溫度老化對鋼結(jié)構(gòu)涂層耐風(fēng)沙沖蝕性能的影響

郝贠洪， 李 潔， 田旭樂， 宣姣羽， 馬思晗

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 3.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)建筑檢測鑒定與安全評估工程技術(shù)研究中心， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

中國是沙塵暴頻發(fā)的國家.沙塵暴主要發(fā)生于荒漠化嚴(yán)重的北方干旱、半干旱地區(qū)，是一種危害較強(qiáng)的災(zāi)害性天氣[1]．據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，中國沙漠總面積約130萬km2，約占全國土地面積的13%．沙塵暴天氣所引發(fā)的氣候效應(yīng)，對人類生存環(huán)境和社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[2]．內(nèi)蒙古地區(qū)在中國屬于沙漠分布較多的地區(qū)，自西向東分布六大沙漠：巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠、毛烏素沙地和渾善達(dá)克沙地．這六大沙漠為內(nèi)蒙古地區(qū)沙塵天氣提供了天然基礎(chǔ)．

內(nèi)蒙古地區(qū)的建筑鋼結(jié)構(gòu)長期受沙塵環(huán)境的侵蝕，鋼結(jié)構(gòu)表面保護(hù)涂層的耐風(fēng)沙沖蝕性能成為了影響鋼結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要因素[3-5]．目前相關(guān)研究主要集中在單一風(fēng)沙因素沖蝕對于鋼結(jié)構(gòu)涂層的影響[6-9]，對于在區(qū)域特殊環(huán)境影響下鋼結(jié)構(gòu)涂層受多因素(風(fēng)沙環(huán)境、高低溫度老化、強(qiáng)紫外線輻射等)影響的侵蝕損傷研究還不夠深入，可以查閱到的文獻(xiàn)較少[10-12]．

本文針對內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，在高低溫環(huán)境及其與風(fēng)沙環(huán)境復(fù)合作用下的鋼結(jié)構(gòu)涂層損傷性能進(jìn)行研究，包括高低溫循環(huán)對鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層老化的影響以及鋼結(jié)構(gòu)涂層耐風(fēng)沙沖蝕性能的影響．研究結(jié)果對于在區(qū)域高低溫特殊環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)涂層的制備和使用具有一定的科學(xué)指導(dǎo)和實(shí)際工程意義．

1 試驗(yàn)

1.1 試件制備

采用規(guī)格為80mm×80mm×3mm的Q235鋼板，經(jīng)噴砂除銹處理后，選用聚氨酯油漆，按照GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中的“鋼結(jié)構(gòu)涂裝工程”工藝要求噴涂在鋼板上，涂層厚度約320μm．試件示意圖見圖1．

1.2 風(fēng)沙環(huán)境特征分析

影響涂層沖蝕損傷程度的因素主要有：風(fēng)沙流粒子特征、風(fēng)沙流速度和沙塵濃度．其中的風(fēng)沙流粒子特征主要分為沙粒的粒徑和形狀．

圖1 試件示意圖Fig.1 Schematic of specimen

試驗(yàn)用沙取自內(nèi)蒙古自治區(qū)騰格里沙漠．騰格里沙漠是中國的第四大沙漠，沙丘面積占沙漠面積的71%，是造成內(nèi)蒙古地區(qū)沙塵暴的主要沙漠之一．采用篩分法分析其沙粒粒徑分布，結(jié)果如表1所示．

表1 沙粒粒徑分布

由表1可知，試驗(yàn)用沙粒徑主要分布在0.125～0.50mm，占比為91.13%；粒徑小于0.125mm的占比為3.32%；粒徑大于0.5mm的占比為5.53%．

1.3 試驗(yàn)方法及裝置

高低溫循環(huán)老化試驗(yàn)采用模擬自然環(huán)境老化試驗(yàn)箱，結(jié)合內(nèi)蒙古地區(qū)自然環(huán)境特征，設(shè)置溫度老化試驗(yàn)工況：最低溫度-20℃，保持2h，隨后緩慢上升到 45℃，保持2h，再緩慢下降至-20℃，保持 2h.如此為1個(gè)循環(huán)，循環(huán)次數(shù)n分別為10、20、30、40和50．

