紫外老化作用下鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙沖蝕性能研究

郝贠洪，宣姣羽，李 潔，田旭樂(lè)，馬思晗

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.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；3.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；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)建筑檢測(cè)鑒定與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)將地面塵沙吹起使空氣混濁、水平能見(jiàn)度小于1 km的天氣現(xiàn)象，沙塵暴主要發(fā)生在干旱、半干旱地區(qū)。沙塵源、強(qiáng)風(fēng)和不穩(wěn)定的大氣層結(jié)是沙塵暴天氣產(chǎn)生的必備條件。內(nèi)蒙古中西部地區(qū)是中國(guó)沙塵暴多發(fā)地區(qū)之一,該地區(qū)自西向東分布著巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠、庫(kù)布齊沙漠、毛烏素沙地和渾善達(dá)克沙地，其中，位于阿拉善盟的巴丹吉林沙漠和錫林郭勒盟的渾善達(dá)克沙地是兩個(gè)沙塵暴頻發(fā)中心，這些沙漠和沙地為沙塵暴的形成提供了強(qiáng)沙源。同時(shí)，內(nèi)蒙古地處中國(guó)北疆, 是各路冷空氣入侵中國(guó)的必經(jīng)之地, 大風(fēng)過(guò)境時(shí)為沙塵暴的形成提供了動(dòng)力條件。

內(nèi)蒙古地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)建筑及構(gòu)筑物長(zhǎng)期受強(qiáng)紫外光照射以及風(fēng)沙環(huán)境的侵蝕，鋼結(jié)構(gòu)表面涂層對(duì)鋼結(jié)構(gòu)起保護(hù)作用，若表面涂層破壞，則鋼結(jié)構(gòu)極易被磨蝕、性能劣化、造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力下降，其耐久性和安全性降低。有機(jī)高分子材料的鋼結(jié)構(gòu)涂層，對(duì)強(qiáng)紫外線照射敏感程度高，紫外線會(huì)引起有機(jī)涂層化學(xué)鍵斷裂，物理力學(xué)性能降低。鋼結(jié)構(gòu)涂層的耐風(fēng)沙沖蝕性能成為影響鋼結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素，目前對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)涂層耐久性的研究，僅集中于單一的風(fēng)沙沖蝕，忽略了紫外老化對(duì)鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層受風(fēng)沙侵蝕性能的影響。

本文通過(guò)效應(yīng)等效原理，利用紫外老化試驗(yàn)箱模擬紫外線輻射，研究紫外線輻射下鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層的老化機(jī)理，以及紫外老化后鋼結(jié)構(gòu)涂層受風(fēng)沙沖蝕損傷機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

鋼結(jié)構(gòu)基體采用Q235普通低碳鋼， 400目砂紙打磨至表面無(wú)銹后用無(wú)水乙醇清洗，試件尺寸為80 mm×80 mm×2 mm，試件涂層由底漆和面漆組成，底漆采用環(huán)氧防腐底漆，面漆采用聚氨酯防腐面漆。鋼結(jié)構(gòu)涂層的基本力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 鋼結(jié)構(gòu)涂層的基本力學(xué)性能
Tab. 1 Basic mechanical properties of steel structure coating

性能 涂層厚度/μm硬度/MPa彈性模量/GPa柔韌性/mm泊松比 附著力/MPa數(shù)值32016.41 0.904 50.50.4872.0

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紫外老化實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)采用基于效應(yīng)等效原理的加速模擬紫外老化；采用人工加速紫外老化實(shí)驗(yàn)箱；內(nèi)蒙古地區(qū)太陽(yáng)年輻照總量大于6 700 MJ/m，紫外光占到達(dá)地面太陽(yáng)輻射總量的5%～7%，通過(guò)太陽(yáng)年輻射總量計(jì)算紫外線年輻射量，再將紫外線輻射單位MJ/m轉(zhuǎn)化為紫外老化試驗(yàn)箱的功率kW·h；設(shè)置紫外老化試驗(yàn)工況：模擬1、2、3、10 a紫外輻照量。

1.2.2 風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)

采用氣流挾沙噴射法，應(yīng)用模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕實(shí)驗(yàn)。該方法可以較真實(shí)地模擬實(shí)際的風(fēng)沙環(huán)境，且實(shí)驗(yàn)周期短，易于控制實(shí)驗(yàn)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由高壓氣源系統(tǒng)、供沙系統(tǒng)、侵蝕系統(tǒng)和沙粒回收系統(tǒng)4個(gè)部分組成。

圖1 風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 1 Experimental system for wind-sand environmental erosion

