模擬風(fēng)沙環(huán)境下混凝土防護涂層抗沖蝕性能的研究

劉艷晨，郝贠洪，高峰，張飛龍

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) a.理學(xué)院 b.內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室 c.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 d.土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051）

混凝土結(jié)構(gòu)是工程中使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，但由于其所處外界環(huán)境復(fù)雜，在使用過程中，常受天氣變化等外界因素的多重破壞，因此如何提高混凝土耐久性早已是研究的重點和熱點[1]。目前，提高混凝土耐久性的措施主要有，摻雜纖維、粉煤灰等混合料改善內(nèi)部結(jié)構(gòu)[2-4]，或添加減水劑、早強劑等外加劑提高密實性[5-7]。但對于西部地區(qū)沙塵暴多發(fā)區(qū)域的混凝土結(jié)構(gòu)，還遭受風(fēng)沙沖蝕，嚴重影響了其正常使用[8]。風(fēng)沙沖蝕主要是沙粒對混凝土表面反復(fù)沖擊，造成表面及基材失效的過程[9]，所以在其表面制備一層耐沖蝕的涂層，對于防止和延緩混凝土結(jié)構(gòu)受風(fēng)沙沖蝕破壞具有重要意義。

對于提高環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性而言，在混凝土表面制備防護涂層無疑是一種成本低廉、施工方便且較為有效的防護措施[10-11]，同時，還可以防御鹽類侵蝕[12-13]、紫外老化[14]或沖蝕損傷[15-16]等破壞。目前，在混凝土結(jié)構(gòu)中常用的防護涂層主要有聚脲防護涂層、環(huán)氧樹脂防護涂層等多種類型。其中，高強度彈性體聚脲防護涂層可起到改善基體抗沖擊和彈道載荷性能的作用[17-18]，并在使用期間可起到耐腐蝕[19]、抗風(fēng)化作用[19-20]，但由于該涂層造價昂貴，所以對風(fēng)沙環(huán)境中混凝土的防護而言，性價比較低。環(huán)氧樹脂防護涂層由于特殊的“海島結(jié)構(gòu)”，能顯著提高混凝土抗氯離子滲透能力[21-23]，常用于抑制氯鹽侵蝕，提升凍融環(huán)境中建筑物的使用壽命[24-26]，在風(fēng)沙環(huán)境地區(qū)，常伴隨大風(fēng)嚴寒氣候，所以該涂層成為風(fēng)沙環(huán)境中混凝土防護的一種選擇。丙烯酸酯類防護涂層由于具有較低的黏度及良好的力學(xué)性能[27-28]，常用于建筑物混凝土表面裂縫控制和修補[29-31]。沙粒對混凝土的沖蝕破壞主要體現(xiàn)為表面微裂紋的產(chǎn)生及擴展，所以丙烯酸防護涂層也可作為該特殊環(huán)境下混凝土的防護措施之一。聚氨酯防護涂層可通過加入不同樹脂進行改性[32]，獲得很高的附著力、耐候性、耐磨性[33]等，常用于提高混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命[16,34]。該涂層是目前應(yīng)用較為廣泛的防護涂層之一，也可用于風(fēng)沙環(huán)境中混凝土的防護。目前，關(guān)于混凝土防護涂層在風(fēng)沙環(huán)境中抗沖蝕性能和損傷機制的研究還鮮有報道，其綜合應(yīng)用和研究有待進一步完善。

本文結(jié)合內(nèi)蒙古地區(qū)實際風(fēng)沙環(huán)境，選取聚氨酯、丙烯酸及環(huán)氧樹脂三種防護涂層，通過接觸角和顯微硬度對涂層的物理及力學(xué)性能進行分析，并利用模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實驗系統(tǒng)，對不同沖蝕參數(shù)下，混凝土結(jié)構(gòu)防護涂層體系的抗沖蝕性能變化進行研究。結(jié)合分形維數(shù)及沖蝕后的微觀形貌特征，探究防護涂層的沖蝕機理，選取在風(fēng)沙環(huán)境綜合性能良好的混凝土防護涂層。

