不同老化處理方式對(duì)混凝土防腐蝕涂層表面狀態(tài)和拉伸性能的影響

羅志權(quán)，郭琦，陳斌，連新奇，姬明杰，靳昊，程冠之

(1.海南高速鐵路有限公司，海南?？?570125;2.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230071; 3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;4.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

不同老化處理方式對(duì)混凝土防腐蝕涂層表面狀態(tài)和拉伸性能的影響

羅志權(quán)1，郭琦1，陳斌1，連新奇1，姬明杰2，靳昊3，4，程冠之3，4

(1.海南高速鐵路有限公司，海南?？?570125;2.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230071; 3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;4.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

選擇醇酸、丙烯酸、聚氨酯和氟碳4類涂料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究其耐紫外、耐濕熱和耐堿溶液的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明:醇酸涂層和丙烯酸涂層整體耐老化性能較差，濕熱老化處理7 d后，試件的失光率高達(dá)90% 以上，表面出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂和起泡現(xiàn)象。聚氨酯涂層耐堿溶液的性能較好，但是受紫外老化和濕熱老化影響較大，其紫外老化28 d后失光率大于75% ，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率下降超過40% ，濕熱老化7 d后的失光率達(dá)97% ，表面開裂和起泡情況嚴(yán)重。氟碳涂層耐老化性能優(yōu)異，老化28 d后失光率不到20% ，表面無粉化、開裂、起泡、剝落等現(xiàn)象，拉伸性能未受損害。4類涂層耐老化性能的順序?yàn)榇妓嵬繉樱急┧嵬繉樱季郯滨ネ繉樱挤纪繉印?/p>

氟碳涂層 聚氨酯涂層 丙烯酸涂層 醇酸涂層 老化處理

海洋工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受到氯鹽、硫酸鹽、碳化、凍融等因素的復(fù)合作用，不僅造成混凝土本體的損傷，也會(huì)誘發(fā)混凝土中的鋼筋銹蝕，引起混凝土保護(hù)層開裂、剝落，最終導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞［1］。因此，需對(duì)海洋工程中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采取有效的防腐蝕強(qiáng)化措施，以提高其結(jié)構(gòu)耐久性。許多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，實(shí)踐證明，在混凝土表面進(jìn)行涂層防護(hù)可有效地提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能［2－3］。

混凝土防腐蝕涂層體系中，面漆與外部直接接觸，受紫外線輻照、溫濕度變化和鹽溶液侵蝕等環(huán)境因素的直接作用，因此其耐老化性能是維持涂層體系長(zhǎng)期有效性的關(guān)鍵所在。目前，混凝土防腐蝕涂層面漆主要包括醇酸樹脂類、丙烯酸樹脂類、聚氨酯樹脂類和氟碳樹脂類。醇酸面漆價(jià)格低，但耐候性較差，常需添加助劑(如鋁粉、石墨等)以提高其耐老化性能;丙烯酸面漆裝飾性和附著力較好，但是耐水解性能較差，低溫易變脆，高溫易變黏;聚氨酯面漆綜合性能優(yōu)異，但其漆膜易變黃、粉化、褪色［4］;氟碳面漆目前均采用FEVE樹脂(氟烯烴與烷基乙烯基醚或烷基乙烯基酯的共聚物)配制，耐老化性能最優(yōu)。FEVE樹脂內(nèi)部存在大量C—F鍵，鍵能達(dá)486.15 kJ/mol，不易被紫外線破壞，且分子中的含氟單元可有效保護(hù)烷基乙烯基醚或烷基乙烯基酯單元，因而耐老化性能優(yōu)于其它幾種面漆［5－6］。然而，由于海工混凝土結(jié)構(gòu)受多種腐蝕因素的共同作用，腐蝕條件更為嚴(yán)苛，因此各類涂層材料的防腐蝕效果有待進(jìn)一步研究和測(cè)試。

