彩鋼板涂層加速老化與自然曝曬試驗的當量加速關系研究

蘇航，楊樹文,2,3,*，洪衛(wèi)麗，虎小強，李玉清

（1.蘭州交通大學測繪與地理信息學院，甘肅 蘭州 730070 2.地理國情監(jiān)測技術應用國家地方聯(lián)合工程研究中心，甘肅 蘭州 730070 3.甘肅省地理國情監(jiān)測工程實驗室，甘肅 蘭州 730070）

彩鋼板建筑作為城市化進程中的階段性產(chǎn)物，大多為功能性的臨時建筑物，廣泛分布于工業(yè)園區(qū)、城中村及城市周邊地塊，其聚集性特征與城市發(fā)展變化密切相關[1-3]。

彩鋼板建筑在使用過程中長期經(jīng)受服役環(huán)境作用，表面涂層會產(chǎn)生老化、腐蝕等現(xiàn)象，影響其使用功能的 同時伴隨有害氣體、溫室氣體的產(chǎn)生，易造成局部環(huán)境污染等問題。因此，大范圍的彩鋼板建筑老化及碳排放研究有助于環(huán)境污染監(jiān)測。

大多數(shù)彩鋼板的使用壽命長達數(shù)年，評估表面涂層是否失效最有效的手段是進行加速老化試驗，即在實驗室環(huán)境下通過模擬使用過程中的環(huán)境因素，在較短的時間內再現(xiàn)自然環(huán)境下正常使用的老化特征。目前，學者們已經(jīng)提出了多種令材料、結構加速老化/腐蝕的方法[4-9]。由于彩鋼板使用廣泛，使用環(huán)境中的介質種類多、變化復雜，而根據(jù)加速老化試驗結果對彩鋼板的使用壽命進行推測主要依靠經(jīng)驗，因此加速老化試驗方法與使用環(huán)境下的相關性成為了評估加速老化試驗方法是否有效的關鍵問題[10]，即需進行彩鋼板涂層在加速老化和自然曝曬環(huán)境中的相關性研究。

防護涂層加速老化試驗的重點研究方向[11]有：(1)老化機理的一致性；(2)老化損傷特征的一致性；(3)老化動力學規(guī)律的一致性；(4)合適的當量加速關系。為此，劉金和等[12]進行了有機涂層在模擬沙漠大氣環(huán)境下的加速試驗研究，結果顯示通過加速試驗可以快速獲得有機涂層在沙漠大氣環(huán)境下的老化失效規(guī)律；王鵬等[13]以失光與變色來衡量涂層的老化損傷，依據(jù)試驗結果擬合得到失光率和色差隨時間的變化曲線，通過曲線的對比確定了當量加速關系；何德良等[14]建立了丙烯酸聚氨酯涂層耐老化性能指標的數(shù)學模型，通過擬合得出了涂層耐老化性能指標與加速試驗時間之間的數(shù)學關系式，并證明其具有相關性；汪鵬飛等[15]通過老化動力學規(guī)律的對比，給出了當量加速關系的表達式，并得到了加速老化試驗環(huán)境譜與海南萬寧自然曝曬試驗的當量加速關系。然而，由于彩鋼板建筑涂層的老化損傷除了要考慮失光、變色等因素外，也反映在基體的腐蝕特征上，而僅僅依靠老化動力學模型無法獲取不同顏色涂層的當量加速關系，即上述方法均無法用來準確評價不同顏色涂層加速老化與自然老化的相關性。

為此，本文針對蘭州地區(qū)的彩鋼板建筑，采用型號為YX20-215-860(1075)的壓型鍍鋅鋼板表面涂紅、白、藍3種顏色的B-15底漆 + 聚酯氨基烤漆模擬試件進行了加速老化試驗和自然曝曬試驗，通過數(shù)據(jù)的對比分析，試圖建立實驗室涂層加速老化模型，以確定3種顏色涂層老化的當量加速關系，為后續(xù)研究彩鋼板涂層有機揮發(fā)性氣體和溫室氣體排放及基于失光率和色差對高分辨率遙感影像中彩鋼板的時序標注提供理論基礎。

1 彩鋼板涂層老化試驗

如圖1所示，在對紅、白、藍3種顏色的彩鋼樣板分別進行實驗室加速老化試驗和戶外自然曝曬試驗的過程中，于固定時間段采用光澤儀測定兩組試驗樣板的失光率、色差等數(shù)據(jù)，將其與初始值對比擬合進行分析，得到3種不同顏色涂層的老化行為規(guī)律，而后建立實驗室涂層加速老化模型，確定不同顏色涂層老化的當量加速關系。

