青藏铁路站台雨棚钢结构防腐涂层抗老化性能研究与服役寿命预测

梁宏璞 保正才 杨海波 张林华 赵炜 韩冰

1.中国铁路青藏集团有限公司，西宁 810007；2.中国建筑技术集团有限公司天津钢结构分公司，天津 301800；3.中康泰博（天津）防腐涂料有限公司，天津 301721

建筑钢结构领域普遍采用有机涂层防腐［1-2］。大气环境中有机涂层易发生光降解、水降解、生物降解等反应，引起涂层失效［3］。青藏铁路沿线气候环境特殊，紫外线年辐射总量比内地同纬度地区高出约1倍［4］。紫外线的光降解是有机涂层发生老化的主要因素，会导致使用寿命大大缩短，给防腐涂层的使用和维护带来极大不便，不仅费时费力，而且造成极大浪费。因此有必要对常用钢结构防腐涂层体系的抗紫外线老化性能进行研究，选取适用于青藏铁路站台雨棚钢结构的长效防腐涂层体系。

1 荧光紫外线加速老化试验

1.1 试样的制备

根据重防腐涂装的底漆、中间漆和面漆之间的配套性、使用寿命、青藏高原环境等因素确定试样的涂层体系，见表1。其中涂层材料均由天津津海特种涂料装饰有限公司生产。

表1 试样的涂层体系

试板尺寸为150 mm（长）×70 mm（宽）×2 mm（厚），材质为Q235低碳钢，表面处理至Sa2.5级。按照GB∕T 1727—1992《漆膜一般制备法》和GB∕T 9271—2008《色漆和清漆标准试板》的相关规定喷涂制备试样。每道涂层喷涂后，室温固化24 h，用干膜测厚仪多点测试涂层干膜厚度，控制试样总厚度达到设计值。

1.2 试验条件

按照GB∕T 23987—2009《色漆与清漆 涂层的人工气候老化曝露曝露于荧光紫外线和水》进行荧光紫外线加速老化试验。试验条件为：紫外线类型Ⅱ（UVA-340），辐照度1.20 W∕m2，采用光照8 h+冷凝4 h（雨淋15 min）循环暴露。光照阶段黑板温度计温度为60℃（±3℃），冷凝阶段黑板温度计温度为40℃（±3℃），相对湿度80%。试验循环周期为2 000 h，并在0、250、500、750、1 000、1 250、1 500、1 750、2 000 h取出试样，对试样抗老化性能进行评定。

1.3 试样测试、分析和评价方法

1.3.1 涂层光泽度、色差的测试

采用YG60型测试仪，根据GB∕T 9754—2007《色漆和清漆 不含金属颜料的色漆漆膜的20°、60°和85°镜面光泽的测定》，按60°镜面角测定试样涂层体系的光泽度。采用SR-64型色差仪，按照ISO 7724.3—1984《色漆和清漆比色法第3部分色差计算》的相关规定多点测试试样涂层体系的色差，取其平均值。根据测试结果，按照GB∕T 1766—2008《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》中标准（表2）评定涂层在每个老化阶段的失光等级、变色等级。

表2 失光等级和变色等级评定标准

1.3.2 涂层厚度、微观形貌

采用EC770S型干膜测厚仪多点测量试样涂层体系的厚度，取其平均值。通过HITACHI SU8010型的冷场扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）观察试样涂层表面微观形貌，放大倍率为1万倍。

1.3.3 傅里叶变换衰减全反射红外光谱分析

用德国布鲁克ALPHA型傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪（Attenuated Total Internal Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy，ATR-FTIR）扫描每个老化阶段涂层表面，分析其化学分子结构的变化。探头为金刚石晶体，扫描范围为600～4 000 cm-1，扫描32次，分辨率2 cm-1。

2 试验结果与分析

2.1 试样失光率及色差分析

失光率=(G0-G i)∕G0×100%。其中G0、Gi分别为老化前、老化后涂层的光泽度；i为老化时间，h。试样失光率随老化时间变化曲线见图1。

图1 试样失光率随老化时间变化曲线

由图1和表2可知：老化250 h后，1#试样（醇酸体系）失光率大于50%，严重失光；2#试样（丙烯酸脂肪族聚氨酯体系）老化750～1 000 h时，失光率明显增大，最大失光率（24.2%）出现在1 000 h，轻微失光；3#试样（氟碳体系）老化0～250 h时失光率增加明显，随后缓慢增长，最大失光率（45.5%）出现在老化1 750 h，明显失光；4#试样（丙烯酸聚硅氧烷体系）失光率总体上随老化时间延长缓慢增加，最大失光率（25.8%）出现在老化1 500 h，轻微失光。由此说明，丙烯酸脂肪族聚氨酯体系、丙烯酸聚硅氧烷体系具有较高的保光性，氟碳体系次之，醇酸体系最差。