綜合考慮中國(guó)沙塵暴發(fā)生頻率、沙塵粒子特征、風(fēng)沙流速度、沙塵濃度等因素，設(shè)計(jì)風(fēng)沙沖蝕試驗(yàn)參數(shù)：沖蝕速度23 m/s、下沙率30 g/min、沖蝕時(shí)間10 min。按文獻(xiàn)[10]，鋼結(jié)構(gòu)涂層的最大沖蝕率角度約在35°～40°，為了準(zhǔn)確找出鋼結(jié)構(gòu)涂層的最大沖蝕率角度，沖蝕角度設(shè)為30°、32°、34°、36°、38°、40°、42°、44°。

1.2.3 基本力學(xué)性能及化學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)試

采用NANO Indenter G200型納米壓痕儀，根據(jù)壓痕測(cè)試法測(cè)試鋼結(jié)構(gòu)涂層硬度；根據(jù)《漆膜柔韌性測(cè)定法》（GB/T 1731—93）規(guī)定，使用軸棒法，采用QTX漆膜彈性測(cè)試儀測(cè)涂層柔韌性；采用Nicolet 380智能傅立葉紅外光譜儀測(cè)試化學(xué)結(jié)構(gòu)。

1.3 沖蝕結(jié)果評(píng)價(jià)方法

采用沖蝕率評(píng)價(jià)損傷是目前應(yīng)用較為廣泛的方法，通過(guò)測(cè)量試件沖蝕前后質(zhì)量變化（g）與沖蝕粒子質(zhì)量（g）的比值來(lái)評(píng)價(jià)沖蝕磨損程度，定義如下：

2 結(jié)果及討論

2.1 紫外老化對(duì)鋼結(jié)構(gòu)涂層化學(xué)結(jié)構(gòu)影響

圖2為紫外老化前后聚氨酯涂層材料的傅里葉變換紅外光譜圖。圖2中：橫坐標(biāo)為波數(shù)，表示吸收峰的位置；縱坐標(biāo)為光的透過(guò)率，表示吸收強(qiáng)度。

圖2 紫外老化后聚氨酯涂層的FT-IR光譜Fig. 2 FT-IR spectra of polyurethane coatings after UV aging

由圖2可知：鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層受紫外老化后特征峰的形狀和位置基本未發(fā)生改變，僅在2 922.61 cm處（—CH伸縮振動(dòng)吸收峰）和2 849.57cm處（—CH伸縮振動(dòng)吸收峰）由兩個(gè)裂峰逐漸形成一個(gè)寬峰，說(shuō)明涂層中C—H鍵遭到破壞，涂層中可能有氫過(guò)氧化物產(chǎn)生。3 600～3 200 cm處的O—H和N—H的伸縮振動(dòng)峰強(qiáng)度降低說(shuō)明氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)損失；1 725.22 cm處酯和氨基甲酸酯兩種C—O吸收相互重疊形成的吸收峰強(qiáng)度降低，說(shuō)明C—O鍵斷裂；1 532.17 cm處—C—NH基團(tuán)的—N—H彎曲振動(dòng)與C—N伸縮振動(dòng)的組合吸收峰強(qiáng)度降低說(shuō)明C—N鍵發(fā)生斷裂；1 560.87 cm處苯環(huán)中C—C的峰和739.13 cm處苯環(huán)C—H的峰強(qiáng)度降低，說(shuō)明中心亞甲基被氧化，同時(shí)產(chǎn)生高度共軛的醌產(chǎn)物。

2.2 紫外老化對(duì)鋼結(jié)構(gòu)涂層硬度和柔韌性影響

圖3為紫外老化前后聚氨酯涂層的硬度和柔韌性變化。

圖3 紫外老化前后聚氨酯涂層硬度和柔韌性變化Fig. 3 Hardness and flexibility change diagram of polyurethane coating before and after UV aging

由圖3可知，紫外老化使鋼結(jié)構(gòu)涂層硬度變小，未老化的鋼結(jié)構(gòu)涂層的硬度為16.41 MPa，紫外老化使鋼結(jié)構(gòu)涂層硬度減小較快，老化3 a后鋼結(jié)構(gòu)涂層硬度為7.28 MPa，減小到原來(lái)的55.63%。鋼結(jié)構(gòu)涂層柔韌性以材料彎曲后不引起漆膜破壞的最小軸棒直徑（mm）表示，未老化的鋼結(jié)構(gòu)涂層柔韌性為0.5 mm，紫外老化使鋼結(jié)構(gòu)涂層柔韌性變差，且變化速率較快。紫外照射使聚氨酯材料發(fā)生光氧化作用，從而導(dǎo)致聚氨酯材料降解，結(jié)合聚氨酯涂層的FT-IR光譜（圖2）可知，鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層受紫外老化后，官能團(tuán)IR吸收強(qiáng)度隨著紫外老化時(shí)間逐漸減弱，其中，1 725.22 cm處的C—O鍵斷裂，形成氨基甲酰基和烷氧基自由基，氨基甲酰自由基進(jìn)一步分解成氨基自由基和CO，反應(yīng)式如圖4所示。1 532.17 cm處的C—N鍵斷裂，形成氨基自由基和烷基自由基同時(shí)釋放出CO，C—O、C—N鍵斷裂，導(dǎo)致氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)損失，涂層硬度降低，柔韌性變差。

