温度循环荷载与静荷载作用下涂层的劣化性能与寿命预测 ①

□□ 李 岩

(兰州交通大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730070)

引言

桥梁建设在交通运输中承担着非常重要的角色[1]。波纹钢腹板组合梁桥由于其强度高、跨越能力大及施工周期短等特点而被广泛应用[2],但钢结构材料容易生锈,会影响桥梁的使用寿命[3]。钢结构复合涂装因施工便捷和防腐效果突出等优点被广泛应用于防腐措施中[4],但钢结构涂装的不同漆层之间会相互渗透、相互反应并与基材附着、粘结形成复合材料体系[5],由于其各向异性、非均质性和缺陷类型复杂等特征,与传统的均质材料相比损伤机制更为复杂,在循环加载下会出现不同的损伤与失效类型[6]。而桥梁结构在车载和风载等动力荷载循环作用下,会导致疲劳损伤不断累积,降低桥梁的安全性,甚至会导致工程事故的发生[7]。甘肃省是我国典型的大温差区域之一[8],钢桥防腐涂层受环境因素影响较大。在大温变效应下,由于涂层与钢板的热膨胀系数不同,在界面处会产生应变差值,导致涂层在界面处破坏失效,加速了涂层的老化作用,这就对防腐涂层提出了更高的要求[9]。

国内外学者对涂层的劣化性能研究已取得一定成果,姚玉东等[10]根据热障涂层疲劳试验结果,结合线性疲劳累积理论和Manson-Coffin低周疲劳模型,建立了热障涂层的寿命预测模型。Marina P等[11]通过研究同一温度下不同含氧量环境的环氧树脂失效试验,试验表明有氧条件会降低涂层的弹性性能和残余应力。Oosterbroek M等[12]探究了不同条件下聚氨酯涂层老化规律,结果表明涂层内部形成张力是由昼夜温差变化引起的。李志永等[13]发现随着热障涂层的热生长氧化层TGO厚度的增加,热障涂层内部应力先快速降低后逐渐升高。李晓骏等[14]研究了复合材料力学性能和热氧老化的初步关系,发现除了环境因素影响涂层的失效以外,钢桥本身的结构特点与受力情况,也会影响钢桥防腐涂装的有效性。

综上所述,目前对涂层力学性能研究主要集中在硬质涂层和厚型防火涂层上,并且大多通过腐蚀介质中某单一因素来研究涂层的劣化损伤机理,结合应力效应与腐蚀介质的共同作用来研究涂层劣化规律的较少。因此,拟通过加速试验分析涂层在大温差和静荷载耦合作用下的老化规律,探索涂层附着力及破坏形式的变化规律,并结合灰色理论建立GM(1,1)灰色模型,寻找涂层寿命的预测公式,为西北地区钢桥梁涂层的及时维修更换和降低腐蚀成本提供参考。

1 涂层劣化的试验研究

1.1 涂层静应力试验系统的开发

为便于螺栓锚固并具有可靠的锚固效果,考虑加载装置尺寸并结合规范[15]要求,试验基体选用板材标号为Q235,屈服强度为235 MPa,取试件尺寸为170 mm×420 mm,厚度为6 mm,螺栓选用螺纹A级M16,公称直径d0为16 mm。根据规范[16]要求,采用长效型涂装体系,底漆为一道水性环氧富锌底漆,厚度为80 μm;中间漆采用两道水性环氧(云铁)漆,厚度为120 μm;面漆为一道氟碳面漆,厚度为80 μm,涂层体系总干膜厚度≮280 μm,涂装试件如图1所示。

图1 试验钢涂装试件

钢桥在正常服役状态下,钢底板即全桥变形最大处始终处于受拉状态,在自重作用下会导致钢底板拉应变增加[17],涂层将与钢基体同步变形,结合该特点专门开发了钢结构涂层试件的静荷载试验加载系统,装置原理如图2所示。

图2 试验加载原理示意图

通过拧紧端部螺母来进行加载,将两块试件对齐放置,跨中中线轴线位置放一根长度为100 mm的Φ12 mm的光圆钢筋。然后使用扭矩扳手将四个A级5.6的普通螺栓固定在两块试件的四角处,采用标定的扭力扳手对螺栓施加相同的扭力使试件共同挤压支撑垫,试件变形对涂装施加静载,施加荷载大小为屈服荷载及其30%、50%、70%。

