of coating

實際上，如果在每一個時期內(nèi)環(huán)境因素對涂層的破壞作用能通過破壞模型計算并得以量化，則將涂層材料的性能質量與服務周期要求相比較，當涂層質量符合標準，它就進入下一個時間周期?？梢?，這個模擬過程將會繼續(xù)，直到設計壽命的終結。

但是，建立耐久性模型所面臨的難點在于：環(huán)境(溫度、濕度)、化學物質(濃度)的模擬和破環(huán)過程的模擬。有關材料表明[5]，涂層材料的退化與環(huán)境溫度有關，即在很高的溫度或者很低的溫度下，涂層的破壞速率比中等溫度時高；在同樣的溫度下，涂層材料又因周圍介質的不同而不同，即在有化學侵蝕性物質和潮濕的環(huán)境下，惡化就會加速。與此同時，針對外墻涂層的耐久性而言，人們最關心的是它的服務性能，包括裝飾功能和保護功能。由于隨著時間的延長，涂層受到不同程度的侵蝕，出現(xiàn)開裂、剝落，或者受其他因素的影響，將導致服務性能的下降。在實際中，對外裝飾涂層性能好壞的判斷帶有較多的主觀性[6]，因而在建模過程中，涉及到涂層最低服務性能標準如何確定的問題。為此，在分析預測模型的基礎上，擬從耐久年限角度建立預測模型。所謂耐久年限，即從涂層施工結束、一直到壽命終結所經(jīng)歷的時間，不考慮涂層的維修或者替換。

3. 2 模型建立

3. 2. 1 環(huán)境溫度模型

自然界中大氣溫度的變化是隨著時間的變化而變的，其變化規(guī)律可按簡諧波作用考慮。當涂層涂覆在建筑外墻后，環(huán)境溫度以下式的關系對其進行作用：

式中，T0為年平均溫度，°C；t為時間，月；?為季節(jié)變化幅度；δ為月份的隨機差異；η ( t)為時間函數(shù)，在?0.5 ～ +0.5之間的隨機數(shù)。

3. 2. 2 環(huán)境濕度模型

濕度的變化可因地域的不同而變化范圍較大，南方地區(qū)的年濕度變化可隨著溫度、時間的不同而服從某一規(guī)律，北方地區(qū)盡管濕度較南方小，但也在某個范圍變化。為縮小南、北地區(qū)濕度模型的差別，綜合分析得出下面的濕度模型：

式中， θ0為年平均濕度，%；t為時間，月；?為季節(jié)變化幅度；δ為月份的隨機差異；η ( t)為時間函數(shù)，在?0.5 ～ +0.5之間的隨機數(shù)。

3. 2. 3 環(huán)境介質模型

環(huán)境介質包括的種類較多，有二氧化碳、硫化物的氣體、酸雨、粉塵等等，因此，以介質濃度作為侵蝕的依據(jù)而建立以下模型：

式中，c0為年平均侵蝕性化學物質濃度，%；t為時間，月；δ為月份的隨機差異；η ( t)為時間函數(shù)，在?0.5 ～+0.5之間的隨機數(shù)。

從上述模型中可看出，溫度和濕度的變化都是以隨機變量的規(guī)律而出現(xiàn)，反映了外界因素對涂層作用的復雜性，同時也說明，預測模型的準確度是相對的。

3. 2. 4 耐久性預測模型

建筑外墻涂層使用壽命的評判，首先在于確定上述環(huán)境模型與涂層破壞模型之間的內(nèi)在關系，其次還要考慮設計壽命與已使用年限之間的關系。為此，可將涂層性能變化程度代入下式進行預測，即當考慮涂層性能劣化程度時，可按下列關系式進行耐久年限的預測：

