彩钢板涂层加速老化与自然曝晒试验的当量加速关系研究

苏航，杨树文,2,3,*，洪卫丽，虎小强，李玉清

（1.兰州交通大学测绘与地理信息学院，甘肃 兰州 730070 2.地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心，甘肃 兰州 730070 3.甘肃省地理国情监测工程实验室，甘肃 兰州 730070）

彩钢板建筑作为城市化进程中的阶段性产物，大多为功能性的临时建筑物，广泛分布于工业园区、城中村及城市周边地块，其聚集性特征与城市发展变化密切相关[1-3]。

彩钢板建筑在使用过程中长期经受服役环境作用，表面涂层会产生老化、腐蚀等现象，影响其使用功能的 同时伴随有害气体、温室气体的产生，易造成局部环境污染等问题。因此，大范围的彩钢板建筑老化及碳排放研究有助于环境污染监测。

大多数彩钢板的使用寿命长达数年，评估表面涂层是否失效最有效的手段是进行加速老化试验，即在实验室环境下通过模拟使用过程中的环境因素，在较短的时间内再现自然环境下正常使用的老化特征。目前，学者们已经提出了多种令材料、结构加速老化/腐蚀的方法[4-9]。由于彩钢板使用广泛，使用环境中的介质种类多、变化复杂，而根据加速老化试验结果对彩钢板的使用寿命进行推测主要依靠经验，因此加速老化试验方法与使用环境下的相关性成为了评估加速老化试验方法是否有效的关键问题[10]，即需进行彩钢板涂层在加速老化和自然曝晒环境中的相关性研究。

防护涂层加速老化试验的重点研究方向[11]有：(1)老化机理的一致性；(2)老化损伤特征的一致性；(3)老化动力学规律的一致性；(4)合适的当量加速关系。为此，刘金和等[12]进行了有机涂层在模拟沙漠大气环境下的加速试验研究，结果显示通过加速试验可以快速获得有机涂层在沙漠大气环境下的老化失效规律；王鹏等[13]以失光与变色来衡量涂层的老化损伤，依据试验结果拟合得到失光率和色差随时间的变化曲线，通过曲线的对比确定了当量加速关系；何德良等[14]建立了丙烯酸聚氨酯涂层耐老化性能指标的数学模型，通过拟合得出了涂层耐老化性能指标与加速试验时间之间的数学关系式，并证明其具有相关性；汪鹏飞等[15]通过老化动力学规律的对比，给出了当量加速关系的表达式，并得到了加速老化试验环境谱与海南万宁自然曝晒试验的当量加速关系。然而，由于彩钢板建筑涂层的老化损伤除了要考虑失光、变色等因素外，也反映在基体的腐蚀特征上，而仅仅依靠老化动力学模型无法获取不同颜色涂层的当量加速关系，即上述方法均无法用来准确评价不同颜色涂层加速老化与自然老化的相关性。

为此，本文针对兰州地区的彩钢板建筑，采用型号为YX20-215-860(1075)的压型镀锌钢板表面涂红、白、蓝3种颜色的B-15底漆 + 聚酯氨基烤漆模拟试件进行了加速老化试验和自然曝晒试验，通过数据的对比分析，试图建立实验室涂层加速老化模型，以确定3种颜色涂层老化的当量加速关系，为后续研究彩钢板涂层有机挥发性气体和温室气体排放及基于失光率和色差对高分辨率遥感影像中彩钢板的时序标注提供理论基础。

1 彩钢板涂层老化试验

如图1所示，在对红、白、蓝3种颜色的彩钢样板分别进行实验室加速老化试验和户外自然曝晒试验的过程中，于固定时间段采用光泽仪测定两组试验样板的失光率、色差等数据，将其与初始值对比拟合进行分析，得到3种不同颜色涂层的老化行为规律，而后建立实验室涂层加速老化模型，确定不同颜色涂层老化的当量加速关系。

图1 试验研究技术路线 Figure 1 Technical route of experimental study

1. 1 试件

YX20-215-860(1075)号压型钢板的尺寸为100 cm × 90 cm × 0.5 mm，涂有B-15底漆和聚酯氨基烤漆，漆膜厚度(150 ± 25) μm，试验样板规格及横切面如图2所示，相关参数如下：有效覆盖宽度860/1 075 mm，展开宽度1 000/1 200 mm，板厚0.4 mm，面惯性矩8.01 cm4/m，截面抵抗矩3.62 cm4/m。选取兰州市区最为多见的红、白、蓝3种颜色样板，编号见表1。