圖1 試驗研究技術路線 Figure 1 Technical route of experimental study

1. 1 試件

YX20-215-860(1075)號壓型鋼板的尺寸為100 cm × 90 cm × 0.5 mm，涂有B-15底漆和聚酯氨基烤漆，漆膜厚度(150 ± 25) μm，試驗樣板規(guī)格及橫切面如圖2所示，相關參數(shù)如下：有效覆蓋寬度860/1 075 mm，展開寬度1 000/1 200 mm，板厚0.4 mm，面慣性矩8.01 cm4/m，截面抵抗矩3.62 cm4/m。選取蘭州市區(qū)最為多見的紅、白、藍3種顏色樣板，編號見表1。

圖2 彩鋼板試樣及其橫切面 Figure 2 Color steel plate sample and its cross section

表1 涂層試驗件類型及編號 Table 1 Types and codes of coating test pieces

1. 2 加速老化試驗

在彩鋼板使用過程中，外界環(huán)境因素(濕度、溫度、鹽霧、紫外等)和載荷都會造成涂層的老化，多種因素的復合作用造成涂層材料有機分子發(fā)生裂解，涂層逐步分解。

在實驗室條件下，可以適當提高溫度進行加速老化試驗，但不能高于涂層的玻璃化轉變溫度[16]。在自然環(huán)境中，溫度、日照強度會隨著時間推移在一定范圍內變化。為了模擬蘭州地區(qū)自然條件下的溫度與紫外線強度，本試驗選用紫外光和凝露時間交替可調的QUV老化試驗箱，按照國標GB/T 23987-2009《色漆和清漆 涂層的人工氣候老化曝露 曝露于熒光紫外線和水》中的方法A進行試驗，條件如下：日照時間與降雨時間1∶1，日照時60 ℃，降雨溫度50 ℃，降雨時相對濕度100%。使用UVA-340燈管，因為它在重要的光化學短波范圍內與太陽光輻射一致，具有340 nm的發(fā)射峰，與太陽光更為接近。

試驗前用肥皂水和蒸餾水依次清洗試件表面以去除油污，每周期試驗結束后用軟毛刷在緩慢流動的蒸餾水下清洗試件表面，隨后在室溫大氣環(huán)境下晾干，測試樣板涂層的失光率和色差，并觀測表面其他老化現(xiàn)象。失光和變色按GB/T 1766-2008《色漆和清漆 涂層老化的評級方法》中的要求進行評價，目測漆膜老化前后的光澤變化程度，并采用上?，F(xiàn)代環(huán)境工程技術研究所WGG60光澤儀按GB/T 9754-2007《色漆和清漆 不含金屬顏料的色漆漆膜的20°、60°和85°鏡面光澤的測定》測定老化前后的光澤，取多個測量點的平均值，根據(jù)式(1)計算失光率，失光等級評定見表2。

表2 失光程度和失光等級 Table 2 Degree and grade of luster loss

式中A0是老化前光澤測定值，A1是老化后光澤測定值。

按GB/T 11186.2-1989《涂膜顏色的測量方法 第二部分：顏色測量》和GB/T 11186.3-1989《涂膜顏色的測量方法 第三部分：色差計算》，采用WGG60光澤儀測定老化前與老化后的樣板的總色差(ΔE*)，取多點的平均值，評級標準見表3。

表3 變色程度和變色等級 Table 3 Degree and grade of discoloration

在加速老化試驗中每24 h測量一次失光率和色差，設每96 h為一周期，紅、白、藍3種顏色樣板涂層加速老化1 ～ 5個周期的試驗結果見表4。

表4 3種顏色樣板加速老化試驗結果 Table 4 Accelerated aging test results of three color samples

1. 3 自然曝曬試驗

蘭州坐落于甘肅省中部，是典型的河谷型城市，地理位置為35°53′ N ～ 37°04′ N，102°35′ E ～ 104°37′ E，屬溫帶大陸性氣候，溫差大，降水少，年均降水量327 mm，年均氣溫10.3 ℃，全年平均日照時數(shù)2 446 h，日照強度約為3.5 ～ 4.0 kW·h/(m2·d)，無霜期180 d以上。

試驗前用肥皂水和蒸餾水對3種顏色的樣板表面進行了清洗，在室溫大氣環(huán)境下晾干后，置于蘭州交通大學進行曝曬試驗。將樣板固定在自然曝曬架上，樣板之間避免接觸，曝曬架與水平面的夾角為45°，使涂層表面朝上以承受陽光照射、降水及鹽霧沉降。自然曝曬15個月的結果見表5。

表5 3種顏色樣板自然曝曬試驗結果 Table 5 Results of natural exposure test for three color samples