本文考察了不同老化形式對(duì)各類面漆性能的影響，試驗(yàn)中對(duì)醇酸、丙烯酸、聚氨酯和氟碳等4類面漆分別進(jìn)行了紫外老化、濕熱老化和堿溶液的處理，并測(cè)試了處理前后的涂層表面狀態(tài)及拉伸性能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 主要原料

①自制氟碳樹脂涂料;②自制單組份聚氨酯涂料;③中康泰博(天津)防腐涂料有限公司生產(chǎn)的單組份丙烯酸涂料;④中康泰博(天津)防腐涂料有限公司生產(chǎn)的灰鋁粉石墨醇酸面漆。

1.2 主要設(shè)備及儀器

①美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司生產(chǎn)的CMT6104型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī);②天津港源儀器廠生產(chǎn)的HD－10型測(cè)厚儀;③普桑達(dá)儀器科技有限公司生產(chǎn)的BY－269B型可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱;④美國(guó)Q－Lab公司生產(chǎn)的紫外老化試驗(yàn)箱。

1.3 測(cè)試方法

紫外老化處理參照《機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗(yàn)方法熒光紫外燈》(GB/T 14522—2008)執(zhí)行。

堿溶液和鹽溶液處理參照《混凝土結(jié)構(gòu)防護(hù)用成膜型涂料》(JG/T 335—2001)執(zhí)行。

濕熱老化參照《漆膜耐濕熱測(cè)定法》(GB/T 1740—2007)執(zhí)行。

表面狀態(tài)測(cè)試參照《色漆和清漆涂層老化的評(píng)級(jí)方法》(GB/T 1766—2008)進(jìn)行試件面漆的失光率測(cè)試，以及粉化、起泡、剝落和開裂情況的等級(jí)評(píng)定。

拉伸性能測(cè)試參照《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》(GB/T 16777—2008)進(jìn)行試件面漆的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 耐紫外老化性能

分別將醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂和氟碳樹脂涂料制成標(biāo)準(zhǔn)試膜及試件，對(duì)比其耐紫外老化性能。圖1為紫外老化處理后各類涂層的失光率。由圖可知，隨紫外老化時(shí)間增加，4類試膜的光澤度均有不同程度下降，其中醇酸試膜的光澤度下降最明顯，紫外老化7 d后的失光率超過50% ，達(dá)到4級(jí)失光，屬嚴(yán)重失光狀態(tài)。丙烯酸試膜和聚氨酯試膜的失光率下降也較明顯，紫外老化7 d后失光率已分別達(dá)到25.1% 和15.8% ，屬輕微失光狀態(tài);紫外老化14 d后失光率達(dá)40% 以上，屬明顯失光狀態(tài)。氟碳試膜的表面光度保持率較高，紫外老化7 d后的失光率僅1.3% ，屬無失光狀態(tài);紫外老化28 d后失光等級(jí)仍在1級(jí)范圍內(nèi)，屬于很輕微失光狀態(tài)。

圖1 紫外老化處理后各類涂層的失光率

選擇了失光率較低的氟碳試膜和聚氨脂試膜進(jìn)行了拉伸性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖可知，氟碳試膜和聚氨酯試膜相比，雖然拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較低，但是其耐紫外老化性能明顯優(yōu)于后者，經(jīng)紫外老化處理28 d后，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化率≤10% 。而聚氨酯試膜隨紫外老化時(shí)間增加，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率明顯下降，紫外老化28 d后，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別下降了40% 和48% 。

綜上所述，氟碳涂層的耐紫外老化性能最優(yōu)，明顯高于醇酸、丙烯酸和聚氨酯涂層。

圖2 紫外老化處理后氟碳及聚氨酯涂層的拉伸性能

2.2 耐濕熱老化性能

分別將醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂和氟碳樹脂涂料參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1740—2007在馬口鐵板上制成標(biāo)準(zhǔn)試膜及試件，并對(duì)比其耐濕熱老化性能，結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 濕熱老化處理后各類涂層的失光率

表1 濕熱老化處理后各類涂層的外觀檢測(cè)