试样色差随老化时间变化曲线见图2。可知：老化250 h时，1#试样色差变化最大，随着老化时间延长其色差一直是4个试样中最大的，明显变色，说明其抗紫外线变色性能最差；老化250 h后，2#试样、3#试样、4#试样色差值增加缓慢，说明抗紫外线变色性能较优。

图2 试样色差随老化时间变化曲线

2.2 试样干膜厚度损失及微观形貌变化分析

试样干膜厚度损失随老化时间变化曲线见图3。可知：4个试样中2#试样干膜厚度损失最明显，老化0～500 h试样干膜厚度损失较大，这是由于试样中残留溶剂的挥发和丙烯酸脂肪族聚氨酯树脂老化生成的小分子物质流失所致；1#试样干膜厚度损失较明显，随老化时间延长大致呈线性变化；3#和4#试样干膜厚度损失随老化时间延长变化速率较慢，干膜厚度损失不明显。

图3 试样干膜厚度损失随老化时间变化曲线

试样SEM形貌随老化时间的变化见表3。可知：1#试样老化500 h时局部粉化，老化1 000 h时试样表面出现多条裂缝，屏蔽作用完全丧失；2#试样老化1 000 h时表面出现微裂缝，涂层的屏蔽作用开始下降，老化1 500 h时试样表面可见明显裂缝；3#试样和4#试样随老化时间增加表面粗糙度有所增加，但均未出现明显老化缺陷，老化1 500 h时可以清晰看到颜料颗粒，颜料颗粒通过残留的基料黏接在一起。

表3 试样SEM形貌随老化时间的变化

2.3 ATR-FTIR谱分析

ATR-FTIR谱分析通过试样涂层表面的反射信号获得表层有机成分，分析老化过程中涂层表面化学能的变化［5］。该分析方法不用破坏涂层表面，特别适用于多涂层样品表面信息的采集。试样不同老化时间的ATR-FTIR谱见图4。

由图4（a）可知：2 926 cm-1和2 850 cm-1处是亚甲基—CH2—的吸收峰；1 730 cm-1处是酯羧的吸收峰；1 260 cm-1处是酯基C—O—C的吸收峰。老化过程中，醇酸树脂主要官能团的C—C、C—H和C—O出现明显衰减，说明醇酸树脂发生Norrish typeⅡ断裂反应，过氧基团通过断裂和重组分解为小分子量产物，如乙醛和甲酮。

由图4（b）可知：2 920、2 860 cm-1和1 454 cm-1处为亚甲基—CH2—的吸收峰；1 730、1 688 cm-1和1 630 cm-1处为酯基—NHCOO—和羧基的吸收峰；1 160 cm-1处为C—O键的吸收峰。老化过程中C—N和C—O出现明显衰减，说明丙烯酸脂肪族聚氨酯树脂的C—N和C—O断裂，生成氨基自由基和烷基自由基，并释放出CO2。

由图4（c）可知：2 920 cm-1和2 850 cm-1处为亚甲基—CH2—的吸收峰；1 375 cm-1处为甲基的吸收峰；1 750、1 685 cm-1处为羧基的吸收峰，与1 215 cm-1处的吸收峰共同显示存在酯基；1 075 cm-1处为C—F的吸收峰，老化过程中吸收峰未明显减弱，而1 750、1685、1 215 cm-1等处吸收峰明显减弱，说明氟碳树脂的薄弱环节为酯基，老化过程中发生了酯基降解。

图4 试样不同老化时间的ATR-FTIR谱图

由图4（d）可知：2 925 cm-1处为亚甲基—CH2—的吸收峰；1 750 cm-1处为羧基的吸收峰；1 260 cm-1处为Si—CH3中C—H的吸收峰；1 130～1 030 cm-1处为Si—O—Si的吸收峰，老化过程中峰强未出现明显变化；800、695 cm-1处为Si—C的吸收峰。随着老化时间增加的吸收峰减弱，其均为丙烯酸链上的特征吸收峰，说明丙烯酸聚硅氧烷树脂老化过程中主要是的断裂分解，生成H2O和CO2挥发。

紫外线的光子所具有的能量为314～419 kJ∕moL［6］。当高分子链吸收的能量大于其化学键的键能时就会断裂。常见化学键的键能见表4。可知：醇酸体系和丙烯酸脂肪族聚氨酯体系的主要官能团的键能比紫外线最大能量低，抗紫外线能力较差；氟碳体系的C—F和丙烯酸聚硅氧烷体系的Si—O—Si的键能高于紫外线能量，抗紫外线能力较强。