1 實驗

1.1 實驗材料和配合比

混凝土組成多為水泥砂漿，風(fēng)沙及其他環(huán)境的侵蝕主要發(fā)生在混凝土表面。制作尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的立方體試塊，根據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試材料的抗壓強度。配合比及抗壓強度如表1 所示。水泥選用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，細骨料選用天然水洗河砂，細度模數(shù)為2.81，拌合采用自來水。

表1 水泥砂漿配合比及抗壓強度Tab.1 Mix proportions and compressive strength of the cement mortar

防護涂層選用聚氨酯（PU）、丙烯酸（AR）及環(huán)氧樹脂（ER），防護涂層的類型及力學(xué)參數(shù)見表2，其中W 為無防護涂層的水泥砂漿。其中，耐沖擊性根據(jù)GB/T 1732—1993《漆膜耐沖擊測定法》[35]測得，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定耐沖擊性檢測結(jié)果以不引起涂膜破壞的最大高度表示，單位為cm。

表2 防護涂層的類型及力學(xué)參數(shù)Tab.2 Types and mechanical parameters of protective coatings

1.2 試件制作和沖蝕實驗方法

采用表1 的配合比，制作尺寸為80 mm×80 mm×10 mm 的沖蝕實驗試件，澆筑完成后，將試塊放入水中養(yǎng)護28 d 后取出，置于自然環(huán)境中干燥后，噴涂聚氨酯、丙烯酸及環(huán)氧樹脂防護涂層。噴涂完畢后，固化干燥一周，備用。

沖蝕實驗在自主研發(fā)的模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實驗系統(tǒng)中進行，實驗系統(tǒng)的原理如圖1 所示。該系統(tǒng)包括風(fēng)沙模擬裝置和試件放置裝置。風(fēng)沙模擬裝置包含沙源系統(tǒng)、沖蝕控制系統(tǒng)和沙回收箱，試件放置裝置內(nèi)的轉(zhuǎn)動及移動調(diào)節(jié)組件可調(diào)節(jié)試件與風(fēng)沙出口之間的距離與角度。實驗過程中，通過高壓氣源以及落沙量控制裝置實現(xiàn)對沖蝕速度以及下沙率的準(zhǔn)確控制，有效模擬了實際風(fēng)沙環(huán)境的特征。

圖1 模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulated sandstorm environment erosion test system

1.3 實驗用沙

在內(nèi)蒙古中西部的騰格里沙漠進行現(xiàn)場采樣，通過篩分法得到沙粒粒徑分布情況。如圖2a 所示，此區(qū)域內(nèi)的沙粒粒徑分布不均勻，主要以極細沙與細沙為主，其中粒徑在0.08 mm 以下的沙粒占比為5%左右，粒徑為0.08～0.16 mm 的沙粒占比達72%以上，粒徑為0.16 mm 以上的沙粒占比在20%左右。對沙粒進行微觀形貌觀察和分析，發(fā)現(xiàn)沙粒大小不均、表面粗糙且有撞擊坑等特征（圖2b），這主要是由于沙粒受氣流影響，發(fā)生躍起、碰撞、摩擦等周期性活動。

圖2 沙粒粒徑分布及微觀形貌Fig.2 Sand size distribution and micro-morphology: a) sand size distribution; b) micro-morphology of desert sand

1.4 沖蝕程度評價

1.4.1 沖蝕率評價

采用OUHAUS-EP214C 電子精密分析天平（精度0.1 mg，量程200 g）測量沖蝕前后試件的質(zhì)量變化，通過試件的沖蝕率來評價防護涂層試樣的損傷程度，如式（1）所示。