2 結果與討論

2. 1 基于失光率的涂層自然曝曬和加速老化行為規(guī)律分析

為了探究彩鋼板建筑自然曝曬和加速老化試驗失光率之間的關系，對3種顏色樣板涂層的失光率測量結果進行對比，見表6。加速老化試驗以96 h為一周期，自然曝曬試驗以3個月為一周期，紅、白、藍三色樣板涂層的失光率曲線如圖3所示。2種試驗下，紅、白、藍3種涂層試驗件失光率的變化趨勢基本保持一致，因此可以認為自然曝曬試驗與加速老化試驗之間具有一定的相關性。

圖3 自然曝曬試驗和加速老化試驗下3種顏色樣板涂層的失光率曲線 Figure 3 Luster loss curves for the coatings of three color samples in natural exposure test and accelerated aging test

表6 自然曝曬試驗與加速老化試驗種紅、白、藍三色樣板涂層的失光率變化 Table 6 Variation of luster loss with time for red, white, and blue coatings in natural exposure test and accelerated aging test

2. 2 涂層加速老化規(guī)律分析

利用SPSS軟件對3組加速老化試驗數(shù)據(jù)(表4)中的失光率進行三次函數(shù)(y=ax3+bx2+cx+d)與二次函數(shù)(y=bx2+cx+d)擬合。如圖4所示，擬合曲線能夠較為真實地模擬失光率在試驗周期內的總體變化情況。

圖4 3種顏色樣板加速老化失光率擬合曲線 Figure 4 Fitted curves of luster loss in accelerated aging tests for three color samples

雖然三次擬合對紅色樣板失光率的擬合程度較好，但由于失光率不會隨時間的延長而減小，故選取擬合度僅次于三次擬合的二次擬合結果，通過對白色樣板失光率的各函數(shù)擬合結果對比后發(fā)現(xiàn)，三次函數(shù)的擬合度最好。同樣地，對藍色樣板失光率擬合結果對比后發(fā)現(xiàn)，通過二次函數(shù)進行擬合的吻合程度較高。各函數(shù)的擬合優(yōu)度(R2)見表7。

表7 3種顏色樣板數(shù)據(jù)三次或二次函數(shù)的擬合結果 Table 7 Fitting results of cubic or quadratic function for three color samples

為進一步探究加速老化與自然曝曬之間的當量加速關系，擬對紅、白、藍3種顏色樣板的2種試驗失光率數(shù)據(jù)進行多種擬合，并基于兩組試驗達到同一失光率的時間為標準，驗證其擬合精度。結合上述建立的高擬合度函數(shù)表達式和實測數(shù)據(jù)，計算得出3種顏色加速老化時間的相對真值分別為yR01= 117.20、yW01= 88.91、yB01= 111.40。

2. 2. 1 傅里葉一階函數(shù)擬合

將加速老化試驗的單位(周期)和自然曝曬試驗的單位(月)統(tǒng)一劃歸為單位時間(h)。通過多次取樣，計算達到同一失光率時2種試驗方法所需時間的比例關系，得到含有多個樣本的當量關系點，再對當量加速關系點進行數(shù)據(jù)擬合，得到如圖5所示的加速老化當量關系曲線。

圖5 3種顏色樣板的失光率當量加速關系擬合曲線 Figure 5 Fitting curves of equivalent acceleration relation in terms of luster loss for three color samples

傅里葉擬合函數(shù)的形式為y=f(x)=a0+a1cosxw+b1sinxw擬合結果見表8。對f(x)在時間上進行積分，x為加速老化試驗的時間(以小時為單位)，當量于自然曝曬的時間為t，則，即可據(jù)此通過加速試 驗時間來反向推算出當量的自然曝曬時間[17]。當自然老化時間為3個月(每月以30 d計)，即t= 2 160 h時，3種顏色樣板的加速老化時間R01x= 120.70、W01x= 80.91、B01x= 92.06，即紅、白、藍三色樣板的當量加速關系分別為0.80、1.19和1.04季度/周期。

表8 3種顏色樣板對應的擬合函數(shù)系數(shù) Table 8 Coefficients of the functions fitted for three color samples

依照自然老化3個月所對應的加速老化時間來看，紅、白、藍樣板涂層的擬合相對偏差分別為2.99%、12.17%和17.36%，可見該擬合模型對紅色樣板涂層的老化最為適用。

2. 2. 2 為加速老化與自然老化的對應關系建立一次擬合模型

依據(jù)上述建立的加速老化模型，計算失光率相同的情況下每個自然曝曬時間點所對應的加速老化時間，并對計算結果進行人工糾正處理，結果列于表9。

表9 3種顏色樣板兩組試驗的對應關系 Table 9 Correspondence between the results of two tests for three color samples