表4 常见化学键的键能 kJ·moL-1

2.4 试样抗紫外线老化寿命分析

从荧光紫外线加速老化试验结果来看，在紫外线作用下涂层树脂发生降解，高分子链断裂，涂层表面变粗糙、失光、褪色。随着老化时间延长，涂层开始出现孔隙、微裂纹等缺陷，失去屏蔽作用。与厚度损失、色差值、SEM形貌等相比，失光率对涂层的变化更敏感。醇酸体系在老化250 h时严重失光，出现局部粉化，判定其在此次试验中老化寿命为250 h。丙烯酸脂肪族聚氨酯体系在老化750～1 000 h失光率明显增大，1 000 h时达到最大值，出现微裂缝，判定其在此次试验中老化寿命为750 h。氟碳体系和丙烯酸聚硅氧烷体系在抗厚度损失、保光性、保色性等方面比较均衡，在老化过程中未出现明显缺陷，氟碳体系、丙烯酸聚硅氧烷体系分别在老化1 750、1 500 h时失光率达到最大值，判定两者在此次试验中老化寿命为1 500 h。

3 常用防腐涂层的服役寿命预测

3.1 基本思路

基于环境因子量化模型和环境应力等效假设的涂层服役寿命预测方法被广泛应用［7-11］。采用该方法对青藏铁路雨棚钢结构服役寿命进行预测，基本思路为：①分析影响涂层服役寿命的主要环境因素和气候因素，即紫外线；统计站台雨棚紫外线腐蚀环境应力。②采用荧光紫外线室内加速老化试验，确定涂层在紫外线老化试验中的失效时间并计算加速老化试验应力。③由站台雨棚腐蚀因素的环境应力和老化试验应力等效，计算防腐涂层的服役寿命。

3.2 站台雨棚紫外线腐蚀环境应力

根据国家气象科学数据中心的观测资料，2020—2021年沱沱河站、安多站、那曲站、当雄站的太阳直接照射地面接受到的年紫外线辐射总量分别为329.52、366.69、358.32、376.47 MJ∕m2。当雄站的年紫外线辐射总量最大，故选取当雄站的年紫外线辐射总量作为格拉段的代表值Q z。

考虑到站台雨棚钢结构主体结构难以接受阳光直射，而紫外线基本不能由站台地面予以反射，因此涂层接受的紫外线强度取决于太阳高度角和结构自身特点。站台雨棚由钢柱、钢梁、檩条、天沟和压型钢板屋面组成，太阳光照射涂层的最大高度角α为47°，见图5。

图5 太阳高度角

当雄站的紫外线辐照度、太阳高度角随时间变化曲线见图6。qX、qD分别表示夏至日、冬至日的紫外线辐照量。KX、KD分别表示夏至日、冬至日太阳高度角在0°～47°时紫外线辐照量占全天紫外线辐照量的比例。由图6可得：当雄站的qX∕qD为2.463，当雄站的Qz=(qX+qD)∕2×365=1.73qD×365。KX=0.305、KD=1。考虑到涂层最不利位置能接受到1∕2的年紫外线辐射总量，因此青藏铁路站台雨棚钢结构防腐涂层最不利位置接受到的年紫外线辐射总量Q′z=(KXqX+KDqD)∕4×365=95.24 MJ∕m2。

图6 紫外线辐照度和太阳高度角随时间变化曲线

3.3 荧光紫外线加速老化试验应力

紫外灯模拟的是250～400 nm波长范围的太阳紫外光，荧光紫外线室内加速老化试验箱的辐射总量可以按照试验设定的总辐照度66.73 W·s∕m2进行计算。8盏紫外灯每天光照16 h产生的紫外线辐射总量Qzd=66.73×16×3 600×8=30.75 MJ∕m2。

3.4 涂层服役寿命预测

根据2.4节试样抗紫外线老化寿命分析结果，分别计算涂层最不利位置接受到的年紫外线辐射总量Q′z与涂层完全受太阳直接照射接受到的年紫外线辐射总量Qz，得到涂层在青藏铁路站台雨棚钢结构中的服役寿命，见表5。可知，采用氟碳体系或丙烯酸聚硅氧烷体系的防腐涂层服役寿命明显长于采用醇酸体系或丙烯酸脂肪族聚氨酯体系。为建立长效的防腐涂装体系，建议青藏铁路雨棚钢结构采用氟碳体系或丙烯酸聚硅氧烷体系进行涂装。

表5 青藏铁路站台雨棚钢结构涂层服役寿命

4 结论与建议

1）荧光紫外线室内加速老化试验中醇酸体系保光性、保色性最差，厚度损失较明显，抗紫外线能力差；丙烯酸脂肪族聚氨酯体系保光性、保色性较好，老化过程中厚度损失最严重；氟碳体系和丙烯酸聚硅氧烷体系在保光性、保色性、厚度损失等方面均较优。

2）醇酸体系和丙烯酸脂肪族聚氨酯体系的主要官能团的键能低于紫外线能量，导致其抗紫外线能力差；氟碳体系的C—F和丙烯酸聚硅氧烷体系的Si—O—Si的键能高于紫外线能量，导致其抗紫外线能力较强。

3）采用氟碳体系或丙烯酸聚硅氧烷体系的防腐涂层服役寿命明显长于采用醇酸体系或丙烯酸脂肪族聚氨酯体系。因此，建议青藏铁路雨棚钢结构采用氟碳体系或丙烯酸聚硅氧烷体系进行涂装。