不同老化處理方式對混凝土防腐蝕涂層表面狀態和拉伸性能的影響

羅志權，郭琦，陳斌，連新奇，姬明杰，靳昊，程冠之

(1.海南高速鐵路有限公司，海南海口 570125;2.中鐵四局集團有限公司，安徽合肥 230071; 3.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;4.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

不同老化處理方式對混凝土防腐蝕涂層表面狀態和拉伸性能的影響

羅志權1，郭琦1，陳斌1，連新奇1，姬明杰2，靳昊3，4，程冠之3，4

(1.海南高速鐵路有限公司，海南?？?570125;2.中鐵四局集團有限公司，安徽合肥 230071; 3.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;4.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

選擇醇酸、丙烯酸、聚氨酯和氟碳4類涂料進行對比試驗，研究其耐紫外、耐濕熱和耐堿溶液的性能。試驗結果表明:醇酸涂層和丙烯酸涂層整體耐老化性能較差，濕熱老化處理7 d后，試件的失光率高達90% 以上，表面出現嚴重的開裂和起泡現象。聚氨酯涂層耐堿溶液的性能較好，但是受紫外老化和濕熱老化影響較大，其紫外老化28 d后失光率大于75% ，拉伸強度和斷裂伸長率下降超過40% ，濕熱老化7 d后的失光率達97% ，表面開裂和起泡情況嚴重。氟碳涂層耐老化性能優異，老化28 d后失光率不到20% ，表面無粉化、開裂、起泡、剝落等現象，拉伸性能未受損害。4類涂層耐老化性能的順序為醇酸涂層＜丙烯酸涂層＜聚氨酯涂層＜氟碳涂層。

氟碳涂層 聚氨酯涂層 丙烯酸涂層 醇酸涂層 老化處理

海洋工程中，鋼筋混凝土結構長期受到氯鹽、硫酸鹽、碳化、凍融等因素的復合作用，不僅造成混凝土本體的損傷，也會誘發混凝土中的鋼筋銹蝕，引起混凝土保護層開裂、剝落，最終導致鋼筋混凝土結構的破壞［1］。因此，需對海洋工程中的鋼筋混凝土結構采取有效的防腐蝕強化措施，以提高其結構耐久性。許多專家學者對此進行了大量研究，實踐證明，在混凝土表面進行涂層防護可有效地提高鋼筋混凝土結構的耐久性能［2－3］。

混凝土防腐蝕涂層體系中，面漆與外部直接接觸，受紫外線輻照、溫濕度變化和鹽溶液侵蝕等環境因素的直接作用，因此其耐老化性能是維持涂層體系長期有效性的關鍵所在。目前，混凝土防腐蝕涂層面漆主要包括醇酸樹脂類、丙烯酸樹脂類、聚氨酯樹脂類和氟碳樹脂類。醇酸面漆價格低，但耐候性較差，常需添加助劑(如鋁粉、石墨等)以提高其耐老化性能;丙烯酸面漆裝飾性和附著力較好，但是耐水解性能較差，低溫易變脆，高溫易變黏;聚氨酯面漆綜合性能優異，但其漆膜易變黃、粉化、褪色［4］;氟碳面漆目前均采用FEVE樹脂(氟烯烴與烷基乙烯基醚或烷基乙烯基酯的共聚物)配制，耐老化性能最優。FEVE樹脂內部存在大量C—F鍵，鍵能達486.15 kJ/mol，不易被紫外線破壞，且分子中的含氟單元可有效保護烷基乙烯基醚或烷基乙烯基酯單元，因而耐老化性能優于其它幾種面漆［5－6］。然而，由于海工混凝土結構受多種腐蝕因素的共同作用，腐蝕條件更為嚴苛，因此各類涂層材料的防腐蝕效果有待進一步研究和測試。

本文考察了不同老化形式對各類面漆性能的影響，試驗中對醇酸、丙烯酸、聚氨酯和氟碳等4類面漆分別進行了紫外老化、濕熱老化和堿溶液的處理，并測試了處理前后的涂層表面狀態及拉伸性能。

1 試驗方案

1.1 主要原料

①自制氟碳樹脂涂料;②自制單組份聚氨酯涂料;③中康泰博(天津)防腐涂料有限公司生產的單組份丙烯酸涂料;④中康泰博(天津)防腐涂料有限公司生產的灰鋁粉石墨醇酸面漆。

1.2 主要設備及儀器

①美特斯工業系統(中國)有限公司生產的CMT6104型微機控制電子萬能試驗機;②天津港源儀器廠生產的HD－10型測厚儀;③普桑達儀器科技有限公司生產的BY－269B型可程式恒溫恒濕試驗箱;④美國Q－Lab公司生產的紫外老化試驗箱。

1.3 測試方法

紫外老化處理參照《機械工業產品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗方法熒光紫外燈》(GB/T 14522—2008)執行。

