聚氨酯類基材處理劑熱應(yīng)力研究

朱 立，呂 平，黃微波

(1.青島理工大學(xué)功能材料研究所，山東青島 266033;2.寧波交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江寧波 315000)

作為聚脲工程相配套的基材處理劑，是連接混凝土基層與聚脲防水層的中間層，起到承上啟下的作用。不僅需具備與基材優(yōu)異的附著力，且能夠與聚脲起到良好的黏接效果，同時(shí)還需具備修補(bǔ)基材表面缺陷等優(yōu)異的施工效果［1］。

環(huán)氧類基材處理劑由于附著力性能高等特點(diǎn)而被廣泛使用，也成為聚脲施工的主要處理劑。然而，其冬季施工效果不佳、熱應(yīng)力較大，導(dǎo)致冬季聚脲涂層大面積脫落［2-3］。為此，本文提出一種基于聚氨酯類的基材處理劑(QTECH-112)，其物理性能指標(biāo)在符合《京滬高速鐵路橋混凝土橋面噴涂聚脲防水層暫行技術(shù)條件》的前提下［4］，研究基材處理層平面熱應(yīng)力變化情況，采用靜態(tài)應(yīng)變儀，測(cè)試其常溫、低溫下的主應(yīng)變變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件制備及主要試驗(yàn)設(shè)備

采用在抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等物理性能及泊松比、彈性模量及熱膨脹性系數(shù)上相接近的天然大理石板模擬C50高性能混凝土。在400 mm×300 mm大理石上刮涂QTECH-112類基材處理劑。表1為主要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

表1 主要試驗(yàn)設(shè)備

1.2 靜態(tài)應(yīng)變?cè)囼?yàn)

涂層平面應(yīng)變測(cè)試，采用靜態(tài)應(yīng)變儀，使用四分之一橋路連接，大理石板中心點(diǎn)采取三片5 mm×30 mm應(yīng)變片貼直角應(yīng)變花的方式，采用摩爾應(yīng)變圓計(jì)算公式，得出最大主應(yīng)變?chǔ)?、最小主應(yīng)變?chǔ)?和最大主應(yīng)變與0°應(yīng)變片(11號(hào))水平方向線(簡(jiǎn)稱x軸)的夾角ψ;四角采用5 mm×3 mm應(yīng)變片的方式，其中1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、8號(hào)為橫向布置，其余為豎向布置。如圖1所示，測(cè)試在常溫20℃ ～23℃和低溫－20℃ ～18℃時(shí)，QTECH-112平面涂層應(yīng)變情況，研究涂層中心點(diǎn)與四周的聯(lián)系與區(qū)別。

圖1 電阻應(yīng)變片的平面布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 常溫靜態(tài)應(yīng)變

2.1.1 中心點(diǎn)主應(yīng)變

20℃常溫下QTECH-112基材處理層中心點(diǎn)主應(yīng)變變化規(guī)律如圖2所示。圖2(a)是20℃常溫下QTECH-112最大主應(yīng)變?chǔ)?隨時(shí)間發(fā)展的變化規(guī)律。從圖中看到，最大主應(yīng)變?chǔ)?表現(xiàn)為相對(duì)緩慢增長(zhǎng)，微應(yīng)變從0增加到15×10－6。圖2(b)是最小主應(yīng)變?chǔ)?的變化規(guī)律。從中看到，隨著時(shí)間的增加，最小主應(yīng)變?chǔ)?保持相對(duì)穩(wěn)定，微應(yīng)變維持在－1×10－6。圖2(c)是最大主應(yīng)力與x軸的夾角變化規(guī)律。圖2(c)表明最大主應(yīng)力方向與x軸夾角ψ維持在－20°±2°左右。從圖2可以看出，在常溫下聚氨酯類基材處理劑維持在較低的微應(yīng)變，其產(chǎn)生的應(yīng)力忽略不計(jì)。文中或圖中相對(duì)時(shí)間0.5 s等于實(shí)際時(shí)間5 s。

圖2 常溫下QTECH-112基材處理層中心點(diǎn)主應(yīng)變變化規(guī)律

2.1.2 四角微應(yīng)變

圖3是常溫20℃下大理石板四角的微應(yīng)變變化規(guī)律。從圖3可以看出2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)應(yīng)變變化不大，其余則隨測(cè)試時(shí)間增加而相應(yīng)增長(zhǎng)，這是由于不同測(cè)點(diǎn)存在差異，受到邊界條件的制約不大，常溫下邊角應(yīng)變呈拉伸微應(yīng)變，大致保持在30×10－6，其應(yīng)力應(yīng)變略高于中心點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)［5-7］，各點(diǎn)變化規(guī)律可能與所測(cè)各點(diǎn)自身涂層的厚度等有關(guān)。