從圖3可知，除氟碳試件外，其它3類試件經(jīng)濕熱老化處理后，光澤度下降顯著，老化7 d時(shí)的失光率均已超過90% ，已達(dá)到5級(jí)失光水平，屬完全失光狀態(tài)。而氟碳試件經(jīng)濕熱老化處理7 d后的失光率僅為4.4% ，在失光1級(jí)范圍內(nèi)，屬于很輕微失光狀態(tài);濕熱老化處理28 d時(shí)失光率也僅為18.7% ，在失光2級(jí)范圍內(nèi)，屬輕微失光狀態(tài)。從表1可知，經(jīng)濕熱老化處理后，醇酸和丙烯酸涂層出現(xiàn)了嚴(yán)重的開裂現(xiàn)象，濕熱老化7 d后，開裂等級(jí)≥3級(jí)，而聚氨酯和氟碳試件表面未出現(xiàn)開裂。同時(shí)，除氟碳試件外，其它3類試件經(jīng)濕熱老化后均產(chǎn)生了嚴(yán)重的起泡現(xiàn)象，濕熱老化7 d后，起泡等級(jí)已達(dá)到5級(jí)。而氟碳涂層由于致密性極佳、水汽透過率低以及黏結(jié)性能良好，所以試件受濕熱老化的影響明顯低于其它3類材料。氟碳試件濕熱老化7 d后面漆無起泡，28 d后起泡等級(jí)仍為3級(jí)。

4類試件經(jīng)濕熱老化7d后表面狀態(tài)如圖4所示。從圖中可知，醇酸、丙烯酸和聚氨酯涂層經(jīng)濕熱老化處理后受損嚴(yán)重，已無法進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，而氟碳試件的表面狀態(tài)仍保持良好。由上述結(jié)果可知，氟碳涂層的耐濕熱老化性能良好，明顯優(yōu)于醇酸、丙烯酸和聚氨酯涂層。

圖4 濕熱老化處理7 d后各類涂層試件的表面狀態(tài)

2.3 耐堿溶液性能

分別將醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂和氟碳樹脂涂料制成標(biāo)準(zhǔn)試膜及試件，對(duì)比其耐堿溶液性能，結(jié)果如圖5和表2所示。

圖5 堿溶液處理后各類涂層的失光率

表2 堿溶液處理后各涂層外觀檢測(cè)

從圖5和表2可知，經(jīng)堿處理后，醇酸和丙烯酸涂層表面光澤度下降明顯，堿處理28 d后，失光率≥80% 。同時(shí)，這2類涂層均出現(xiàn)嚴(yán)重的起泡現(xiàn)象，堿處理28 d后起泡等級(jí)到達(dá)了5級(jí)，并出現(xiàn)了局部剝落現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果說明醇酸和丙烯酸涂層的耐堿性能較差，不適宜在堿環(huán)境下長(zhǎng)期服役。而聚氨酯和氟碳涂層的耐堿性能良好，特別是氟碳涂層，經(jīng)堿處理28 d后試件表面狀態(tài)良好，未發(fā)生粉化、開裂、起泡和剝落等現(xiàn)象。

在此基礎(chǔ)上，研究了堿處理對(duì)聚氨酯和氟碳試膜拉伸性能的影響，如圖6所示。從圖中可知，隨堿處理時(shí)間增加，聚氨酯和氟碳涂層的柔韌性略有下降，拉伸強(qiáng)度增大。這主要是因?yàn)閴A環(huán)境會(huì)對(duì)異氰酸酯基團(tuán)的反應(yīng)活性起到催化作用，提高了聚氨酯和氟碳涂層的固化交聯(lián)程度。

3 結(jié)論

1)醇酸和丙烯酸涂層的耐老化性能較差，其中紫外老化和濕熱老化對(duì)其破壞最為嚴(yán)重，老化后表面失光嚴(yán)重，出現(xiàn)明顯的開裂和起泡等現(xiàn)象，適用于室內(nèi)或一般腐蝕環(huán)境的防腐加強(qiáng)處理。