堿溶液和鹽溶液處理參照《混凝土結構防護用成膜型涂料》(JG/T 335—2001)執行。

濕熱老化參照《漆膜耐濕熱測定法》(GB/T 1740—2007)執行。

表面狀態測試參照《色漆和清漆涂層老化的評級方法》(GB/T 1766—2008)進行試件面漆的失光率測試，以及粉化、起泡、剝落和開裂情況的等級評定。

拉伸性能測試參照《建筑防水涂料試驗方法》(GB/T 16777—2008)進行試件面漆的拉伸強度和斷裂伸長率測試。

2 試驗結果與分析

2.1 耐紫外老化性能

分別將醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂和氟碳樹脂涂料制成標準試膜及試件，對比其耐紫外老化性能。圖1為紫外老化處理后各類涂層的失光率。由圖可知，隨紫外老化時間增加，4類試膜的光澤度均有不同程度下降，其中醇酸試膜的光澤度下降最明顯，紫外老化7 d后的失光率超過50% ，達到4級失光，屬嚴重失光狀態。丙烯酸試膜和聚氨酯試膜的失光率下降也較明顯，紫外老化7 d后失光率已分別達到25.1% 和15.8% ，屬輕微失光狀態;紫外老化14 d后失光率達40% 以上，屬明顯失光狀態。氟碳試膜的表面光度保持率較高，紫外老化7 d后的失光率僅1.3% ，屬無失光狀態;紫外老化28 d后失光等級仍在1級范圍內，屬于很輕微失光狀態。

圖1 紫外老化處理后各類涂層的失光率

選擇了失光率較低的氟碳試膜和聚氨脂試膜進行了拉伸性能測試，試驗結果如圖2所示。從圖可知，氟碳試膜和聚氨酯試膜相比，雖然拉伸強度和斷裂伸長率較低，但是其耐紫外老化性能明顯優于后者，經紫外老化處理28 d后，拉伸強度和斷裂伸長率的變化率≤10% 。而聚氨酯試膜隨紫外老化時間增加，拉伸強度和斷裂伸長率明顯下降，紫外老化28 d后，拉伸強度和斷裂伸長率分別下降了40% 和48% 。

綜上所述，氟碳涂層的耐紫外老化性能最優，明顯高于醇酸、丙烯酸和聚氨酯涂層。

圖2 紫外老化處理后氟碳及聚氨酯涂層的拉伸性能

2.2 耐濕熱老化性能

分別將醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂和氟碳樹脂涂料參照標準GB/T 1740—2007在馬口鐵板上制成標準試膜及試件，并對比其耐濕熱老化性能，結果如圖3和表1所示。

圖3 濕熱老化處理后各類涂層的失光率

表1 濕熱老化處理后各類涂層的外觀檢測

從圖3可知，除氟碳試件外，其它3類試件經濕熱老化處理后，光澤度下降顯著，老化7 d時的失光率均已超過90% ，已達到5級失光水平，屬完全失光狀態。而氟碳試件經濕熱老化處理7 d后的失光率僅為4.4% ，在失光1級范圍內，屬于很輕微失光狀態;濕熱老化處理28 d時失光率也僅為18.7% ，在失光2級范圍內，屬輕微失光狀態。從表1可知，經濕熱老化處理后，醇酸和丙烯酸涂層出現了嚴重的開裂現象，濕熱老化7 d后，開裂等級≥3級，而聚氨酯和氟碳試件表面未出現開裂。同時，除氟碳試件外，其它3類試件經濕熱老化后均產生了嚴重的起泡現象，濕熱老化7 d后，起泡等級已達到5級。而氟碳涂層由于致密性極佳、水汽透過率低以及黏結性能良好，所以試件受濕熱老化的影響明顯低于其它3類材料。氟碳試件濕熱老化7 d后面漆無起泡，28 d后起泡等級仍為3級。

4類試件經濕熱老化7d后表面狀態如圖4所示。從圖中可知，醇酸、丙烯酸和聚氨酯涂層經濕熱老化處理后受損嚴重，已無法進行拉伸性能測試，而氟碳試件的表面狀態仍保持良好。由上述結果可知，氟碳涂層的耐濕熱老化性能良好，明顯優于醇酸、丙烯酸和聚氨酯涂層。

圖4 濕熱老化處理7 d后各類涂層試件的表面狀態

2.3 耐堿溶液性能

分別將醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂和氟碳樹脂涂料制成標準試膜及試件，對比其耐堿溶液性能，結果如圖5和表2所示。

圖5 堿溶液處理后各類涂層的失光率

表2 堿溶液處理后各涂層外觀檢測

從圖5和表2可知，經堿處理后，醇酸和丙烯酸涂層表面光澤度下降明顯，堿處理28 d后，失光率≥80% 。同時，這2類涂層均出現嚴重的起泡現象，堿處理28 d后起泡等級到達了5級，并出現了局部剝落現象。試驗結果說明醇酸和丙烯酸涂層的耐堿性能較差，不適宜在堿環境下長期服役。而聚氨酯和氟碳涂層的耐堿性能良好，特別是氟碳涂層，經堿處理28 d后試件表面狀態良好，未發生粉化、開裂、起泡和剝落等現象。