圖4 1 725.22 cm–1處反應(yīng)式Fig. 4 Reaction formula in 1 725.22 cm–1

2.3 紫外老化對(duì)鋼結(jié)構(gòu)涂層微觀形貌影響

圖5為未老化的鋼結(jié)構(gòu)涂層、受紫外老化1、2、3 a的鋼結(jié)構(gòu)涂層的微觀損傷形貌圖。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)未老化涂層與紫外老化涂層SEM對(duì)比Fig. 5 SEM comparison of unaged coating and UV aged coating of steel structure

由圖5可知，未老化鋼結(jié)構(gòu)涂層表面較為平整光滑，只存在輕微的制作缺陷，隨著紫外老化時(shí)間的增加，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)了老化殘?jiān)桶咨Y(jié)晶物質(zhì)（紅色部分圈出）。在紫外光照射的作用下，紫外輻照量的增加導(dǎo)致聚氨酯樹(shù)脂降解，分子鏈主鏈分裂，剪切產(chǎn)生C=C、C=O，重組形成的新物質(zhì)進(jìn)一步吸收紫外能量，使涂層逐漸老化降解，形成更多的老化殘?jiān)敖Y(jié)晶物質(zhì)，從而導(dǎo)致涂層的粗糙度增加，致密性降低。

2.4 老化后涂層受風(fēng)沙沖蝕損傷

2.4.1 最大沖蝕率角度

設(shè)置沖蝕速度23 m/s、下沙率30 g/min、沖蝕時(shí)間10 min、沖蝕角度30°、32°、34°、36°、38°、40°、42°、44°進(jìn)行風(fēng)沙沖蝕實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。最大沖蝕率角度α=38°，此時(shí)最大沖蝕率為1.322×10。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)涂層最大沖蝕率角度Fig. 6 Angle diagram of maximum erosion rate coatings for steel structures

圖7為鋼結(jié)構(gòu)涂層受紫外老化1、2、3、10 a后，在沖蝕速度為23 m/s、下沙率為30 g/min、沖蝕時(shí)間為10 min下，沖蝕角度與沖蝕率的關(guān)系。由圖7可知，在相同沖蝕條件下，紫外老化后的涂層沖蝕率較未老化涂層的沖蝕率增加了0.5×10～1.5×10，這是由于涂層在紫外照射下發(fā)生了不同程度的老化，使得涂層的耐沖蝕性能明顯降低。涂層受紫外老化1和2 a后，涂層沖蝕率增加較少，受紫外老化3和10 a后，涂層沖蝕率較之前增加明顯。這是由于紫外作用使聚氨酯樹(shù)脂出現(xiàn)鍵的斷裂等老化降解，造成涂層表面形貌的破壞，涂層的耐沖蝕性能明顯降低，紫外照射3 a后，涂層表面損傷明顯，出現(xiàn)白色結(jié)晶物質(zhì)和老化殘?jiān)?，?dǎo)致紫外老化3 a后涂層沖蝕率明顯增大。

圖7 不同老化程度涂層沖蝕率對(duì)比Fig. 7 Erosion rate on different of aging coating

鋼結(jié)構(gòu)涂層未受紫外老化作用時(shí)，最大沖蝕率角度約為38°，紫外老化后最大沖蝕率角度為30°～35°。紫外老化作用使涂層受風(fēng)沙沖蝕的最大沖蝕率角度發(fā)生了變化，這是由于低角度沖蝕時(shí)，硬度是決定材料耐沖蝕性能的主要因素，紫外老化作用使聚氨酯涂層的硬度降低，沖蝕率增加，涂層的最大沖蝕率角度減小。

2.4.2 風(fēng)沙沖蝕損傷機(jī)理

圖8和9分別為未老化的鋼結(jié)構(gòu)涂層和受紫外老化3 a后的鋼結(jié)構(gòu)涂層在沖蝕速度23 m/s、下沙率30 g/min、沖蝕時(shí)間10 min、沖蝕角度15°、45°、90°下，LSCM 3維形貌（激光共聚焦顯微鏡）。