式中，Y—預測耐久年限，年；S—設計使用壽命，年；N—已使用的年限，年；X—涂層性能劣化程度。

表1 涂層性能劣化程度的確定Table 1 Determination of coating performance deterioration degree

預測公式(4)的建立主要考慮了環(huán)境溫度、濕度和環(huán)境介質的濃度對設計使用壽命的影響，而它們的綜合影響作用使得涂層的使用壽命達不到設計要求。一般而言，溫度作用對涂層的影響最大，其次是濕度和環(huán)境介質的影響。因此，它們對設計壽命的削弱作用分別以不同的數(shù)學形式表述出來。另外，考慮不同的涂料品種，除了設計壽命不相同以外，當使用了數(shù)年以后，它們的涂層反射率下降幅度也不會相同。故劣化程度等級用X來定量化。綜合考慮上述因素，最終確定涂層耐久年限的預測公式。

4 涂層耐久性預測模型的應用

為了更好地驗證涂層耐久性預測模型(4)的實用性，以西安地區(qū)為例，通過對西安地區(qū)環(huán)境溫度以及環(huán)境濕度的測試，取得了某一時間段的數(shù)據(jù)參數(shù)。

4. 1 環(huán)境溫度的測試

試驗采用 DE-3007型數(shù)字式溫度計(廣州泰納電子科技有限公司)自動記錄室外溫度變化，測試溫度如圖2所示。

圖2 2008年西安地區(qū)月平均溫度變化曲線Figure 2 Variation curve of monthly average temperature of Xi’an region in 2008

4. 2 環(huán)境濕度的測試

在測試溫度的同時，對該地區(qū)的濕度也進行了測試，結果如圖3所示。

1.1 一般資料 選取2016年2月到2017年12月于本院診治的AF患者194例為觀察對象。AF診斷以2011版《老年人心房顫動診治中國專家建議》為依據(jù)。其中男102例(52.57%)，女93例(47.93%)；年齡52.0～79.0歲，平均(65.10±5.85)歲。體質量指數(shù)(BMI)為(29.45±3.86)kg/m2。收縮壓為(142.01±1.98)mm Hg。本研究經(jīng)本院醫(yī)學倫理委員會批準。

圖3 2008年西安地區(qū)月平均濕度變化曲線Figure 3 Variation curve of monthly average humidity of Xi’an region in 2008

4. 3 環(huán)境介質的測試

依據(jù)西安地區(qū)環(huán)保部門對大氣成分的分析與檢測可知，二氧化碳、硫化物的氣體、酸雨、粉塵濃度在某一范圍波動，大致為0.2% ～ 0.4%。

4. 4 涂層性能變化測試

實驗中，測試兩棟既有建筑物外墻涂層的光澤度，它們的外觀照片如圖4所示。

圖4 2種驗證試驗用建筑物涂層照片F(xiàn)igure 4 Photos of two kinds of building coatings used to validation test

用WGG60型光澤度測試儀(東莞市九星電子科技有限公司)測得它們的光澤度值為5 ～ 7之間。從圖4可以看出，其表面已出現(xiàn)變色、裂紋、剝落等老化現(xiàn)象，屬于嚴重老化范圍，故取X = 1.1。從建設單位查知，涂層1(圖4a)的S = 12 a，N = 8 a；涂層2(圖4b)的S = 15 a，N = 9 a。從所測數(shù)據(jù)中進行指標量化的提取，可知其環(huán)境模擬的量化指標如下。

溫度數(shù)據(jù)：T0= 13.6 °C，?T = 2 °C，δT = 2 °C。

濕度數(shù)據(jù)： θ0= 69%，?θ = 5%，δθ = 1%。

環(huán)境介質數(shù)據(jù)：c0= 0.3%，δc = 0.1%，取η ( t)= 0.5。

涂層性能量化指標：X = 1.1。

考慮到在模型中溫度的變化對涂層耐久性影響最大，因此在模擬中采用最惡劣的條件：T( t)max= 16.6 °C，θ( t)max= 0.745， c( t)= 0.35%，η ( t)= 0.5。兩種涂層的預測耐久年限計算如下(其中Y1代表涂層1，Y2代表涂層2)：