如圖6所示，用一次線性函數(shù)對紅、白、藍3種顏色擬合過后的表達式分別為y= 0.0286x+ 0.4120、y= 0.0298x+ 0.2103、y= 0.0292x+ 0.6701，其中y為自然曝曬時間(月)，x為加速老化時間(h)。當自然老化3個月，即y= 3 時，加速老化時間R01x= 90.49、W01x= 93.58、B01x= 80.34，即紅、白、藍3種顏色樣板的當量加速關系分別為1.07、1.03和1.19季度/周期。

圖6 3種顏色樣板加速老化與自然曝曬一次擬合結果 Figure 6 Linear fitting results of accelerated aging time and natural exposure time for three color samples

依照自然老化3個月所對應的加速老化時間來判斷，紅、白、藍樣板涂層的一次函數(shù)擬合相對偏差分別為22.79%、5.25%和27.88%，可見該擬合模型對白色樣板涂層的老化最為適用。

2. 2. 3 利用老化動力學規(guī)律中老化損傷等級進行回歸分析

記當量加速關系為AF，若用T表示自然曝曬時間，D為自然曝曬老化損傷程度，t表示加速老化試驗時間，d為加速老化損傷程度，則有：

即當量加速關系就是加速老化和自然曝曬老化損傷相同時，自然曝曬時間和加速老化時間的比值[9]。

采用綜合量化評估方法對每周期/季度的老化損傷進行量化評估，其原理和過程簡述如下：

(1) 單項指標量化；

(2) 按隸屬函數(shù)和權重集合分別確定失光、變色的評判向量，綜合形成評判矩陣[18]；

(3) 根據(jù)評判向量和權重集合計算得到評判結果向量；

(4) 對評判結果向量進行處理，確定老化損傷等級評價結果。

計算得到的老化損傷等級見表10。

表10 3種顏色樣板老化損傷等級計算結果 Table 10 Calculation results of aging damage grades of three color samples

將3種顏色樣板的加速老化試驗周期和老化損傷量化結果繪成圖7，可以看出老化動力學規(guī)律可用指數(shù)函數(shù)描述：

其中，u、v、U、V為常數(shù)，其中u和U分別對應于t= 0和T= 0時的當量老化損傷值。

室內模擬老化擬合結果如圖7所示，3種顏色涂層樣板老化損傷擬合得到的函數(shù)關系式的各參數(shù)及函數(shù)擬合優(yōu)度見表11。

表11 3種顏色樣板老化損傷的擬合函數(shù)系數(shù) Table 11 Fitting function coefficients of aging damage of three color samples

圖7 老化損傷等級曲線擬合結果 Figure 7 Fitting results of aging damage grade curves

防護涂層的當量初始老化損傷等級U與環(huán)境無關，因此可取U=u。對5個季度的老化損傷等級進行平均計算可得到，VR02= 0.389 7，VW02= 0.379，VB02= 0.74。

由式(2)及U=u的關系得eVT=evt，進而可以得到當量加速關系的計算如式(5)所示。

經(jīng)計算，AFR02= 0.350/0.3897 = 0.898 1(季度/周期)，AFW02= 0.373/0.379 = 0.984(季度/周期)，AFB02= 0.686/0.741 = 0.926(季度/周期)，即紅、白、藍3種顏色彩鋼板自然曝曬3個月相當于加速老化1.113 5、1.016 0和1.080 0個周期。3種顏色樣板加速老化時間對于相對真值的相對偏差分別為8.79%、9.71%和6.91%，可見該擬合模型對藍色樣板涂層的老化最為適用。

通過加速試驗時間來反向推算出當量的自然曝曬時間[17]，可以為實際的涂層老化失效評估和后續(xù)研究提供理論支撐，節(jié)省工作時間，提高評估效率。

3 結論

本文針對蘭州地區(qū)彩鋼板建筑，進行了加速老化試驗和自然條件下的曝曬試驗，建立了3種不同顏色彩鋼板的室內老化模型，闡明了加速老化試驗與自然曝曬試驗的當量加速關系，得到如下結論：

(1) 同類涂層試驗件在自然曝曬試驗與老化加速試驗下的失光率變化趨勢基本保持一致，可以認為加速老化試驗可以再現(xiàn)自然曝曬的失光率特征。

(2) 通過二次、三次函數(shù)來建立室內加速老化模型的擬合程度較好。

(3) 傅里葉一階函數(shù)擬合模型適用于計算紅色樣板涂層的當量加速關系，其值為0.80季度/周期；基于加速老化與自然老化失光率對應關系建立的線性擬合模型更適用于計算白色樣板涂層的當量加速關系，其值為1.03季度/周期；利用老化動力學規(guī)律中老化損傷等級回歸分析建立的模型更適用于計算藍色樣板涂層的當量加速關系，其值為0.93季度/周期。