風(fēng)沙環(huán)境沖蝕試驗(yàn)采用氣流挾沙噴射法，利用模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕試驗(yàn)系統(tǒng)，對經(jīng)歷高低溫循環(huán)老化前后的鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層進(jìn)行沖蝕損傷試驗(yàn)研究．模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕試驗(yàn)系統(tǒng)由高壓氣源系統(tǒng)、供沙系統(tǒng)、侵蝕系統(tǒng)和沙?；厥障到y(tǒng)4個(gè)部分組成[7]，可以很方便地控制試驗(yàn)參數(shù)(沖蝕速度v、沖蝕角度φ、沖蝕下沙量G和沖蝕時(shí)間t)，如圖2所示．

圖2 模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch map of simulated wind sand environment erosion experiment system

1.4 沖蝕試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)方法

采用沖蝕率α(mg/g)來評價(jià)涂層的沖蝕損傷程度，是目前運(yùn)用較為廣泛的一種方法．通過測量涂層在沖蝕前后的質(zhì)量變化Δm(mg)與沖蝕沙粒質(zhì)量m0(g) 的比值來評價(jià)其沖蝕損傷程度，具體定義如下：

α=Δm/m0

(1)

2 鋼結(jié)構(gòu)涂層的老化分析

應(yīng)用掃描電鏡(SEM)對未老化的鋼結(jié)構(gòu)涂層和經(jīng)歷高低溫循環(huán)老化10、20、30、40、50次后的鋼結(jié)構(gòu)涂層微觀損傷形貌進(jìn)行對比分析，如 圖3 所示．

圖3 鋼結(jié)構(gòu)未老化涂層與經(jīng)過高低溫循環(huán)老化后的涂層對比圖Fig.3 Comparison of non-aging coating and aging coatings with high and low temperature cycling aging test

由圖3可知，未老化的鋼結(jié)構(gòu)涂層表面除了存在少量的制作缺陷之外，涂層表面較為平整，而經(jīng)歷高低溫循環(huán)老化后的鋼結(jié)構(gòu)涂層上出現(xiàn)了明顯的裂紋、起皮、皸裂，并出現(xiàn)了密集的白色物質(zhì)．同時(shí)，高低溫循環(huán)老化對鋼結(jié)構(gòu)涂層表面平滑度產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，導(dǎo)致涂層的耐沖蝕能力降低．

另外，對未老化的鋼結(jié)構(gòu)涂層和經(jīng)過高低溫循環(huán)老化后的鋼結(jié)構(gòu)涂層進(jìn)行X射線能譜(EDS)和X射線衍射(XRD)分析，對涂層中的元素組成和主要晶體物相進(jìn)行老化前后的對比，結(jié)果如表2和圖4所示．

表2 鋼結(jié)構(gòu)未老化涂層和不同老化程度涂層中的元素組成對比

Note：K is any element.

圖4 鋼結(jié)構(gòu)未老化涂層與不同老化程度涂層的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of steel structure with non-aging coating and different aging coatings

由表2可知：鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層經(jīng)過高低溫循環(huán)老化作用后，C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)減少的趨勢；Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)增加的趨勢；O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)明顯的增加趨勢.這是由于高低溫循環(huán)作用使聚氨酯涂層發(fā)生了明顯氧化作用，致使涂層性能發(fā)生變化，涂層的耐風(fēng)沙沖蝕性能明顯降低．

由圖4可知，鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層的主要晶體物相為CaMg(CO3)2、CaCO3、BaSO4和TiO2，這與EDS測試得到的元素組成相符合；涂層老化前后的物相并未發(fā)生明顯變化，這說明涂層在高低溫循環(huán)老化過程中并未產(chǎn)生新的物相，高低溫循環(huán)老化行為對于涂層中的晶體物質(zhì)影響較?。赬RD圖譜中20°～40°間存在饅頭峰，這是涂層中存在大量的含C非晶態(tài)物質(zhì)所致．

