新建高速鐵路環(huán)氧基材處理劑熱應力對聚脲防護層附著力影響的研究

呂 平，朱 立，劉旭東，黃微波

(1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033;2.青島理工大學 功能材料研究所，山東 青島 266033)

如今防護層大量采用聚脲等有機高分子材料［1］，作為連接基材與防護層二者之間的基材處理劑，必須在各種環(huán)境條件下都具備較高的附著性。環(huán)氧體系由于物理性能優(yōu)異、應用廣泛，而被大量采用。此外，基于聚脲防護層對于基材表面的表觀要求，環(huán)氧體系被大面積地刮涂在基材上，封閉針眼、孔洞等缺陷，新建高速鐵路以梁橋為主，每一段的橋面的防護層施工面積為32.0 m×8.8 m。

新建高速鐵路聚脲防護層施工中，曾在冬季出現(xiàn)大面積脫落現(xiàn)象。本文從熱應力角度出發(fā)，針對基材與環(huán)氧基材處理層的熱膨脹性系數(shù)存在的較大差異，研究環(huán)境溫度因素所造成的應變應力對于聚脲附著力的影響［2-3］。解釋聚脲防護層大面積脫落現(xiàn)象，為工程應用提供必要的理論依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試件制備及主要實驗設備

采用在抗折強度、抗壓強度、邵氏硬度相接近的天然大理石板模擬新建高速鐵路C50高性能混凝土。在400 mm×300 mm大理石上刮涂環(huán)氧類基材處理劑涂層。表1為主要的實驗設備。

1.2 試驗方法

涂層平面應變測試，采用靜態(tài)應變儀，使用四分之一橋路連接，大理石板中心點采取三片5 mm×30 mm應變片貼直角應變花的方式，采用摩爾應變圓計算公式，得出最大主應變 ε1、最小主應變ε2和最大主應變與0°應變片(11號)水平方向線(簡稱x軸)的夾角ψ，四角采用5 mm×3 mm應變片的方式，其中 1號、4號、5號、8號為橫向布置，其余為豎向布置。如圖1所示，測試在常溫20℃ ～23℃和低溫-20℃ ～18℃下環(huán)氧平面涂層應變情況，研究涂層中心點與四周的聯(lián)系與區(qū)別。表2是試驗材料的彈性模量、泊松比、熱膨脹性系數(shù)等參數(shù)。

表1 主要實驗設備

圖1 電阻應變片的平面布置

表2 主要材料參數(shù)

2 試驗結果及討論

2.1 常溫靜態(tài)應變

2.1.1 中心點主應變

圖2 常溫下環(huán)氧類基材處理層中心點主應變變化規(guī)律

常溫(20℃)下，環(huán)氧類基材處理層中心點主應變變化規(guī)律如圖2所示。圖2(a)是20℃常溫下環(huán)氧最大主應變ε1隨時間發(fā)展的變化規(guī)律。從該圖中看出，微應變ε1維持在 -5×10-6～20×10-6區(qū)間，在相對時間100～550 s里保持相對穩(wěn)定，由于受到周圍空氣流通及一定細微的溫度波動，造成其微應變的波動，而這種微應變的波動幅度不大于20×10-6。圖2(b)是最小主應變ε2的變化規(guī)律，該圖表明，ε2維持在 -20×10-6～0這個區(qū)間，且與 ε1變化規(guī)律相對應。圖2(c)是最大主應變與x軸的夾角變化規(guī)律，圖2(c)表明其變化規(guī)律與最大主應變 ε1的變化規(guī)律相一致。圖2研究結果表明，在常溫下環(huán)氧類基材處理劑維持在較低的微應變，其產生的應力忽略不計，圖2中，相對時間為0.5 s等于實際時間5 s，下同。

2.1.2 四角微應變

圖3是常溫20℃下大理石板四角的微應變變化。從圖3可以看出，1號、7號和8號應變片微應變變化規(guī)律相接近，微應變維持在 -25×10-6～0范圍內，而3號、4號和6號應變片微應變變化規(guī)律相接近，微應變維持在-10×10-6～0范圍內，在2 h內，四角呈收縮應變，且在80 min后收縮應變增加，以圖1應變片橫豎布置所示，表明四角橫豎向布置區(qū)別不大。根據(jù)參考文獻［4-5］，各點變化規(guī)律可能與所測各點自身涂層的厚度等有關，四角的微應變在85 min(相對時間510 s)后呈較大的下降趨勢，可能與同期最大主應變增加呈拉伸狀態(tài)有關，且四角受到邊界條件的約束，反而呈收縮微應變。