2)聚氨酯涂層力學(xué)性能佳，耐老化性能優(yōu)于醇酸和丙烯酸涂層，但是耐紫外老化性能和耐濕熱老化性能較差，經(jīng)紫外老化處理28 d后拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別下降了40% 和48% ，經(jīng)濕熱老化7 d后失光率高達(dá)97% ，表面被嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)明顯的開裂和氣泡現(xiàn)象，適用于中等腐蝕環(huán)境的防腐加強(qiáng)處理。

圖6 堿處理后氟碳及聚氨酯涂層的拉伸性能

3)氟碳涂層的耐老化性能優(yōu)異，明顯高于其它3種涂層，經(jīng)紫外老化、濕熱老化和堿處理28 d后，試膜的拉伸性能未受損，失光率＜20% ，表面狀態(tài)良好，未發(fā)生粉化、開裂、起泡和剝落等現(xiàn)象，適用于惡劣環(huán)境下的防腐加強(qiáng)處理。

［1］康莉萍.海洋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面涂層防護(hù)的研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2013.

［2］辛小平.濃縮海水環(huán)境混凝土涂層保護(hù)的適用性研究［D］.青島:青島理工大學(xué)，2008.

［3］NEOH K G，KANG E T.Combating Bacterial Colonization on Metals via Polymer Coatings:Relevance to Marine and Medical Applications［J］.Acs Applied Materials＆Interfaces，2011，3 (8):2808－2819.

［4］范波波.建筑混凝土用防腐蝕氟碳樹脂涂料的制備及涂層性能研究［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué)，2008.

［5］柳維成，計(jì)春艷，鄭鐵英.國(guó)內(nèi)外橋梁防腐蝕現(xiàn)狀及今后發(fā)展趨勢(shì)［J］.全面腐蝕控制，2008，22(1):17－20.

［6］李運(yùn)德，左禹.常溫固化FEVE氟碳涂料耐候性研究［J］.涂料工業(yè)，2010，40(1):4－7.

Influence of different aging treatment methods on concrete corrosion-resistant coating and tensile performance

LUO Zhiquan1，GUO Qi1，CHEN Bin1，LIAN Xinqi1，JI Mingjie2，JIN Hao3，4，CHENG Guanzhi3，4
(1.Hainan High－speed Railway Co.，Ltd.，Haikou Hainan 570125，China; 2.China Railway 4th Bureau Group Co.，Ltd.，Hefei Anhui 230071，China; 3.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 4.State Key Laboratory for Track Technology of High－speed Railway，Beijing 100081，China)

The paper carries out comparative studies on the resistance performance of four coating materials－alcohol acid，acrylic acid，polyurethane and fluorocarbon－against UV，moisture－h(huán)eat and aqueous alkali.The results indicate that the first two choices－being alcohol acid and acrylic acid－deliver a poor aging performance，as both display a more than 90% gloss loss with severe cracking and foaming after seven days of moisture－h(huán)eat treatment.Polyurethane on the other hand performs well in terms of aqueous alkali resistance，yet the coating is heavily influenced by UV and moisture－h(huán)eat.The paper noticed(in the polyurethane specimen)an above 75% gloss loss and a more than 40% drop in tensile strength and in extensibility after 28 d of UV treatment.And 7 d moisture－h(huán)eat treatment gives rise to a 97% gloss loss and severe cracking and foaming.As for the fluorocarbon，it stands out for its aging resistance，as 28 d aging treatment only results in a less than 20% gloss loss.At the same time，no visible pulverization，cracking，foaming or exfoliation is noticed and the tensile performance is hardly undermined.Therefore it can be concluded that the ranking list for the above mentioned four specimens should be alcohol acid＜acrylic acid＜polyurethane＜fluorocarbon.

Fluorocarbon coating;Polyurethane coating;Acrylic acid coating;Alcohol acid coating;Aging treatment

TQ322.4+1;U214.1+8

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.38

(責(zé)任審編 周彥彥)

1003－1995(2015)10－0172－04

2015－01－19;

2015－04－22

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014G004－R)

羅志權(quán)(1966—)，男，高級(jí)工程師。