應用于高鹽高輻照環境下的鋼結構涂層防護行為研究

董彩常，丁國清，楊海洋，劉凱吉

（青島鋼研納克檢測防護技術有限公司，青島 266071）

引言

大量現場試驗和研究表明[1-4]，防腐涂層對于改善和提升鋼結構在嚴酷環境的服役壽命有重要的作用。而在高鹽度、高輻照環境中，需采用重防腐涂料配套體系[5]。環境和污染物因素如溫濕度、溫差、太陽輻照、紫外線、環境中污染物等，都會造成鋼結構涂層的老化或者使其產生粉化、滲色、變色、氣泡、剝落、開裂、漆膜分層、銹蝕等一系列缺陷[6]。

老化失效是有機涂層最普遍的失效形式，主要是受到紫外線、熱、水以及化學介質的作用，發生自由基降解和親水性基團的水降解[7-9]。在海洋大氣環境中，SO2和Cl-的存在會進一步促進材料的老化失效，加速材料老化的過程。同時，載荷的影響不可忽略[10]。在實際服役環境中，拉、壓、扭、彎等外加載荷對涂層產生不利的影響。涂層一旦出現老化，基體會在環境因素的影響下，發生電化學腐蝕。

有大量關于涂層在鋼結構的評價和研究表明[11-15]，綜合多因素影響，開展現場試驗和室內模擬試驗，建立切實有效的評價和預測機制有重要的意義。目前，國內從工程應用的應用角度，現場或加速條件下疊加力學因素的作用的試驗和研究相對較少，開展相關工作對系統研究各因素的綜合作用有重要的幫助。

本次選取的涂層在鋼結構的防護性能研究中利用現場暴露試驗及模擬加速腐蝕試驗進行。通過進行涂層的現場暴露試驗，積累涂層在實際服役環境下的腐蝕數據，評價涂層的環境適應性及其防護措施的有效性；通過進行涂層的模擬加速腐蝕試驗，獲得涂層在強化單一腐蝕因素條件下的腐蝕數據，并同現場暴露試驗獲得的腐蝕數據進行對比，分析它們的相關性，為快速評價涂層的防護性能提供依據。

1 研究方法

1.1 涂層試樣的制備

1.1.1 涂裝

依據鋼結構不同部位的防腐涂層體系，制備成非受力涂層試樣；依據鋼結構部分位置受力的特點，制備受力涂層試樣。相同部位的非受力與受力的涂層體系一致。現場暴露涂層試樣的涂裝工藝見表1，室內模擬加速腐蝕試驗的涂層試樣涂裝工藝見表2。

表1 用于現場暴露試樣的制備方

表2 用于室內模擬加速試驗試樣的制備方案

1.1.2 受力試樣的彎曲加載

受力試樣采用彎曲加載辦法對試樣進行力學加載，彎梁試樣在彎曲部位最大處具有最大的受力點，并向兩側線性下降至零。彎梁試樣采用三點加載的辦法，三點加載試樣的最大應力出現在凸型表面的中部，并線性下降至外支點處為零。凸型表面中點的彈性應力和最大撓度有如下的關系：

式中：

σ—最大張應力，MPa；

E—彈性模量，單位MPa；

δ—試樣厚度，mm；

Y—最大撓度，mm；

H—外支點間的距離，mm。

根據設計的應力值可求出最大撓度，以滿足試驗要求的應力值。

由于鋼結構實際受力復雜，因此，受力涂層試樣選定了兩個力學條件，分別是：力學條件1為200 MPa；力學條件2為120 MPa。底部支座受力簡單，其力學試樣則選定了1個試驗條件，其大小為25 MPa。選用316 L不銹鋼制作施力支架。施力支架尺寸見圖1。

圖1 施力支架尺寸

1.2 涂層試樣的現場暴露試驗

選用鋁合金材料制作試驗架，根據暴露試驗站圍欄尺寸，設計制作試樣架固定支架。現場暴露試驗中，試樣架豎直固定在暴露試驗站的圍欄上。應用于鋼結構外表面及底部支座的涂層暴露在陽光下，應用于鋼結構內表面的涂層在遮光環境下進行暴露試驗。