3 試驗(yàn)結(jié)果及涂層的損傷機(jī)理分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析對比

圖5是未老化的鋼結(jié)構(gòu)涂層和經(jīng)歷高低溫循環(huán)老化10、20、30、40、50次的鋼結(jié)構(gòu)涂層，在沖蝕速度為 23m/s、下沙率為30g/min、沖蝕時(shí)間為10min時(shí)的沖蝕角度與沖蝕率關(guān)系圖．

圖5 未老化涂層與不同老化程度涂層的沖蝕率對比Fig.5 Comparison of erosion rate between non-aging coating and different aging coatings

由圖5可知：(1)在相同沖蝕條件下，老化后涂層的沖蝕率高于未老化涂層的沖蝕率，沖蝕率增加0.00010～0.00035mg/g，這是涂層經(jīng)歷高低溫循環(huán)之后發(fā)生了明顯老化，使涂層的耐沖蝕性能明顯降低所致.(2)在經(jīng)歷10、20次高低溫循環(huán)老化后，涂層沖蝕率增加較少；經(jīng)歷30次高低溫循環(huán)老化后，涂層沖蝕率增加較為明顯．在聚氨酯涂料中，氨脂鍵中的氫原子使高分子鏈的氫鍵對涂層的耐磨性能具有重要影響，結(jié)合涂層的EDS和XRD分析可知，高低溫循環(huán)作用使聚氨酯涂層發(fā)生了明顯降解和氧化作用，使得涂層中的氫鍵發(fā)生斷裂，涂層的耐風(fēng)沙沖蝕性能明顯降低．

由圖5還可知：當(dāng)沖蝕率達(dá)到最大值時(shí)，未老化鋼結(jié)構(gòu)涂層對應(yīng)的沖蝕角度約為38°；經(jīng)歷高低溫循環(huán)老化后的鋼結(jié)構(gòu)涂層與之對應(yīng)的沖蝕角度則為38°～45°．這是由于沖蝕角度較低時(shí)，聚氨酯涂層主要受到韌性破壞，而高低溫循環(huán)作用會(huì)使聚氨酯涂層的脆性破壞加重，從而導(dǎo)致這一沖蝕角度增大．

另外，當(dāng)沖蝕角度較低(15°～30°)時(shí)，高低溫循環(huán)老化對涂層沖蝕率的影響較??；在中高角度(30°～ 90°)下沖蝕時(shí)，高低溫循環(huán)老化對涂層沖蝕率的影響較大．

3.2 涂層的損傷機(jī)理分析

圖6為未老化鋼結(jié)構(gòu)涂層在風(fēng)速為23m/s、下沙率為30g/min，沖蝕角度分別為15°、45°、90°時(shí)的沖蝕損傷SEM照片；圖7為鋼結(jié)構(gòu)涂層經(jīng)歷50次高低溫循環(huán)老化后，在風(fēng)速為23m/s、下沙率為 30g/min，沖蝕角度分別為15°、45°、90°時(shí)的沖蝕損傷SEM照片．

當(dāng)涂層受到具有動(dòng)能的沙粒撞擊時(shí)，沙粒會(huì)對涂層產(chǎn)生水平切削作用和豎直撞擊作用.若沖蝕角度較低，沙粒撞擊產(chǎn)生的水平切削力要大于豎直撞擊力，這時(shí)涂層的沖蝕損傷主要以斜向的切削破壞為主；若沖蝕角度較高，沙粒撞擊產(chǎn)生的豎直撞擊力要大于水平切削力，這時(shí)涂層材料會(huì)因較大的豎直撞擊力而導(dǎo)致疲勞并變形剝落．

圖6 未老化鋼結(jié)構(gòu)涂層受沖蝕后的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM photos of steel structure with non-aging coating after erosion