式中：α為沖蝕率，無量綱；m1為沖蝕前試件質(zhì)量，g；m2為沖蝕后試件質(zhì)量，g；ms為下沙量，g/min；t為沖蝕時間，min。

1.4.2 分形維數(shù)評價

圖3 分形維數(shù)Ds 算法示意圖Fig.3 Fractal dimension algorithm

1.4.3 形貌特征評價

材料沖蝕破壞行為可以由沖蝕損傷微觀形貌進行判定。利用掃描電子顯微鏡觀測受沖蝕部位的微觀形貌變化，分析混凝土防護涂層損傷形貌特征和沖蝕機理。

1.5 風(fēng)沙流參數(shù)設(shè)置

風(fēng)沙流參數(shù)是沖蝕破壞的主要影響因素，包括沖蝕角度、沖蝕時間、沖蝕速度、下沙率。本實驗中設(shè)置的風(fēng)沙流參數(shù)為：沖蝕角度為15°、30°、45°、60°、90°，沖蝕速度為17、20、24、26 m/s，下沙率為28 g/min。設(shè)置的風(fēng)沙流參數(shù)是根據(jù)實際沙塵暴爆發(fā)工況，通過相似理論計算轉(zhuǎn)化得出[38]。

2 防護涂層的物理及力學(xué)性能測試結(jié)果

2.1 接觸角

材料表面的接觸角反映了其疏水性，疏水性強，則材料不易被環(huán)境中的各項腐蝕性物質(zhì)滲透。由于風(fēng)沙地區(qū)伴隨著氯鹽侵蝕以及其他各項腐蝕性物質(zhì)的滲透，故對防護涂層進行接觸角測試，評定防護涂層在風(fēng)沙及其復(fù)合環(huán)境下抵抗外界侵蝕的能力，結(jié)果如圖4 所示。從疏水性的角度來說，丙烯酸樹脂防護涂層的接觸角最大，疏水性較好，聚氨酯防護涂層次之，環(huán)氧樹脂防護涂層較差。以上結(jié)果表明，噴涂防護涂層有助于提高水泥砂漿表面的疏水性，提高其在環(huán)境中抗侵蝕能力。

圖4 不同防護涂層接觸角測試結(jié)果Fig.4 Contact angle of different kinds coatings

2.2 硬度

利用顯微硬度儀表征防護涂層的硬度，結(jié)果如圖5所示。丙烯酸防護涂層的硬度為13.11HV，明顯比聚氨酯防護涂層及環(huán)氧樹脂防護涂層的硬度高，說明丙烯酸防護涂層致密性更高，能更好地抵抗外力作用。在基材表面沉積硬度較高的防護涂層，可降低風(fēng)沙環(huán)境對基材表面的沖蝕損傷[39]。

圖5 不同防護涂層硬度測試結(jié)果Fig.5 Hardness of different kinds coatings

3 防護涂層的抗沖蝕性能分析

3.1 沖蝕角度對防護涂層抗沖蝕性能的影響

圖6 是噴涂防護涂層的試樣在沖蝕速度為26 m/s、下沙率為28 g/min 條件下，沖蝕角度與沖蝕率關(guān)系。由圖6 可知，在其他條件相同的情況下，基體材料的最大沖蝕率出現(xiàn)在90°，且沖蝕率隨角度增加而增加，表現(xiàn)為脆性材料的沖蝕損傷特征。對比3 種防護涂層在風(fēng)沙沖蝕后的損傷情況，發(fā)現(xiàn)聚氨酯防護涂層試樣損傷最嚴重，沖蝕角度約為30°時，存在最大沖蝕率；其次是環(huán)氧樹脂防護涂層試樣，沖蝕角度約為15°～30°時，存在最大沖蝕率；抗沖蝕性能較好的是丙烯酸防護涂層試樣，沖蝕角度約為15°～30°時，有最大沖蝕率，表現(xiàn)出典型塑形材料的沖蝕損傷特征。涂層硬度決定了防護涂層的抗沖蝕性能。由于丙烯酸硬度較高，相同沖蝕條件下，丙烯酸防護涂層具有較好的抗沖蝕性能，沖蝕角度為30°時，其最大沖蝕率比聚氨酯防護涂層下降了約57.56%，比環(huán)氧樹脂防護涂層下降了約33.57%。