1.3 涂層試樣的室內模擬加速腐蝕試驗

1.3.1 鹽霧試驗

參考GB/T 1771-2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測試》，在鹽霧腐蝕試驗箱中進行。試驗溫度（35±2） ℃；連續噴霧；試樣與垂直方向成20 o角放置。試驗期間定期目視檢查試樣的外觀形貌，尤其是試驗初期。試驗周期結束后，用流動水去除試樣表面殘留的鹽霧溶液，觀察記錄涂層形貌，參考GB/T 30789系列標準對涂層進行老化等級評定。

1.3.2 紫外老化試驗

試驗在紫外老化試驗箱中進行，依據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》的規定，交替循環進行紫外線輻照和凝露暴露的試驗循環；光照階段溫度為（60±3）℃，冷凝階段溫度為（50±3）℃；光照和冷凝循環周期為4 h光照、4 h冷凝。光譜波長范圍（295～360）nm，可最佳模擬陽光紫外線。紫外線/凝露循環期間，以紫外線輻照開始，以凝露暴露結束。試驗周期結束后，觀察記錄涂層形貌，參考GB/T 30789系列標準對涂層進行老化等級評定。

2 結果與討論

2.1 涂層的現場暴露

非受力涂層試樣暴露1年后的腐蝕形貌見圖2。結果表明，試樣暴露1年后，涂層表面有較多的粉塵附著，但均未出現起泡、開裂、剝落及出銹等現象，同原始試樣相比，表面形貌未發生明顯變化。受力涂層試樣暴露1年后的表面形貌見圖3，結果與非受力涂層試樣的腐蝕形貌結果相同，力學因素對涂層試樣腐蝕形貌的影響不明顯。

圖2 非受力涂層試樣暴露1年后的腐蝕形貌

圖3 受力涂層試樣暴露1年后的腐蝕形貌

涂層試樣暴露1年的老化等級評定結果見表3，結果表明，所有涂層試樣均未出現失光、變色、粉化、開裂、起泡等老化現象，在應力集中部位也沒有出現開裂現象，基材受到良好保護。應用于鋼結構內部的涂層試樣因暴露位置遮蔽了陽光和降雨，從而使得有機涂層不易發生光降解和水降解。涂層在1年內沒有發生明顯老化現象，這也表明應用于鋼結構和底部支座所用的面漆的耐老化能力良好。

表3 涂層試樣現場暴露1年后腐蝕等級評定

2.2 涂層試樣的室內模擬加速腐蝕試驗

2.2.1 耐鹽霧性能

涂層經鹽霧試驗后的外觀形貌表明，鋼結構內外涂層的耐鹽霧性能良好，試樣表面形貌未發生明顯變化，未見出現起泡、開裂和出銹等腐蝕老化現象。應用于鋼結構內外的涂層經鹽霧試驗后的外觀形貌如圖4所示，老化評級結果見表4。結果表明，所有試樣均出現了變色、粉化、開裂、起泡、生銹和剝落現象，每項評級結果均為0。涂層試樣未發生變色、粉化、開裂現象的原因是鹽霧箱內雖然腐蝕條件苛刻，但缺少使有機涂層降解的有效條件（光照），不能使涂層的化學鍵發生斷裂。所有涂層試樣均未出現氣泡、生銹現象，這表明了鋼結構內外涂層和底部支座涂層均具有良好抗鹽霧和水汽的滲透能力。

表4 鋼結構涂層經鹽霧試驗后的老化等級

圖4 鋼結構內外表面涂層試樣鹽霧腐蝕試驗后表面形貌照片

應用于底部支座的涂層經鹽霧試驗后的外觀形貌如圖5所示，老化等級結果評定見表5。結果表明，經鹽霧試驗后，試樣表面形貌未發生明顯變化；試驗期間內，試樣未出現起泡、開裂和出銹等現象，每項評級結果為0。即表明，底部支座涂層具有良好的耐鹽霧性能。