图2 彩钢板试样及其横切面 Figure 2 Color steel plate sample and its cross section

表1 涂层试验件类型及编号 Table 1 Types and codes of coating test pieces

1. 2 加速老化试验

在彩钢板使用过程中，外界环境因素(湿度、温度、盐雾、紫外等)和载荷都会造成涂层的老化，多种因素的复合作用造成涂层材料有机分子发生裂解，涂层逐步分解。

在实验室条件下，可以适当提高温度进行加速老化试验，但不能高于涂层的玻璃化转变温度[16]。在自然环境中，温度、日照强度会随着时间推移在一定范围内变化。为了模拟兰州地区自然条件下的温度与紫外线强度，本试验选用紫外光和凝露时间交替可调的QUV老化试验箱，按照国标GB/T 23987-2009《色漆和清漆 涂层的人工气候老化曝露 曝露于荧光紫外线和水》中的方法A进行试验，条件如下：日照时间与降雨时间1∶1，日照时60 ℃，降雨温度50 ℃，降雨时相对湿度100%。使用UVA-340灯管，因为它在重要的光化学短波范围内与太阳光辐射一致，具有340 nm的发射峰，与太阳光更为接近。

试验前用肥皂水和蒸馏水依次清洗试件表面以去除油污，每周期试验结束后用软毛刷在缓慢流动的蒸馏水下清洗试件表面，随后在室温大气环境下晾干，测试样板涂层的失光率和色差，并观测表面其他老化现象。失光和变色按GB/T 1766-2008《色漆和清漆 涂层老化的评级方法》中的要求进行评价，目测漆膜老化前后的光泽变化程度，并采用上海现代环境工程技术研究所WGG60光泽仪按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》测定老化前后的光泽，取多个测量点的平均值，根据式(1)计算失光率，失光等级评定见表2。

表2 失光程度和失光等级 Table 2 Degree and grade of luster loss

式中A0是老化前光泽测定值，A1是老化后光泽测定值。

按GB/T 11186.2-1989《涂膜颜色的测量方法 第二部分：颜色测量》和GB/T 11186.3-1989《涂膜颜色的测量方法 第三部分：色差计算》，采用WGG60光泽仪测定老化前与老化后的样板的总色差(ΔE*)，取多点的平均值，评级标准见表3。

表3 变色程度和变色等级 Table 3 Degree and grade of discoloration

在加速老化试验中每24 h测量一次失光率和色差，设每96 h为一周期，红、白、蓝3种颜色样板涂层加速老化1 ～ 5个周期的试验结果见表4。

表4 3种颜色样板加速老化试验结果 Table 4 Accelerated aging test results of three color samples

1. 3 自然曝晒试验

兰州坐落于甘肃省中部，是典型的河谷型城市，地理位置为35°53′ N ～ 37°04′ N，102°35′ E ～ 104°37′ E，属温带大陆性气候，温差大，降水少，年均降水量327 mm，年均气温10.3 ℃，全年平均日照时数2 446 h，日照强度约为3.5 ～ 4.0 kW·h/(m2·d)，无霜期180 d以上。

试验前用肥皂水和蒸馏水对3种颜色的样板表面进行了清洗，在室温大气环境下晾干后，置于兰州交通大学进行曝晒试验。将样板固定在自然曝晒架上，样板之间避免接触，曝晒架与水平面的夹角为45°，使涂层表面朝上以承受阳光照射、降水及盐雾沉降。自然曝晒15个月的结果见表5。

表5 3种颜色样板自然曝晒试验结果 Table 5 Results of natural exposure test for three color samples

2 结果与讨论

2. 1 基于失光率的涂层自然曝晒和加速老化行为规律分析

为了探究彩钢板建筑自然曝晒和加速老化试验失光率之间的关系，对3种颜色样板涂层的失光率测量结果进行对比，见表6。加速老化试验以96 h为一周期，自然曝晒试验以3个月为一周期，红、白、蓝三色样板涂层的失光率曲线如图3所示。2种试验下，红、白、蓝3种涂层试验件失光率的变化趋势基本保持一致，因此可以认为自然曝晒试验与加速老化试验之间具有一定的相关性。