圖6 不同防護涂層沖蝕率與沖蝕角度的關(guān)系Fig.6 Relationship between erosion rate and erosion angle of different kinds coatings

3.2 沖蝕速度對防護涂層抗沖蝕性能的影響

圖7 是噴涂不同防護涂層試樣在下沙率為28 g/min、沖蝕角度為30°條件下，沖蝕速度與沖蝕率的關(guān)系。由圖7 可知，隨沖蝕速度增加，基體試樣的沖蝕率呈正比例增長，且大于噴涂防護涂層的試樣，說明涂層起到了良好的抗沖蝕效果。在相同沖蝕條件下，防護涂層試樣的沖蝕率隨沖蝕速度的變化趨勢較為一致，通過斜率觀察到，沖蝕率均呈現(xiàn)先緩慢增加后加速上升的趨勢。出現(xiàn)該趨勢的原因主要是，涂層的沖蝕損傷是積累損傷的過程，當(dāng)速度較小時，低于材料的彈性承受能力，不足以使材料形成裂紋或失重，但速度的增加導(dǎo)致涂層所受的最大拉應(yīng)力會以較快速度達到屈服極限，這與其他學(xué)者的研究成果也較為一致[40-41]。當(dāng)沖蝕速度在17～20 m/s 時，防護涂層的沖蝕率隨沖蝕速度的增加而緩慢提升；當(dāng)沖蝕速度大于24 m/s時，沖蝕率隨沖蝕速度的增加而迅速增長。3 種防護涂層試樣的沖蝕率大小為：無防護涂層試樣（W）>聚氨酯防護涂層試樣（PU）>環(huán)氧樹脂防護涂層試樣（ER）>丙烯酸防護涂層試樣（AR）。其中，丙烯酸防護涂層有良好的抗沖蝕性能。

圖7 不同防護涂層沖蝕率與沖蝕速度的關(guān)系Fig.7 Relationship between erosion rate and erosion velocity of different kinds coatings

4 防護涂層的沖蝕機理分析

4.1 防護涂層的分形維數(shù)分析

沖蝕損傷是指流動的風(fēng)沙粒子反復(fù)沖擊試樣表面，并在表面留下沖蝕痕跡的過程。由于沖蝕現(xiàn)象的復(fù)雜性，對沖蝕損傷的評價存在很多困難，以往的研究多數(shù)只是利用沖蝕率來評價，未能利用沖蝕表面這一直接現(xiàn)象。分形幾何分析法是描述沖蝕表面分形特征的一種有效方法，利用沖蝕痕跡表現(xiàn)出的自相似性特征，將分形維數(shù)作為反映沖蝕損傷程度的特征量，可評價實際沖蝕損傷程度[36]。但速度的變化是能量增減的過程，能量變化引起表面裂紋增多，導(dǎo)致分形維數(shù)變化的離散性較大，無法準(zhǔn)確表征沖蝕表面在不同沖蝕階段的變化過程，故選擇在不同角度下對分形維數(shù)進行研究。

拍攝沖蝕角度為30°及90°下不同涂層的沖蝕形貌，對圖像分析區(qū)域進行剪切，對原始圖像選取了1024×1024 個相同的區(qū)域進行計算，利用Matlab 程序使之轉(zhuǎn)化為灰度圖像，并進行下一步分析，具體計算流程及結(jié)果如圖8 所示。經(jīng)過上述圖像處理后，繪制的lgε-lgN(ε)曲線呈現(xiàn)出明顯的線性特征，沖蝕平面的分形維數(shù)Ds計算結(jié)果如表3 所示。

圖8 分形維數(shù)Ds 計算流程及結(jié)果Fig.8 Calculation flow (a) and result (b) of fractal dimension Ds

