通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法評(píng)估了各種低溶劑的鋼結(jié)構(gòu)橋梁涂層系統(tǒng)，并將結(jié)果與在新澤西州海島市曝光的重復(fù)系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行了比較。本研究選用的每種涂層系統(tǒng)中的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)含量均低于340 g/L。當(dāng)與室外暴露相比，比起單獨(dú)的鹽霧試驗(yàn)和Prohesion試驗(yàn)，凍結(jié)、紫外線凝結(jié)和鹽霧/干燥污染物（Prohesion）的綜合測(cè)試更有希望產(chǎn)生性能趨勢(shì)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析研究了方法的相關(guān)性。
低VOC溶劑型富鋅聚氨酯/聚氨酯/聚氨酯涂料體系表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。環(huán)氧膠粘劑系統(tǒng)和環(huán)氧聚氨酯膠粘劑系統(tǒng)在劃線處形成嚴(yán)重的底切。水性丙烯酸和水性丙烯酸環(huán)氧體系不能有效地保護(hù)鋼，它們?cè)趧澗€處很快起泡。在所有實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，水性乙烯樹(shù)脂在面板表面起泡嚴(yán)重，但在戶外暴露28個(gè)月后表現(xiàn)相當(dāng)好。
美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(U . s . environmental Protection Agency)正在對(duì)建筑和工業(yè)維護(hù)涂料中允許的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的含量進(jìn)行嚴(yán)格限制。揮發(fā)性有機(jī)化合物含量的法規(guī)制定目前正處于最后階段，即將公布的法規(guī)將在1996、2000和2004年逐步強(qiáng)制大幅減少揮發(fā)性有機(jī)化合物的含量。
為了確保新配方涂料的成本效益并滿足較短的期限，預(yù)測(cè)橋梁涂料用低VOC涂料系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)性能和耐久性的可靠加速實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法是必不可少的。鹽霧試驗(yàn)，如ASTM(美國(guó)試驗(yàn)和測(cè)試協(xié)會(huì))中所述。材料)方法。Bl17不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)許多新的通用低VOC系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)性能。在傳統(tǒng)的濕鹽霧試驗(yàn)(由Timmins、ewood、Lyon和Guest以及Jackson進(jìn)行)中包括干循環(huán)，避免了不切實(shí)際的失敗。當(dāng)干循環(huán)、污染物和紫外線(UV)/冷凝(QUV)暴露被納入鹽霧循環(huán)時(shí)，Simpson等人獲得了與現(xiàn)場(chǎng)暴露“更好”的相關(guān)性。Chong和Peart在鹽霧暴露中增加了一個(gè)冷凝循環(huán)，該循環(huán)試驗(yàn)與紫外線/冷凝試驗(yàn)相結(jié)合，產(chǎn)生了類似于鋼橋15個(gè)涂層系統(tǒng)室外風(fēng)化所獲得的性能等級(jí)。冰凍是寒冷氣候中天氣循環(huán)的一個(gè)重要部分；涂層在冰點(diǎn)溫度下吸收的水的體積膨脹導(dǎo)致在涂層系統(tǒng)上產(chǎn)生顯著的機(jī)械應(yīng)力。感興趣的是確定在組合的濕/干/QUV方案中增加一個(gè)冷凝周期對(duì)其預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)性能的能力的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用了冷凝、QUV和鹽加污染物霧/干的組合循環(huán)(Prohesion test)來(lái)評(píng)估鋼橋的許多高固體和水基涂層系統(tǒng)。將結(jié)果與僅通過(guò)鹽霧和粘附暴露獲得的結(jié)果進(jìn)行了比較。這些涂層系統(tǒng)在海洋環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)15個(gè)月和28個(gè)月的室外暴露結(jié)果被用于確定哪種加速實(shí)驗(yàn)室方法對(duì)預(yù)測(cè)涂層最可靠 鋼橋的性能。采用統(tǒng)計(jì)技術(shù)來(lái)比較測(cè)試方法。