表5 底部支座涂層經鹽霧試驗后的老化等級

圖5 底部支座涂層試樣鹽霧腐蝕試驗后表面形貌照片

2.2.2 耐候性分析

鋼結構涂層試樣經紫外老化試驗后的外觀形貌變化如圖6所示，結果表明，試樣均出現了變色、粉化等老化現象，但未出現起泡、開裂和出銹等現象。

圖6 鋼結構內外涂層紫外老化試驗后表面形貌照片

鋼結構內外涂層經紫外老化試驗后的老化評級結果見表6。結果表明，試驗500 h后，所有涂層試樣均未出現變色、粉化、起泡、出銹等老化現象；試驗1 200 h后，鋼結構內表面涂層試樣出現了輕微的變色和粉化；試驗2 000 h后，鋼結構外表面涂層試樣出現了輕微的變色和粉化，鋼結構內表面涂層試樣的變色、粉化程度增大。在整個試驗期間內，所有涂層試樣均未出現起泡、開裂和出銹現象，鋼結構基體材料未受腐蝕。

表6 涂層試樣紫外老化試驗腐蝕率結果

底部支座涂層試樣經紫外老化試驗后的外觀形貌變化如圖7所示。結果表明，經紫外老化試驗后，試樣顏色發生較明顯的變化；該涂層體均出現了變色、粉化等老化現象，但未出現起泡、開裂和出銹等老化現象。

圖7 底部支座涂層試樣紫外老化試驗后表面形貌照片

底部支座涂層試樣經紫外老化試驗后的老化評級結果見表7。結果表明，試驗500 h后，所有涂層試樣均未出現變色、粉化、起泡、出銹等老化現象；試驗1 200 h天后，試樣出現了輕微的變色和粉化；試驗2 000 h后，試樣變色和粉化的等級增大。在整個試驗期間內，所有涂層試樣均未出現起泡、開裂和出銹現象，底部支座基體材料未受腐蝕。

表7 涂層試樣紫外老化試驗腐蝕率結果

2.3 結果討論

相關測試結果顯示，無論在實際環境下暴露1a還是在鹽霧和紫外老化暴露2 000 h，在嚴酷環境和載荷狀態雙重作用下，鋼結構涂層體系均未存在嚴重的老化現象。這表明，在紫外環境、氯離子、高濕等環境下，材料雖出現輕度的變色和粉化，但未出現起泡、開裂、生銹和剝落等嚴重問題，因此，依然可以有效抑制氧氣、水分子和腐蝕性離子等的侵入，阻斷介質的傳輸通道，有效抑制基體金屬腐蝕。

室內加速腐蝕試驗中，兩種環境下均未出現起泡、開裂、生銹和剝落現象。單紫外老化試驗后出現明顯的變色和粉化，這表明，紫外老化環境比鹽霧環境對材料老化的影響大，這是由于紫外光的能量大于有機涂層的化學鍵能，在紫外條件下，有機涂層產生變色和粉化現象。而紫外老化試驗箱內還存在濕熱條件，該條件也是促使涂層變色和粉化的重要因素。

對于載荷的影響，測試結果表明，在試驗期間內，載荷對涂層未產生直接影響，在應力集中部位也沒有出現開裂、銹蝕和剝落等現象，基材受到良好保護。

但環境和載荷的疊加作用不可忽略，在后續試驗周期將重繼續追蹤。

3 結論

1）在嚴酷環境和載荷狀態雙重作用下，無論在實際環境下還是在加速環境，均未出現明顯的影響。

2）在試驗的初期，不同大小的載荷對涂層防護性能尚未產生明顯影響，在應力集中部位也沒有出現開裂現象，基材受到良好保護。但該兩因素疊加加速作用，在后續試驗周期將重點追蹤多因素共同作用對涂層老化的影響。

3）由于紫外光的能量大于有機涂層的化學鍵能，在紫外條件下，有機涂層產生變色和粉化現象，其對老化的影響強于鹽霧環境。