由表3 可知，沖蝕損傷是一個動態(tài)變化過程。在沖蝕角度較高的情況下，沙粒的垂直沖擊導(dǎo)致防護涂層表面產(chǎn)生較大的塑性變形，表面分形維數(shù)增加，被沖蝕表面粗糙，但未超過材料的屈服極限，沖蝕率較低；在沖蝕角度較低的情況下，沙粒的水平分量導(dǎo)致防護涂層表面能承受的最大拉應(yīng)力達到材料屈服極限，涂層發(fā)生撕裂及脫粘，沖蝕率較高。沖蝕表面分形維數(shù)Ds的變化在一定程度上反映了不同沖蝕階段的變化，利用分形結(jié)果可追溯沖蝕損傷產(chǎn)生的機理。以上分析也證明，利用分形幾何分析沖蝕表面分形特征，可有效評價沖蝕損傷程度。

表3 不同防護涂層在不同角度時沖蝕平面分形維數(shù)DsTab.3 Fractal dimension Ds of different protective coatings at different angles

4.2 防護涂層的沖蝕損傷微觀形貌

首先對單顆沙粒的沖蝕實驗進行分析，圖9 為顆粒在不同沖蝕角度下對防護涂層試樣的沖蝕示意圖。其中，N為涂層所受沖擊力，Ny和Nx分別為涂層所受沖擊力的軸向和徑向分量。在低角度沖蝕下，塑形材料易受粒子拉應(yīng)力Nx影響，使涂層表面形成韌性斷裂，沖蝕率較高；在高角度沖蝕下，塑形材料表面主要受粒子壓應(yīng)力Ny影響，在涂層表面形成組織隆起，產(chǎn)生塑性變形，且在材料屈服應(yīng)力范圍內(nèi)未造成損傷界面的脫落，沖蝕率較低。

圖9 顆粒不同低角度時對涂層沖蝕示意圖Fig.9 Diagram of erosion of particles on coating at different low angles

在對單顆粒沖蝕涂層力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對沖蝕速度為 26 m/s、沙流量為 28 g/min、沖蝕時間為10 min、沖蝕角度分別為30°和90°時不同防護涂層的沖蝕損傷微觀形貌進行分析，如圖10 所示。由低角度沖蝕損傷形貌（圖10a、b、c）可知，丙烯酸防護涂層試樣受到?jīng)_蝕后，試樣表面出現(xiàn)微裂紋及斷裂痕跡，但未出現(xiàn)明顯的片層脫落；環(huán)氧樹脂防護涂層試樣表面受到?jīng)_蝕后，涂層與基體產(chǎn)生輕微分離，部分涂層脫粘，發(fā)生大面積切削損傷，伴隨裂紋擴展現(xiàn)象；聚氨酯防護涂層試樣表面受到?jīng)_蝕后，表面沖蝕損傷輪廓較為尖銳，出現(xiàn)片層脫落及韌性斷裂。由圖10d、e、f 可知，隨著沖蝕角度的增加，聚氨酯防護涂層試樣表面受到的粒子垂直壓力也不斷增加，致使部分隆起的組織形成不規(guī)則沖蝕空穴，且周圍伴有切削痕跡，分形維數(shù)比低角度時也略有增加；環(huán)氧樹脂防護涂層試樣表面受到?jīng)_蝕后，表面產(chǎn)生裂紋但仍處于粘結(jié)狀態(tài)，沖蝕率較低；丙烯酸防護涂層的試樣表面受到高角度沖蝕后，與損傷界面形成材料淤積，結(jié)構(gòu)相對緊密，因此在沖蝕角度較高的沖蝕環(huán)境中，該防護涂層的抗沖蝕效果較好。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，沙粒以不同角度沖蝕涂層時，涂層不存在明顯的塑形變形和脆性破壞，而是隨著沖蝕分量的變化，損傷形式由塑性變形向脆性破壞過渡，且該現(xiàn)象存在于整個沖蝕過程當(dāng)中。