由圖6(a)和圖7(a)可以看出：(1)在沖蝕角度為15°時(shí)，由于沙粒沖蝕速度的水平分力較大，未老化涂層和經(jīng)歷50次高低溫循環(huán)老化的涂層上均存在水平劃痕，且劃痕較長；同時(shí)劃痕邊緣出現(xiàn)了明顯的磨屑材料(白圈部分)，這說明在低角度下沖蝕時(shí)，涂層主要受到水平切削力的切削作用，此時(shí)沙粒對涂層的切削作用是涂層沖蝕損傷的主要原因[9]． (2)經(jīng) 歷50次高低溫循環(huán)老化的涂層受沙粒沖蝕后，其SEM照片的清晰度較未老化涂層明顯降低，水平劃痕明顯較長，材料堆積則較少，這是由于高低溫循環(huán)老化使得涂層的表面平滑度降低，涂層的耐沖蝕能力降低，沖蝕率增加．

圖7 經(jīng)歷50次高低溫循環(huán)老化的鋼結(jié)構(gòu)涂層受沖蝕后的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photos of steel structure with 50 circular aging coatings after erosion

由圖6(b)和圖7(b)可知：(1)在沖蝕角度為45°時(shí)，未老化涂層和經(jīng)歷50次高低溫循環(huán)老化的涂層上均存在水平劃痕，且劃痕明顯較沖蝕角度為15°時(shí)短，劃痕邊緣的磨屑材料堆積更加明顯，同時(shí)涂層的沖蝕形貌出現(xiàn)了少數(shù)的沖蝕坑(白圈部分)，這是由于此時(shí)沙粒對涂層的切削作用和撞擊作用共同控制了涂層沖蝕損傷過程．(2)經(jīng)歷50次高低溫循環(huán)老化的涂層受風(fēng)沙沖蝕后，其SEM照片的清晰度較未老化涂層明顯降低，沖蝕坑的尺度則更大．

由圖6(c)和圖7(c)可知：在沖蝕角度為90°時(shí)，2種涂層表面均出現(xiàn)了明顯的沖擊坑.這是由于此時(shí)涂層表面主要受到豎直方向的撞擊作用，涂層的破壞主要是擠壓變形，涂層材料在沖蝕坑的四周被擠出．同時(shí)，經(jīng)歷50次高低溫循環(huán)老化的涂層受風(fēng)沙沖蝕后，其SEM照片的清晰度較未老化涂層也明顯降低．

4 結(jié)論

(1)經(jīng)歷高低溫循環(huán)老化后的鋼結(jié)構(gòu)涂層出現(xiàn)了明顯的裂紋、起皮、皸裂，并出現(xiàn)了密集的白色物質(zhì)；溫度老化對鋼結(jié)構(gòu)涂層表面平滑度產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致涂層的耐沖蝕能力降低．

(2)經(jīng)歷高低溫循環(huán)老化作用后，聚氨酯涂層中的C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，Si元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，O元素出現(xiàn)明顯的增加趨勢.老化后涂層的性能發(fā)生了變化，對涂層的耐風(fēng)沙沖蝕性能產(chǎn)生了一定影響．鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層的主要晶體物相為CaMg(CO3)2、CaCO3、BaSO4和TiO2，這與EDS測試得到的元素組成相符合；高低溫老化過程并未產(chǎn)生新的物相．

(3)經(jīng)歷高低溫循環(huán)老化后，涂層的耐沖蝕性能明顯降低．在經(jīng)歷10、20次高低溫循環(huán)老化后，涂層的沖蝕率增加較少，經(jīng)歷30次高低溫循環(huán)老化后，涂層的沖蝕率增加明顯．涂層受風(fēng)沙沖蝕后的SEM照片清晰度明顯降低．

(4)與未老化的鋼結(jié)構(gòu)涂層最大沖蝕率對應(yīng)的沖蝕角度約為38°，與經(jīng)歷高低溫循環(huán)老化后的鋼結(jié)構(gòu)涂層最大沖蝕率對應(yīng)的沖蝕角度為38°～45°．高低溫循環(huán)老化致使鋼結(jié)構(gòu)涂層的這一沖蝕角度有所增大．