從計算結果可以看出，2種涂層的預測耐久年限達不到設計使用年限。因此，可以根據(jù)上述的計算方法來確定涂層需要維護更換的最佳時間。

本文以設計使用壽命分別為10年和15年的A、B兩種涂料為例，在沒有考慮涂層的維護或者替換的情況下，將上述數(shù)據(jù)代入模型，按公式(4)計算，取X = 1.0，以西安地區(qū)的環(huán)境數(shù)據(jù)為例，即 T( t)max=16.6 °C，θ( t)max= 0.745， c( t)= 0.35%，η ( t)= 0.5。所得結果如表2和表3所示。

表2 設計壽命為10年的涂層其耐久年限與實際使用壽命的關系Table 2 Relationship between the durability time and practical service life for the coating with a designed service life of 10 years

表3 設計壽命為15年的涂層其耐久年限與實際使用壽命的關系Table 3 Relationship between durability time and practical service life for the coating with a designed service life of 15 years

從表2和表3中的計算結果可以看出，涂層在涂飾后的1 ～ 2年中，性能下降速率較快，但在隨后的時間里，性能變化較為均勻。說明涂層中的化學成分在各種因素的綜合影響下，在涂層服役初期變化速率較大，中后期變化速率變緩。

5 結論

在模擬環(huán)境中，在溫度、濕度和化學侵蝕性介質等因素定量的情況下，可以借助于數(shù)學模型來預測涂層的耐久性年限。它為研究既有建筑涂層耐久性問題提供了一個思路。在綜合考慮涂層本身性能及各種影響因素的條件下，可以借助計算機來構建復雜的模型，進而解決實際問題。

通過建立數(shù)學模型的途徑對涂層的耐久性進行預測，是一個有待發(fā)展的前沿課題。盡管目前處于探索階段，但是，隨著建筑體系耐久性預測方法的不斷完善，隨著相關檢測手段的不斷改進，在預測模型基礎上，通過加大涂料性能對使用壽命影響規(guī)律的研究，采用綜合評定與模型預測相結合的方法，使建筑外墻涂層耐久性檢測和評定真正能夠用于指導實際工程，達到節(jié)約資源、減少維修和延長壽命的目的。

[1] 林宣益. 建筑涂料耐久性之我見[J]. 化學建材, 1999, 15 (3): 5-6.

[2] 黃瑩, 葉亮, 楊卓如. 外墻涂料的耐候性研究[J]. 合成材料老化與應用, 2002, 31 (1): 32-36.

[3] 杜君俐, 李華明. 涂料的老化及試驗[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝, 2008, 11 (4): 38-42.

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[5] WOOD K A, CYPCAR C, HEDHLI L. Predicting the exterior durability of new fluoropolymer coatings [J]. Journal of Fluorine Chemistry, 2000, 104 (1): 63-71.

[6] JOHNSON B W, MCINTYRE R. Analysis of test methods for UV durability predictions of polymer coatings [J]. Progress in Organic Coatings, 1996, 27 (1/4): 95-106.

[ 編輯：韋鳳仙 ]

Establishment and application of durability forecast model to exterior decorative coating //

SHANG Jian-li*, WANG Jian

The coating aging process can be analyzed from coating performance, environmental conditions, and coating damage characteristics. Based on service life prediction theories and mathematical methods, a mathematical model of coating durability prediction was put forward. Two kinds of common construction exterior coatings were studied. The results indicated that the model can be used to better forecast the service life of building's exterior coating.

construction coating; exterior decorative coating; durability; forecast; mathematical model

School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China

TU56.62

A

1004 – 227X (2010) 03 – 0070 – 04

2009–12–01

2009–12–25

“十一五”國家科技支撐計劃重大項目（2006BAJ03A00）；陜西省重點學科建設專項資金資助項目。

尚建麗（1957–），女，河南人，博士，教授，主要從事環(huán)保型建筑材料及高強高性能混凝土研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) shangjianli@xauat.edu.cn。