在此基礎上，研究了堿處理對聚氨酯和氟碳試膜拉伸性能的影響，如圖6所示。從圖中可知，隨堿處理時間增加，聚氨酯和氟碳涂層的柔韌性略有下降，拉伸強度增大。這主要是因為堿環境會對異氰酸酯基團的反應活性起到催化作用，提高了聚氨酯和氟碳涂層的固化交聯程度。

3 結論

1)醇酸和丙烯酸涂層的耐老化性能較差，其中紫外老化和濕熱老化對其破壞最為嚴重，老化后表面失光嚴重，出現明顯的開裂和起泡等現象，適用于室內或一般腐蝕環境的防腐加強處理。

2)聚氨酯涂層力學性能佳，耐老化性能優于醇酸和丙烯酸涂層，但是耐紫外老化性能和耐濕熱老化性能較差，經紫外老化處理28 d后拉伸強度和斷裂伸長率分別下降了40% 和48% ，經濕熱老化7 d后失光率高達97% ，表面被嚴重破壞，出現明顯的開裂和氣泡現象，適用于中等腐蝕環境的防腐加強處理。

圖6 堿處理后氟碳及聚氨酯涂層的拉伸性能

3)氟碳涂層的耐老化性能優異，明顯高于其它3種涂層，經紫外老化、濕熱老化和堿處理28 d后，試膜的拉伸性能未受損，失光率＜20% ，表面狀態良好，未發生粉化、開裂、起泡和剝落等現象，適用于惡劣環境下的防腐加強處理。

［1］康莉萍.海洋鋼筋混凝土結構表面涂層防護的研究［D］.西安:西安建筑科技大學，2013.

［2］辛小平.濃縮海水環境混凝土涂層保護的適用性研究［D］.青島:青島理工大學，2008.

［3］NEOH K G，KANG E T.Combating Bacterial Colonization on Metals via Polymer Coatings:Relevance to Marine and Medical Applications［J］.Acs Applied Materials＆Interfaces，2011，3 (8):2808－2819.

［4］范波波.建筑混凝土用防腐蝕氟碳樹脂涂料的制備及涂層性能研究［D］.天津:河北工業大學，2008.

［5］柳維成，計春艷，鄭鐵英.國內外橋梁防腐蝕現狀及今后發展趨勢［J］.全面腐蝕控制，2008，22(1):17－20.

［6］李運德，左禹.常溫固化FEVE氟碳涂料耐候性研究［J］.涂料工業，2010，40(1):4－7.

Influence of different aging treatment methods on concrete corrosion-resistant coating and tensile performance

LUO Zhiquan1，GUO Qi1，CHEN Bin1，LIAN Xinqi1，JI Mingjie2，JIN Hao3，4，CHENG Guanzhi3，4
(1.Hainan High－speed Railway Co.，Ltd.，Haikou Hainan 570125，China; 2.China Railway 4th Bureau Group Co.，Ltd.，Hefei Anhui 230071，China; 3.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 4.State Key Laboratory for Track Technology of High－speed Railway，Beijing 100081，China)

The paper carries out comparative studies on the resistance performance of four coating materials－alcohol acid，acrylic acid，polyurethane and fluorocarbon－against UV，moisture－heat and aqueous alkali.The results indicate that the first two choices－being alcohol acid and acrylic acid－deliver a poor aging performance，as both display a more than 90% gloss loss with severe cracking and foaming after seven days of moisture－heat treatment.Polyurethane on the other hand performs well in terms of aqueous alkali resistance，yet the coating is heavily influenced by UV and moisture－heat.The paper noticed(in the polyurethane specimen)an above 75% gloss loss and a more than 40% drop in tensile strength and in extensibility after 28 d of UV treatment.And 7 d moisture－heat treatment gives rise to a 97% gloss loss and severe cracking and foaming.As for the fluorocarbon，it stands out for its aging resistance，as 28 d aging treatment only results in a less than 20% gloss loss.At the same time，no visible pulverization，cracking，foaming or exfoliation is noticed and the tensile performance is hardly undermined.Therefore it can be concluded that the ranking list for the above mentioned four specimens should be alcohol acid＜acrylic acid＜polyurethane＜fluorocarbon.

Fluorocarbon coating;Polyurethane coating;Acrylic acid coating;Alcohol acid coating;Aging treatment

TQ322.4+1;U214.1+8

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.38

(責任審編 周彥彥)

1003－1995(2015)10－0172－04

2015－01－19;

2015－04－22

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2014G004－R)

羅志權(1966—)，男，高級工程師。