1.2 环境作用加载工况

采用加速试验方法进行大温差试验模拟,试验仪器采用多功能气候环境模拟试验箱,该仪器试验参数均可通过控制面板设定,如图3所示。

图3 环境气候模拟试验箱

通过统计甘肃省各区域的月平均气候变化并结合规范要求[18-19],确定温变加载周期,每个温度循环周期可分为四个阶段,升、降温速率为0.8～1.2 ℃·min-1,持续时间均为1 h,如图4所示。

图4 温度循环示意图

对涂层体系试件施加静荷载及静荷载的30%、50%、70%进行测试,每次大温差试验进行6次温度循环,共进行90次循环。每15次温度循环后,取出试件,在温度为(23±2)℃,相对湿度为(50+5)%的条件下进行附着力测试,确定试验工况见表1。

表1 试验工况

2 涂层附着力变化

温变荷载作用下附着力整体呈下降趋势,但下降幅度不大,剔除试验产生的附着力<5 MPa且无明显破坏模式的点,求取平均值后,得到涂装的附着力变化曲线,如图5所示。

图5 涂装附着力变化

图5表明,在温度循环荷载与静荷载作用下涂层附着力整体呈现下降趋势。温度荷载作用下涂装粘结能力损失较为严重,并且70%静载与温度荷载附着力衰减速率高于温度荷载作用下附着力,说明静荷载应力越大对涂层附着力影响越大。

3 基于灰色理论的寿命预测

灰色理论是通过预处理的方式对“小数据、少信息”系统的规律性进行展示,灰色理论的微分方程模型称为GM(Gray Model),其中GM(1,1)是含一阶差分方程一个变量的灰色模型的简称。

3.1 等时序的GM(1,1)模型

设涂层附着力为原始序列见式(1):

x(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)}

(1)

所对应的时间序列见式(2):

{t}={t1,t2,t3,t4,…,tN}

(2)

其一阶累加生成(1-AGO)累加序列见式(3)和式(4):

{x(1)}={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)}

(3)

(4)

z(1)={z(1)(1),z(1)(2),…,z(1)(n)}

(5)

其中,z(1)(k)=(x(1)(k-1)+x(1)(k))/2,(k=2,3,4,…,n),对x(1)(k)建立一阶微分方程见式(6):

(6)

(7)

(8)

对微分方程求解,得到时间响应见式(9):

(9)

(10)

(11)

设x(0)(1)-μ/a=A,μ/a=B,式(9)变形见式(12):

(12)

式(12)即为涂层附着力变化的预测公式。

3.2 模型精度检验

通过式(13)～(16)检验模型精度:

(13)

(14)

(15)

(16)

后验差比值见式(17):

C=S2/S1

(17)

小误差概率见式(18):

(18)

模型预测度由C和P的指标得出,当C值越小,P值越大,得到的模型越精准,模型精准度等级示意见表2。按C和P将精度分为“好”、“良”、“合格”和“不合格”四个等级。

表2 模型精度等级

3.3 灰色模型的应用

以温度荷载循环次数作为时间序列,每个等距时步对应的循环次数为9次,以附着力作为影响因素,得到涂层在无荷载作用时附着力随温度变化的预测公式,按照式(12)可求得:

长效型涂装温变荷载试验条件下附着力预测见式(19):

(19)

采用用后验差检验模型的精度,将试验值与预测值数据代入式(17)和(18)得:

C1=S1/S2=0.174<0.35

可见该模型预测精度为“好”,能够较好的预测涂层体系在温变循环作用下涂层附着力变化趋势。通过预测公式可很容易得到涂层附着力达到Pm的时间,如预测涂装在72个循环后附着力为16.45 MPa,试验所得附着力实测值为16.54 MPa,可见预测值与实测值极其吻合,如图6所示。

图6 涂层附着力预测值

4 结论

通过对波纹钢腹板组合梁表面长效型涂层在大温差和动荷载耦合作用下的劣化性能进行研究,得到以下结论:

4.1 在温变荷载作用下,涂层附着力呈线性下降趋势。在循环90次后,涂层附着力降低了4.78%,涂层附着力均随温度循环次数增大而减小,随着静载增大附着力劣化速度加快。

4.2 涂装体系不同涂层的机械性能及涂层之间粘结性能退化较快,而底漆与基材之间的粘结性能在抵抗大温差与动荷载共同作用中起到了主要的防护作用。

4.3 基于结合灰色理论与动荷载影响因素,通过推导的涂层剩余寿命预测公式,可预测涂层在动荷载与温变耦合作用下的使用寿命及力学性能。