图3 自然曝晒试验和加速老化试验下3种颜色样板涂层的失光率曲线 Figure 3 Luster loss curves for the coatings of three color samples in natural exposure test and accelerated aging test

表6 自然曝晒试验与加速老化试验种红、白、蓝三色样板涂层的失光率变化 Table 6 Variation of luster loss with time for red, white, and blue coatings in natural exposure test and accelerated aging test

2. 2 涂层加速老化规律分析

利用SPSS软件对3组加速老化试验数据(表4)中的失光率进行三次函数(y=ax3+bx2+cx+d)与二次函数(y=bx2+cx+d)拟合。如图4所示，拟合曲线能够较为真实地模拟失光率在试验周期内的总体变化情况。

图4 3种颜色样板加速老化失光率拟合曲线 Figure 4 Fitted curves of luster loss in accelerated aging tests for three color samples

虽然三次拟合对红色样板失光率的拟合程度较好，但由于失光率不会随时间的延长而减小，故选取拟合度仅次于三次拟合的二次拟合结果，通过对白色样板失光率的各函数拟合结果对比后发现，三次函数的拟合度最好。同样地，对蓝色样板失光率拟合结果对比后发现，通过二次函数进行拟合的吻合程度较高。各函数的拟合优度(R2)见表7。

表7 3种颜色样板数据三次或二次函数的拟合结果 Table 7 Fitting results of cubic or quadratic function for three color samples

为进一步探究加速老化与自然曝晒之间的当量加速关系，拟对红、白、蓝3种颜色样板的2种试验失光率数据进行多种拟合，并基于两组试验达到同一失光率的时间为标准，验证其拟合精度。结合上述建立的高拟合度函数表达式和实测数据，计算得出3种颜色加速老化时间的相对真值分别为yR01= 117.20、yW01= 88.91、yB01= 111.40。

2. 2. 1 傅里叶一阶函数拟合

将加速老化试验的单位(周期)和自然曝晒试验的单位(月)统一划归为单位时间(h)。通过多次取样，计算达到同一失光率时2种试验方法所需时间的比例关系，得到含有多个样本的当量关系点，再对当量加速关系点进行数据拟合，得到如图5所示的加速老化当量关系曲线。

图5 3种颜色样板的失光率当量加速关系拟合曲线 Figure 5 Fitting curves of equivalent acceleration relation in terms of luster loss for three color samples

傅里叶拟合函数的形式为y=f(x)=a0+a1cosxw+b1sinxw拟合结果见表8。对f(x)在时间上进行积分，x为加速老化试验的时间(以小时为单位)，当量于自然曝晒的时间为t，则，即可据此通过加速试 验时间来反向推算出当量的自然曝晒时间[17]。当自然老化时间为3个月(每月以30 d计)，即t= 2 160 h时，3种颜色样板的加速老化时间R01x= 120.70、W01x= 80.91、B01x= 92.06，即红、白、蓝三色样板的当量加速关系分别为0.80、1.19和1.04季度/周期。

表8 3种颜色样板对应的拟合函数系数 Table 8 Coefficients of the functions fitted for three color samples

依照自然老化3个月所对应的加速老化时间来看，红、白、蓝样板涂层的拟合相对偏差分别为2.99%、12.17%和17.36%，可见该拟合模型对红色样板涂层的老化最为适用。

2. 2. 2 为加速老化与自然老化的对应关系建立一次拟合模型

依据上述建立的加速老化模型，计算失光率相同的情况下每个自然曝晒时间点所对应的加速老化时间，并对计算结果进行人工纠正处理，结果列于表9。

表9 3种颜色样板两组试验的对应关系 Table 9 Correspondence between the results of two tests for three color samples

如图6所示，用一次线性函数对红、白、蓝3种颜色拟合过后的表达式分别为y= 0.0286x+ 0.4120、y= 0.0298x+ 0.2103、y= 0.0292x+ 0.6701，其中y为自然曝晒时间(月)，x为加速老化时间(h)。当自然老化3个月，即y= 3 时，加速老化时间R01x= 90.49、W01x= 93.58、B01x= 80.34，即红、白、蓝3种颜色样板的当量加速关系分别为1.07、1.03和1.19季度/周期。