該研究中開(kāi)發(fā)的涂料性能數(shù)據(jù)將用于為保護(hù)鋼橋選擇耐用的低VOC涂料提供指導(dǎo)。
涂層系統(tǒng)
表1描述了測(cè)試的13種涂層系統(tǒng)。本研究中評(píng)估的涂層系統(tǒng)為丙烯酸、丙烯酸環(huán)氧樹(shù)脂、無(wú)機(jī)硅酸鋅鉀、乙烯基和富鋅環(huán)氧樹(shù)脂的水基系統(tǒng)，以及磺酸鈣/醇酸樹(shù)脂、高固體環(huán)氧樹(shù)脂、富鋅聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂膠泥、環(huán)氧聚氨酯膠泥和低揮發(fā)性有機(jī)化合物環(huán)氧樹(shù)脂的溶劑型系統(tǒng)。所有測(cè)試的涂層系統(tǒng)中，VoC含量均低于340克/升。所有涂料均涂覆在SSPC SP-5(噴白)鋼板上。在測(cè)試板的表面劃一條對(duì)角線為5.1厘米(2英寸)的劃痕，以研究劃痕處的起泡和銹蝕蠕變。
實(shí)驗(yàn)室和戶外測(cè)試
三次加速實(shí)驗(yàn)室暴露用于評(píng)估候選涂層系統(tǒng)。這些測(cè)試如下:
a.鹽霧
美國(guó)測(cè)試與材料協(xié)會(huì)（ASTM B117）
b.Prohesion-1小時(shí)濕循環(huán)/1小時(shí)干循環(huán)
濕循環(huán):0.35%硫酸銨和0.05%氯化鈉的哈里森混合物。收集的冷凝液的pH值為5.9。
干循環(huán):強(qiáng)制空氣吹掃(6.8米/小時(shí))
c.循環(huán)冷凝/QUV/Prohesion-70小時(shí)冷凝/215小時(shí)QUV/215小時(shí) Prohesion循環(huán)。
冷凝溫度:-23攝氏度(-10華氏度)
QUV:紫外線/冷凝測(cè)試
測(cè)試周期:4小時(shí)紫外線/4小時(shí)冷凝周期
紫外線燈管:UVA-340
紫外線溫度:60℃
冷凝溫度:40℃
Prohesion:與上述測(cè)試相同
一組面板也暴露在室外。所有的測(cè)試板以45度角放置在木架上，直接面向南方。每天用海水(pH 7.7，15.6℃時(shí)的比重=1.021)噴灑每個(gè)面板三次。
大多數(shù)鹽霧試驗(yàn)板在劃線處發(fā)生6.4毫米(0.25英寸)的蠕變后終止暴露(通過(guò)或失敗分類的通用標(biāo)準(zhǔn))。一些面板由于其特殊的故障模式而暴露了較長(zhǎng)的時(shí)間，以獲得額外的信息。所有涂層系統(tǒng)的Prohesion試驗(yàn)和循環(huán)冷凝/QUV/Prohesion試驗(yàn)進(jìn)行了整整3000小時(shí)；這種長(zhǎng)時(shí)間的暴露是必要的，因?yàn)檫@兩種試驗(yàn)都包括干循環(huán)，與鹽霧試驗(yàn)結(jié)果相比，干循環(huán)降低了故障率。在使用線性回歸分析比較測(cè)試方法時(shí)，為后兩次測(cè)試獲得的額外數(shù)據(jù)點(diǎn)組非常有益。所有的測(cè)試都是一式兩份進(jìn)行，以確保統(tǒng)計(jì)的可靠性，給出的結(jié)果是兩個(gè)小組數(shù)據(jù)的平均值。
評(píng)價(jià)方法
每500小時(shí)檢查一次加速試驗(yàn)板，以記錄它們的失效模式，并研究退化率。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是劃痕處起泡、生銹和蠕變。起泡程度通過(guò)ASTM D714方法進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)ASTM D1654方法對(duì)劃線處的表面缺陷(未描述區(qū)域)和蠕變進(jìn)行評(píng)級(jí)。為了提高精度，用6.4毫米(1/4英寸)的方格代替12.7毫米(1/2英寸)的方格來(lái)測(cè)量表面缺陷..以毫米為單位測(cè)量蠕變，精確度為0.5毫米。
失敗的結(jié)果
本研究調(diào)查了兩種類型的涂層失效，平面表面失效和劃線失效。
表2總結(jié)了飛機(jī)上的幾個(gè)涂層系統(tǒng)出現(xiàn)平面故障。磺酸鈣/醇酸樹(shù)脂體系在所有情況下都出現(xiàn)了面漆分層..水性乙烯基體系在所有實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中起泡嚴(yán)重，但在28個(gè)月的室外暴露后沒(méi)有顯示出任何飛機(jī)故障。水基無(wú)機(jī)硅酸鋅鉀/丙烯酸/丙烯酸體系在鹽霧試驗(yàn)500小時(shí)后起泡嚴(yán)重；然而，鋅底漆保持良好狀態(tài)。兩種環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑系統(tǒng)在鹽霧試驗(yàn)中出現(xiàn)了廣泛的膜下腐蝕，這種情況在其他試驗(yàn)方案或28個(gè)月的海洋暴露中沒(méi)有出現(xiàn)。