由以上分析可知，常溫下環(huán)氧熱應力對于聚脲附著力幾乎不產生影響。

圖3 常溫下四角環(huán)氧類基材處理層應變變化規(guī)律

2.2 低溫靜態(tài)應變

2.2.1 中心主應變

圖4是環(huán)氧類基材處理劑低溫(-20℃)下中心的主應變變化規(guī)律，圖4(a)是最大主應變 ε1的變化規(guī)律，從圖中看出ε1隨時間收縮應變呈遞增的變化規(guī)律，且整個過程伴隨著上下波動，結合圖4(c)最大主應變與x軸夾角的變化規(guī)律，可以得出，最大主應變在低溫下收縮應變不斷增加的同時，其方向處在不斷往復的變化之中。圖4(b)是最小主應變 ε2的變化規(guī)律，與ε1的變化規(guī)律相接近，表明主應變呈現(xiàn)收縮狀態(tài)，且不斷增加。

圖4 低溫下環(huán)氧類基材處理層中心點主應變變化規(guī)律

2.2.2 四角應變

表3是低溫8 h后大理石四角微應變。由表3可見，四角微應變8 h后，仍維持在 -25×10-6～30×10-6區(qū)間內，表明四角微應變不大，這與中心點呈收縮應變和受大理石邊界條件制約，二者因素共同作用有關。

表3 大理石板四角1號～8號低溫8 h后應變 ×10-6

由于刮涂有環(huán)氧類基材處理劑的大理石板，很難測定其彈性模量及泊松比。以表2材料參數(shù)所示，假定彈性模量為100 GPa，泊松比 ν為0.3，測得最大剪切應力在低溫下將達到2 MPa左右，根據(jù)文獻［6-7］，環(huán)氧類基材處理層對于混凝土基材的附著力比聚脲層對于基材處理層的附著力高，聚脲附著力在冬季受到低溫影響，前期附著力只有3 MPa左右，故而導致采用環(huán)氧類基材體系的聚脲層的大面積脫落。

3 結論

1)常溫(20℃)下，環(huán)氧類基材處理劑應變不大，主應變維持在-20×10-6～20×10-6范圍內，由此產生的熱應力較小，對聚脲附著力沒有影響。

2)低溫(-20℃)下，由于環(huán)氧類基材處理劑與基材存在較大的熱膨脹性系數(shù)，8 h收縮應變達到300×10-6，產生的熱應力加上環(huán)氧體系自身交聯(lián)過程中由于低溫無法松弛而殘留的內應力，這二者應力共同作用是造成聚脲涂層脫落的重要因素之一;同時冬季低溫狀況下，影響聚脲涂層與基材處理劑之間附著力發(fā)展，從而共同造成聚脲涂層的大面積脫落。

3)結構因素是影響基材處理劑應變一個重要的因素，在實際應用中，結構設計時應加以考慮，避免產生較大的應力應變。

［1］黃微波.噴涂聚脲技術在京滬高鐵的應用與展望［J］.上海涂料，2009，47(5):1-3.

［2］姜英濤.涂料基礎［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005:48-77.

［3］尹應躍，魏曉紅，游敏.粘涂層中的溫度應力測試與分析［J］.粘接，2003，24(4):3-5

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［5］SHI Xiaodong，STUART G.Thermal-induced recovery of small deformations and degradation defects on epoxy coating surface［J］.J.Coat.Technol.Res，2010，7(1):73-84.

［6］呂平，朱立，丁國雷，等.基材處理劑對京滬高鐵聚脲涂層附著力影響的研究［J］.新型建筑材料，2010(6):77-80.

［7］蔣宗全，郭曉安，屈高見.橋面噴涂聚脲防水層常見質量缺陷與應對措施［J］.鐵道建筑，2010(10):19-21.