圖10 不同沖蝕角度時噴涂不同防護涂層的試樣表面損傷形貌Fig.10 SEM micrographs of eroded coating surface

結(jié)合圖9、10 發(fā)現(xiàn)，由于聚氨酯防護涂層試樣表面存在不規(guī)則氣孔，組織不均勻，當(dāng)受到粒子沖蝕時，氣孔周圍發(fā)生波浪狀塑性變形，易發(fā)生較大面積的脫落，抗沖蝕能力較差；相比之下，丙烯酸防護涂層硬度高，表面較為密實，在受到?jīng)_蝕時，發(fā)生韌性撕裂和脫粘現(xiàn)象，抗沖蝕效果較好；環(huán)氧樹脂防護涂層試樣的破壞程度介于兩者之間，在受到?jīng)_蝕時，沖蝕表面出現(xiàn)切削痕跡和未完全脫落的片層，相較于聚氨酯涂層，也具有更好的抗沖蝕性能。因此，通過噴涂防護涂層，可提高風(fēng)沙環(huán)境中混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的抗沖蝕性能，結(jié)合防護涂層接觸角及硬度測試結(jié)果，認為在風(fēng)沙環(huán)境中，丙烯酸防護涂層在水工結(jié)構(gòu)混凝土的防護上效果較好。

5 結(jié)論

1）通過在混凝土表面噴涂防護涂層，可防御風(fēng)沙環(huán)境造成的沖蝕破壞，提高其抗沖蝕性能。相同沖蝕條件下，丙烯酸防護涂層試樣的抗沖蝕性能比聚氨酯防護涂層試樣提升了約57.56%，比環(huán)氧樹脂防護涂層試樣提升了約33.57%。結(jié)合防護涂層的接觸角及硬度測試結(jié)果，認為在風(fēng)沙環(huán)境中，丙烯酸防護涂層在水工結(jié)構(gòu)混凝土的防護上效果較好。

2）不同沖蝕速度下，不同防護涂層沖蝕率的變化趨勢較為一致，均呈現(xiàn)先緩慢增加、后加速損傷的趨勢。當(dāng)沖蝕速度介于17～20 m/s 時，防護涂層的沖蝕率隨沖蝕速度的增加而緩慢提升；當(dāng)沖蝕速度大于24 m/s 時，其沖蝕率隨沖蝕速度的增加而迅速加快。相同沖蝕條件下，不同防護涂層沖蝕率大小為：聚氨酯防護涂層>環(huán)氧樹脂防護涂層>丙烯酸防護涂層。

3）隨沖蝕角度變化，不同防護涂層的沖蝕率出現(xiàn)了不同的峰值。低角度沖蝕時，防護涂層的沖蝕率較高，沖蝕角度約在30°時，聚氨酯防護涂層有最大沖蝕率，沖蝕角度在15°～30°時，環(huán)氧樹脂及丙烯酸防護涂層有最大沖蝕率。與低角度下的沖蝕率相比，防護涂層在高角度時的沖蝕率較低，抗沖蝕性能較好，表現(xiàn)出典型的塑性材料沖蝕損傷特征。在不同角度下沖蝕防護涂層時，不存在明顯的塑形變形和脆性破壞階段，而是隨沖蝕分量變化，產(chǎn)生塑性變形向脆性破壞過渡的機制，且該現(xiàn)象存在于整個沖蝕過程中。

4）分析表面分形維數(shù)Ds及受沖蝕后的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)低角度沖蝕時，沙粒壓力的水平分量致使防護涂層所受的最大拉應(yīng)力達到材料屈服極限，發(fā)生撕裂及脫粘，沖蝕率較高；高角度沖蝕時，沙粒的垂直分量致使其表面出現(xiàn)隆起及空穴等塑性變形，分形維數(shù)Ds增加，且在未超過材料屈服應(yīng)力前，不會造成損傷界面的脫落，沖蝕率較低。