除了磺酸鈣/醇酸樹(shù)脂體系和幾種含鋅底漆的涂料體系外，所有的涂料體系在劃線處都產(chǎn)生了蠕變或縮短。由不同曝光方法的各種涂層系統(tǒng)產(chǎn)生的蠕變繪制在圖1中。這里描述了抄寫員的一些顯著變化。水性丙烯酸、溶劑型富鋅聚氨酯/水性聚氨酯/水性聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂。聚氨酯膠泥和水性富鋅環(huán)氧樹(shù)脂/丙烯酸樹(shù)脂/丙烯酸樹(shù)脂在鹽霧試驗(yàn)中表現(xiàn)出大范圍的劃痕蠕變。對(duì)于水性丙烯酸環(huán)氧樹(shù)脂和基于溶劑的低VOC環(huán)氧樹(shù)脂/丙烯酸改性的環(huán)氧樹(shù)脂，在1000小時(shí)后，Prohesion試驗(yàn)產(chǎn)生嚴(yán)重的劃痕失效。環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)?？傮w而言，就爬行度而言，循環(huán)冷凝/QUV/Prohesion暴露似乎與室外暴露具有最接近的性能相關(guān)性。總的來(lái)說(shuō)，與室外暴露的相似性按循環(huán)冰凍/QUV/鹽霧的遞減順序排列。與循環(huán)冷凝/QUV/Prohesion和戶外暴露結(jié)果相比，鹽霧結(jié)果的線圖(圖1)顯示了一個(gè)非常不同的模式。
業(yè)績(jī)?cè)u(píng)級(jí)的比較
為候選涂層系統(tǒng)建立了總體性能的評(píng)級(jí)系統(tǒng)；它基于表面失效(未描述的區(qū)域)和劃線爬行距離(ASTM D1654)的評(píng)級(jí)相加，得出“20”作為可能的較佳總體評(píng)級(jí)(在每個(gè)單獨(dú)的評(píng)級(jí)系統(tǒng)中，“10”表示全面性能，“0”表示完全失效)，使用這種方法，所有實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和15個(gè)月以及28個(gè)月室外暴露的評(píng)級(jí)結(jié)果如表3所示。未描述區(qū)域的評(píng)級(jí)包括飛機(jī)上的起泡和生銹，這是一種非常合理的方法，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)涂層系統(tǒng)上很少發(fā)現(xiàn)生銹。
試圖計(jì)算所有十三個(gè)涂層系統(tǒng)在室外暴露和Prohesion試驗(yàn)或循環(huán)冷凝/QUV/Prohesion暴露之間的性能等級(jí)的相關(guān)性。最小二乘法的較佳擬合產(chǎn)生了表4所示的相關(guān)系數(shù)。0.55和0.62的相關(guān)系數(shù)清楚地表明，與其他加速試驗(yàn)方案相比，循環(huán)冷凝/QUV/Prohesion試驗(yàn)暴露更接近室外暴露。計(jì)算了除水性乙烯基體系之外的所有涂料體系的其他相關(guān)性，水性乙烯基體系在所有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中都表現(xiàn)出嚴(yán)重的起泡，但是在28個(gè)月的室外暴露后沒(méi)有表現(xiàn)出表面失效。排除水性乙烯基系統(tǒng)(代碼編號(hào)..12)線性回歸分析顯著提高了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果和室外暴露結(jié)果之間的相關(guān)性。針對(duì)循環(huán)冷凝/QUV/Prohesion試驗(yàn)與15個(gè)月和28個(gè)月的室外暴露之間的關(guān)系獲得的重新計(jì)算的相關(guān)系數(shù)(0.81和0.80)進(jìn)一步證實(shí)，與單獨(dú)進(jìn)行Prohesion試驗(yàn)相比，該試驗(yàn)方案產(chǎn)生的失效結(jié)果更接近天然海洋暴露結(jié)果..具有最小溶劑含量(VOC =2/2/64 g/L)的三層水性乙烯基體系的性能在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和自然海洋暴露之間顯示出很大的差異，這并不奇怪。這種具有高親水性的水基涂層材料容易吸水，并且與自然環(huán)境中可能不太潮濕和較長(zhǎng)的干燥周期相比，在加速測(cè)試器中建立的實(shí)驗(yàn)條件下，沒(méi)有足夠的時(shí)間讓水?dāng)U散出去。
由于鹽霧試驗(yàn)的提前終止，無(wú)法獲得所有十三個(gè)涂層系統(tǒng)的鹽霧試驗(yàn)和室外暴露之間的相關(guān)性。然而，我們嘗試將八種涂層系統(tǒng)(代碼2、4、5-9和11)的2000小時(shí)鹽霧試驗(yàn)結(jié)果和28個(gè)月戶外暴露結(jié)果聯(lián)系起來(lái)。有完整的數(shù)據(jù)點(diǎn)；相關(guān)系數(shù)為0.20。這一極低的值強(qiáng)烈表明，使用鹽霧試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)油田性能是不合適的。