圖8 未老化鋼結(jié)構(gòu)涂層沖蝕LSCM形貌Fig. 8 Topography of the LSCM of the unaged coating of steel structure

圖9 紫外老化3 a鋼結(jié)構(gòu)涂層沖蝕LSCM形貌Fig. 9 Topography of the LSCM of the UV aging 3 years coating of steel structure

由圖8（a）和9（a）可知，在300 μm×300 μm范圍內(nèi)，在沖蝕角度為15°時(shí)，未老化涂層與受紫外老化3 a涂層表面均存在較長(zhǎng)的綠色沖蝕帶，同時(shí)，在沖蝕帶的附近都有明顯的材料堆積現(xiàn)象（黃色峰脊部分）。低角度沖蝕時(shí)，水平方向的微切削作用是鋼結(jié)構(gòu)涂層破壞的主要原因，涂層表面出現(xiàn)與沖蝕方向相同的沖蝕帶。同時(shí)，硬度決定了鋼結(jié)構(gòu)涂層的耐沖蝕性能，紫外老化3 a后涂層硬度降低導(dǎo)致涂層耐沖蝕能力降低，沖蝕帶較未老化涂層更長(zhǎng)，材料堆積現(xiàn)象減少。

由圖8（b）和9（b）可知，在沖蝕角度為45°時(shí)，涂層表面的沖蝕帶較沖蝕角度為15°時(shí)更短，并且開(kāi)始出現(xiàn)一些獨(dú)立的沖蝕坑，也伴隨材料堆積現(xiàn)象。此時(shí)，水平方向的切削作用與垂直方向的擠壓變形作用共同決定涂層的沖蝕磨損，由切削作用產(chǎn)生的沖蝕帶變短，開(kāi)始出現(xiàn)由擠壓變形作用產(chǎn)生的沖蝕坑。紫外老化3 a后沖蝕帶較未老化更短，沖蝕坑更大。

由圖8（c）和9（c）可知，在沖蝕角度為90°時(shí)，涂層表面出現(xiàn)獨(dú)立沖蝕坑居多，有較少的沖蝕帶，并且出現(xiàn)了一些較大的沖蝕坑。高角度沖蝕時(shí)，垂直方向的擠壓變形作用是鋼結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，當(dāng)粒子垂直作用于涂層表面時(shí)，涂層僅受垂直方向的擠壓作用，出現(xiàn)大量沖蝕坑。高角度沖蝕時(shí),柔韌性決定鋼結(jié)構(gòu)涂層的耐沖蝕性能，紫外老化3 a后，涂層柔韌性降低，導(dǎo)致耐風(fēng)沙沖蝕性能降低，材料堆積現(xiàn)象更加明顯。材料堆積現(xiàn)象高角度沖蝕時(shí)比低角度沖蝕時(shí)更加明顯，由于高角度時(shí)粒子撞擊能量損失較小，材料堆積在沖蝕坑邊緣，低角度時(shí)材料受到撞擊和切削作用大，材料的沖蝕損失率較高，與不同老化程度下涂層受風(fēng)沙沖蝕的沖蝕率規(guī)律（圖7）相符合。

3 結(jié) 論

1）未老化鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層硬度為16.41 MPa，柔韌性為0.5 mm，紫外老化導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)涂層的硬度明顯降低，紫外老化3 a后鋼結(jié)構(gòu)涂層硬度降低為原來(lái)的55.63%，同時(shí)涂層柔韌性降低。

2）紫外老化作用使鋼結(jié)構(gòu)聚氨酯涂層化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，其中C—O和C—N鍵斷裂最終生成氨基自由基，釋放出CO，且涂層出現(xiàn)了明顯的裂紋、起皮、皸裂，并出現(xiàn)了老化殘?jiān)桶咨Y(jié)晶物質(zhì)，涂層的粗糙度增加。

3）鋼結(jié)構(gòu)涂層受紫外老化作用后，沖蝕率增加，耐沖蝕性能明顯降低，低角度沖蝕時(shí)鋼結(jié)構(gòu)涂層破壞的主要原因是水平方向的微切削作用，高角度沖蝕時(shí)鋼結(jié)構(gòu)涂層破壞的主要原因是垂直方向的擠壓變形作用。紫外老化作用使鋼結(jié)構(gòu)涂層最大沖蝕率角度由38°變?yōu)?0°～35°，紫外老化作用導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)涂層最大沖蝕率角度減小。