图6 3种颜色样板加速老化与自然曝晒一次拟合结果 Figure 6 Linear fitting results of accelerated aging time and natural exposure time for three color samples

依照自然老化3个月所对应的加速老化时间来判断，红、白、蓝样板涂层的一次函数拟合相对偏差分别为22.79%、5.25%和27.88%，可见该拟合模型对白色样板涂层的老化最为适用。

2. 2. 3 利用老化动力学规律中老化损伤等级进行回归分析

记当量加速关系为AF，若用T表示自然曝晒时间，D为自然曝晒老化损伤程度，t表示加速老化试验时间，d为加速老化损伤程度，则有：

即当量加速关系就是加速老化和自然曝晒老化损伤相同时，自然曝晒时间和加速老化时间的比值[9]。

采用综合量化评估方法对每周期/季度的老化损伤进行量化评估，其原理和过程简述如下：

(1) 单项指标量化；

(2) 按隶属函数和权重集合分别确定失光、变色的评判向量，综合形成评判矩阵[18]；

(3) 根据评判向量和权重集合计算得到评判结果向量；

(4) 对评判结果向量进行处理，确定老化损伤等级评价结果。

计算得到的老化损伤等级见表10。

表10 3种颜色样板老化损伤等级计算结果 Table 10 Calculation results of aging damage grades of three color samples

将3种颜色样板的加速老化试验周期和老化损伤量化结果绘成图7，可以看出老化动力学规律可用指数函数描述：

其中，u、v、U、V为常数，其中u和U分别对应于t= 0和T= 0时的当量老化损伤值。

室内模拟老化拟合结果如图7所示，3种颜色涂层样板老化损伤拟合得到的函数关系式的各参数及函数拟合优度见表11。

表11 3种颜色样板老化损伤的拟合函数系数 Table 11 Fitting function coefficients of aging damage of three color samples

图7 老化损伤等级曲线拟合结果 Figure 7 Fitting results of aging damage grade curves

防护涂层的当量初始老化损伤等级U与环境无关，因此可取U=u。对5个季度的老化损伤等级进行平均计算可得到，VR02= 0.389 7，VW02= 0.379，VB02= 0.74。

由式(2)及U=u的关系得eVT=evt，进而可以得到当量加速关系的计算如式(5)所示。

经计算，AFR02= 0.350/0.3897 = 0.898 1(季度/周期)，AFW02= 0.373/0.379 = 0.984(季度/周期)，AFB02= 0.686/0.741 = 0.926(季度/周期)，即红、白、蓝3种颜色彩钢板自然曝晒3个月相当于加速老化1.113 5、1.016 0和1.080 0个周期。3种颜色样板加速老化时间对于相对真值的相对偏差分别为8.79%、9.71%和6.91%，可见该拟合模型对蓝色样板涂层的老化最为适用。

通过加速试验时间来反向推算出当量的自然曝晒时间[17]，可以为实际的涂层老化失效评估和后续研究提供理论支撑，节省工作时间，提高评估效率。

3 结论

本文针对兰州地区彩钢板建筑，进行了加速老化试验和自然条件下的曝晒试验，建立了3种不同颜色彩钢板的室内老化模型，阐明了加速老化试验与自然曝晒试验的当量加速关系，得到如下结论：

(1) 同类涂层试验件在自然曝晒试验与老化加速试验下的失光率变化趋势基本保持一致，可以认为加速老化试验可以再现自然曝晒的失光率特征。

(2) 通过二次、三次函数来建立室内加速老化模型的拟合程度较好。

(3) 傅里叶一阶函数拟合模型适用于计算红色样板涂层的当量加速关系，其值为0.80季度/周期；基于加速老化与自然老化失光率对应关系建立的线性拟合模型更适用于计算白色样板涂层的当量加速关系，其值为1.03季度/周期；利用老化动力学规律中老化损伤等级回归分析建立的模型更适用于计算蓝色样板涂层的当量加速关系，其值为0.93季度/周期。