聚氨酯类基材处理剂热应力研究

朱 立，吕 平，黄微波

(1.青岛理工大学功能材料研究所，山东青岛 266033;2.宁波交通工程建设集团有限公司，浙江宁波 315000)

作为聚脲工程相配套的基材处理剂，是连接混凝土基层与聚脲防水层的中间层，起到承上启下的作用。不仅需具备与基材优异的附着力，且能够与聚脲起到良好的黏接效果，同时还需具备修补基材表面缺陷等优异的施工效果［1］。

环氧类基材处理剂由于附着力性能高等特点而被广泛使用，也成为聚脲施工的主要处理剂。然而，其冬季施工效果不佳、热应力较大，导致冬季聚脲涂层大面积脱落［2-3］。为此，本文提出一种基于聚氨酯类的基材处理剂(QTECH-112)，其物理性能指标在符合《京沪高速铁路桥混凝土桥面喷涂聚脲防水层暂行技术条件》的前提下［4］，研究基材处理层平面热应力变化情况，采用静态应变仪，测试其常温、低温下的主应变变化规律。

1 试验方法

1.1 试件制备及主要试验设备

采用在抗折强度、抗压强度等物理性能及泊松比、弹性模量及热膨胀性系数上相接近的天然大理石板模拟C50高性能混凝土。在400 mm×300 mm大理石上刮涂QTECH-112类基材处理剂。表1为主要的实验设备。

表1 主要试验设备

1.2 静态应变试验

涂层平面应变测试，采用静态应变仪，使用四分之一桥路连接，大理石板中心点采取三片5 mm×30 mm应变片贴直角应变花的方式，采用摩尔应变圆计算公式，得出最大主应变ε1、最小主应变ε2和最大主应变与0°应变片(11号)水平方向线(简称x轴)的夹角ψ;四角采用5 mm×3 mm应变片的方式，其中1号、4号、5号、8号为横向布置，其余为竖向布置。如图1所示，测试在常温20℃ ～23℃和低温－20℃ ～18℃时，QTECH-112平面涂层应变情况，研究涂层中心点与四周的联系与区别。

图1 电阻应变片的平面布置图

2 试验结果及讨论

2.1 常温静态应变

2.1.1 中心点主应变

20℃常温下QTECH-112基材处理层中心点主应变变化规律如图2所示。图2(a)是20℃常温下QTECH-112最大主应变ε1随时间发展的变化规律。从图中看到，最大主应变ε1表现为相对缓慢增长，微应变从0增加到15×10－6。图2(b)是最小主应变ε2的变化规律。从中看到，随着时间的增加，最小主应变ε2保持相对稳定，微应变维持在－1×10－6。图2(c)是最大主应力与x轴的夹角变化规律。图2(c)表明最大主应力方向与x轴夹角ψ维持在－20°±2°左右。从图2可以看出，在常温下聚氨酯类基材处理剂维持在较低的微应变，其产生的应力忽略不计。文中或图中相对时间0.5 s等于实际时间5 s。

图2 常温下QTECH-112基材处理层中心点主应变变化规律

2.1.2 四角微应变

图3是常温20℃下大理石板四角的微应变变化规律。从图3可以看出2号、4号、6号应变变化不大，其余则随测试时间增加而相应增长，这是由于不同测点存在差异，受到边界条件的制约不大，常温下边角应变呈拉伸微应变，大致保持在30×10－6，其应力应变略高于中心点。根据文献［5-7］，各点变化规律可能与所测各点自身涂层的厚度等有关。

根据以上研究结果推断，常温下聚氨酯类基材处理剂热应力对于聚脲附着力几乎不产生影响。

2.2 低温静态应变

2.2.1 中心主应变

图3 常温下四角QTECH-112基材处理层应变变化规律

图4是QTECH-112类基材处理剂在－20℃低温条件下中心的主应变变化规律。图4(a)是最大主应变ε1的变化规律，由图4(a)可见，8 h内ε1在100×10－6～250 ×10－6区间波动，波动幅度大致为75 ×10－6左右，且随持续时间的增加而增长，增加速率不大，QTECH-112基材处理剂表现为拉伸应变。图4(b)为QTECH-112中心点最小主应变ε2的变化规律，8 h内一直维持在－60×10－6～0的区间波动，幅度大致为60 ×10－6，平均值为 －30 ×10－6。图4(c)是最大主应变ε1与x轴夹角ψ的变化规律，从中可以看到40 min(相对时间120 s)后，ψ 维持在 －44°±1°范围内，0～25 min保持在45°±1°范围内，25～40 min在44°±1°与－44°±1°交替，可能由于前25 min基材处理剂与环境温度未平衡有关。

图4 低温下QTECH-112类基材处理层中心点主应变变化规律

2.2.2 四角微应变

表2是－20℃条件下8 h后大理石四角微应变。由表2可见，8 h后四角微应变仍维持在－25×10－6～30×10－6区间内，表明四角微应变不大，这与中心点呈收缩应变和受大理石边界条件制约，二者因素共同作用有关。

表2 大理石板四角1号～8号低温8 h后微应变

低温条件下，QTECH-112基材处理剂之所以呈拉伸应变状态，是因为作为一种聚氨酯类弹性体材料，自身具有大量线性柔性部分，呈无规则卷曲状态，同时其玻璃化转变温度低于室温，在降温过程中，越过玻璃化温度转化区时，相对于环氧体系脆性的特点，有一段应力松弛时间，能够很好地缓解环境温度变化所带来的应力应变，故而其应变小于大理石基材的收缩应变［7-8］，在低温下对于聚脲的附着力影响不大。

3 结语

常温(20℃)下，聚氨酯类基材处理剂应变不大，主应变维持在0～20×10－6区间内，由此产生的热应力较小，对聚脲附着力没有影响。低温(－20℃)下，8 h后，QTECH-112 基材处理剂:ε1为 245 ×10－6，ε2平均为 －29.80×10－6，1号 ～8号 ε平均值为 －57×10－6;在8 h内最大主应变从100×10－6缓慢上升到250×10－6，且 ψ 值在 40 min后，一直维持在 －44°±1°范围内，这是因为QTECH-112作为一种弹性材料，在降温过程中，越过玻璃化温度转化区时，有一段应力松弛时间，从而很好地抵消了低温引起的热应力。结构因素是影响基材处理剂应变的一个重要因素，在实际应用中，结构设计时应加以考虑，避免产生较大的应力应变。

［1］黄微波．喷涂聚脲技术在京沪高铁的应用与展望［J］．上海涂料，2009，47(5):1-3．

［2］姜英涛．涂料基础［M］．北京:化学工业出版社，2005:48-77．

［3］尹应跃，魏晓红，游敏．粘涂层中的温度应力测试与分析［J］．粘接，2003，24(4):3-5．

［4］吕平，朱立．基材处理剂对京沪高铁聚脲涂层附着力影响的研究［J］．新型建筑材料，2010(6):77-80．

［5］MULLE M，ZITOUNE R，COLLOMBET F，et al．Measuring strains through the thickness of a composite structural specimen subjected to bending［J］．Experimental Mechanics，2009(49):877-880．

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

［7］山西省化工研究所．聚氨酯弹性体手册［M］．北京:化学工业出版社，2001．

［8］吕平，朱立，刘旭东，等．新建高速铁路环氧基材处理剂热应力对聚脲防护层附着力影响的研究［J］．铁道建筑，2011(5):40-42．