根據(jù)以上研究結(jié)果推斷，常溫下聚氨酯類基材處理劑熱應(yīng)力對(duì)于聚脲附著力幾乎不產(chǎn)生影響。

2.2 低溫靜態(tài)應(yīng)變

2.2.1 中心主應(yīng)變

圖3 常溫下四角QTECH-112基材處理層應(yīng)變變化規(guī)律

圖4是QTECH-112類基材處理劑在－20℃低溫條件下中心的主應(yīng)變變化規(guī)律。圖4(a)是最大主應(yīng)變?chǔ)?的變化規(guī)律，由圖4(a)可見(jiàn)，8 h內(nèi)ε1在100×10－6～250 ×10－6區(qū)間波動(dòng)，波動(dòng)幅度大致為75 ×10－6左右，且隨持續(xù)時(shí)間的增加而增長(zhǎng)，增加速率不大，QTECH-112基材處理劑表現(xiàn)為拉伸應(yīng)變。圖4(b)為QTECH-112中心點(diǎn)最小主應(yīng)變?chǔ)?的變化規(guī)律，8 h內(nèi)一直維持在－60×10－6～0的區(qū)間波動(dòng)，幅度大致為60 ×10－6，平均值為 －30 ×10－6。圖4(c)是最大主應(yīng)變?chǔ)?與x軸夾角ψ的變化規(guī)律，從中可以看到40 min(相對(duì)時(shí)間120 s)后，ψ 維持在 －44°±1°范圍內(nèi)，0～25 min保持在45°±1°范圍內(nèi)，25～40 min在44°±1°與－44°±1°交替，可能由于前25 min基材處理劑與環(huán)境溫度未平衡有關(guān)。

圖4 低溫下QTECH-112類基材處理層中心點(diǎn)主應(yīng)變變化規(guī)律

2.2.2 四角微應(yīng)變

表2是－20℃條件下8 h后大理石四角微應(yīng)變。由表2可見(jiàn)，8 h后四角微應(yīng)變?nèi)跃S持在－25×10－6～30×10－6區(qū)間內(nèi)，表明四角微應(yīng)變不大，這與中心點(diǎn)呈收縮應(yīng)變和受大理石邊界條件制約，二者因素共同作用有關(guān)。

表2 大理石板四角1號(hào)～8號(hào)低溫8 h后微應(yīng)變

低溫條件下，QTECH-112基材處理劑之所以呈拉伸應(yīng)變狀態(tài)，是因?yàn)樽鳛橐环N聚氨酯類彈性體材料，自身具有大量線性柔性部分，呈無(wú)規(guī)則卷曲狀態(tài)，同時(shí)其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫，在降溫過(guò)程中，越過(guò)玻璃化溫度轉(zhuǎn)化區(qū)時(shí)，相對(duì)于環(huán)氧體系脆性的特點(diǎn)，有一段應(yīng)力松弛時(shí)間，能夠很好地緩解環(huán)境溫度變化所帶來(lái)的應(yīng)力應(yīng)變，故而其應(yīng)變小于大理石基材的收縮應(yīng)變［7-8］，在低溫下對(duì)于聚脲的附著力影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

常溫(20℃)下，聚氨酯類基材處理劑應(yīng)變不大，主應(yīng)變維持在0～20×10－6區(qū)間內(nèi)，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，對(duì)聚脲附著力沒(méi)有影響。低溫(－20℃)下，8 h后，QTECH-112 基材處理劑:ε1為 245 ×10－6，ε2平均為 －29.80×10－6，1號(hào) ～8號(hào) ε平均值為 －57×10－6;在8 h內(nèi)最大主應(yīng)變從100×10－6緩慢上升到250×10－6，且 ψ 值在 40 min后，一直維持在 －44°±1°范圍內(nèi)，這是因?yàn)镼TECH-112作為一種彈性材料，在降溫過(guò)程中，越過(guò)玻璃化溫度轉(zhuǎn)化區(qū)時(shí)，有一段應(yīng)力松弛時(shí)間，從而很好地抵消了低溫引起的熱應(yīng)力。結(jié)構(gòu)因素是影響基材處理劑應(yīng)變的一個(gè)重要因素，在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮，避免產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變。

［1］黃微波．噴涂聚脲技術(shù)在京滬高鐵的應(yīng)用與展望［J］．上海涂料，2009，47(5):1-3．

［2］姜英濤．涂料基礎(chǔ)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:48-77．

［3］尹應(yīng)躍，魏曉紅，游敏．粘涂層中的溫度應(yīng)力測(cè)試與分析［J］．粘接，2003，24(4):3-5．

［4］呂平，朱立．基材處理劑對(duì)京滬高鐵聚脲涂層附著力影響的研究［J］．新型建筑材料，2010(6):77-80．

［5］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(49):877-880．

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

［7］山西省化工研究所．聚氨酯彈性體手冊(cè)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001．

［8］呂平，朱立，劉旭東，等．新建高速鐵路環(huán)氧基材處理劑熱應(yīng)力對(duì)聚脲防護(hù)層附著力影響的研究［J］．鐵道建筑，2011(5):40-42．