統(tǒng)計(jì)分析
進(jìn)行了額外的統(tǒng)計(jì)分析，以研究本工作中采用的三種實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法的結(jié)果差異。劃線處的蠕變量用于分析，因?yàn)榫蜏y(cè)量而言，它們比表面破損的百分比更準(zhǔn)確。八個(gè)涂層系統(tǒng)(代碼編號(hào)2、4-9和11)。產(chǎn)生了所有三種測(cè)試方法在500至2，000小時(shí)內(nèi)的一組完整的劃線蠕變結(jié)果。這些數(shù)據(jù)通過(guò)方差分析進(jìn)行評(píng)估，如表5所示。該分析按照雙向因子設(shè)計(jì)進(jìn)行，其中一個(gè)因子是測(cè)試方法(3種方法),另一個(gè)因子是涂層類型(8種類型),對(duì)24種組合中的每一種進(jìn)行8次測(cè)量。
統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，獲得表5中報(bào)告的F比值的概率很低（0.09和0.06）；這表明，所有三個(gè)測(cè)試和涂層在10％的水平上都有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著差異。換句話說(shuō)，不同的實(shí)驗(yàn)室暴露方法會(huì)在劃線處產(chǎn)生不同的爬行距離，不同的涂層系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生不同的爬行距離。事實(shí)上，實(shí)際的差異比這里提出的要大得多，因?yàn)樗员┧幔ùa3）和水性富鋅環(huán)氧樹(shù)脂/丙烯酸/丙烯酸（代碼13）產(chǎn)生的極其嚴(yán)重的爬行，以及水性乙烯基系統(tǒng)的爬行沒(méi)有包括在分析中，因?yàn)樗鼈冊(cè)邴}霧試驗(yàn)中較早終止。
為了區(qū)分每種試驗(yàn)方法的失效程度，暴露時(shí)間為500、1000、1500和2000小時(shí)劃線處的平均爬行距離如圖2所示。鹽霧試驗(yàn)和Prohesion試驗(yàn)的漏電程度在1500小時(shí)內(nèi)是相似的；在1500小時(shí)以上，鹽霧試驗(yàn)比Prohesion試驗(yàn)引起更大的漏電..自行車。在所有三種測(cè)試方法中，冷凝/QUV/Prohesion測(cè)試產(chǎn)生的劃痕漏電量最少。方法和涂層系統(tǒng)的差異也可以從使用三種方法的劃線爬行距離平均值圖中看出(圖3)。
與鹽霧試驗(yàn)和Prohesion試驗(yàn)相比，本研究中評(píng)估的循環(huán)冷凝/QUV/Prohesion加速試驗(yàn)產(chǎn)生了最接近28個(gè)月戶外暴露結(jié)果的失效趨勢(shì)。
統(tǒng)計(jì)分析顯示了涂層系統(tǒng)之間和測(cè)試方法之間的巨大差異。
在13種涂料體系中，溶劑型富鋅聚氨酯/聚氨酯/聚氨酯(VOC=336 g/L)表現(xiàn)較好。一般來(lái)說(shuō)，三種富鋅聚氨酯體系的性能非常相似，除了具有水性面漆的最低VOC涂料體系(VOC =24 g/L)在劃線處顯示出嚴(yán)重的面漆起泡而沒(méi)有底切。
具有水基面漆的富鋅底漆在劃線處沒(méi)有底切或生銹，但在面板表面顯示面漆起泡。這些體系包括水性無(wú)機(jī)鋅/丙烯酸/丙烯酸、水性富鋅環(huán)氧/丙烯酸/丙烯酸和溶劑型富鋅聚氨酯/水性聚氨酯/水性聚氨酯?？傊瑹o(wú)論富鋅底漆是溶劑型還是水基的，大多數(shù)測(cè)試的水基面漆都表現(xiàn)出起泡的趨勢(shì)。結(jié)果證實(shí)，即使發(fā)生面漆起泡，富鋅底漆也能保護(hù)鋼不生銹和不咬邊。
在所有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，水性乙烯基系統(tǒng)在面板表面嚴(yán)重起泡，但在28個(gè)月的戶外暴露后沒(méi)有出現(xiàn)這種故障。
在所有三次實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)后，環(huán)氧樹(shù)脂膠粘劑系統(tǒng)在劃線處嚴(yán)重咬邊。溶劑型高固體環(huán)氧樹(shù)脂體系相當(dāng)耐腐蝕，但容易受到紫外線攻擊。溶劑型低揮發(fā)性有機(jī)化合物環(huán)氧樹(shù)脂/丙烯酸改性環(huán)氧樹(shù)脂體系表現(xiàn)最差，出現(xiàn)嚴(yán)重的底切。
水性丙烯酸體系和水性丙烯酸環(huán)氧體系都表現(xiàn)不佳，表現(xiàn)出嚴(yán)重的劃痕蠕變。
磺酸鈣/醇酸樹(shù)脂體系沒(méi)有形成底切，但經(jīng)歷了大范圍的面漆分層。
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