如何根據ASTM D714和ASTM D1654標準對橋梁塗層進行加速腐蝕老化試驗？

摘要

通過各種實驗室測試方法評估了各種低溶劑的鋼結構橋梁塗層係統，並將結果與在新澤西州海島市曝光的重複係統的結果進行了比較。本研究選用的每種塗層係統中的揮發性有機化合物(VOCs)含量均低於340 g/L。當與室外暴露相比，比起單獨的鹽霧試驗和Prohesion試驗，凍結、紫外線凝結和鹽霧/幹燥汙染物（Prohesion）的綜合測試更有希望產生性能趨勢。通過統計分析研究了方法的相關性。

低VOC溶劑型富鋅聚氨酯/聚氨酯/聚氨酯塗料體係表現出優越的性能。環氧膠粘劑係統和環氧聚氨酯膠粘劑係統在劃線處形成嚴重的底切。水性丙烯酸和水性丙烯酸環氧體係不能有效地保護鋼，它們在劃線處很快起泡。在所有實驗室測試中，水性乙烯樹脂在麵板表麵起泡嚴重，但在戶外暴露28個月後表現相當好。

簡介

美國環境保護署(U . s . environmental Protection Agency)正在對建築和工業維護塗料中允許的揮發性有機化合物(VOCs)的含量進行嚴格限製。揮發性有機化合物含量的法規製定目前正處於最後階段，即將公布的法規將在1996、2000和2004年逐步強製大幅減少揮發性有機化合物的含量。

為了確保新配方塗料的成本效益並滿足較短的期限，預測橋梁塗料用低VOC塗料係統的現場性能和耐久性的可靠加速實驗室試驗方法是必不可少的。鹽霧試驗，如ASTM(美國試驗和測試協會)中所述。材料)方法。Bl17不能準確預測許多新的通用低VOC係統的現場性能。在傳統的濕鹽霧試驗(由Timmins、ewood、Lyon和Guest以及Jackson進行)中包括幹循環，避免了不切實際的失敗。當幹循環、汙染物和紫外線(UV)/冷凝(QUV)暴露被納入鹽霧循環時，Simpson等人獲得了與現場暴露“更好”的相關性。Chong和Peart在鹽霧暴露中增加了一個冷凝循環，該循環試驗與紫外線/冷凝試驗相結合，產生了類似於鋼橋15個塗層係統室外風化所獲得的性能等級。冰凍是寒冷氣候中天氣循環的一個重要部分；塗層在冰點溫度下吸收的水的體積膨脹導致在塗層係統上產生顯著的機械應力。感興趣的是確定在組合的濕/幹/QUV方案中增加一個冷凝周期對其預測現場性能的能力的影響。為了解決這個問題，采用了冷凝、QUV和鹽加汙染物霧/幹的組合循環(Prohesion test)來評估鋼橋的許多高固體和水基塗層係統。將結果與僅通過鹽霧和粘附暴露獲得的結果進行了比較。這些塗層係統在海洋環境現場15個月和28個月的室外暴露結果被用於確定哪種加速實驗室方法對預測塗層最可靠 鋼橋的性能。采用統計技術來比較測試方法。

該研究中開發的塗料性能數據將用於為保護鋼橋選擇耐用的低VOC塗料提供指導。

實驗程序

塗層係統

表1描述了測試的13種塗層係統。本研究中評估的塗層係統為丙烯酸、丙烯酸環氧樹脂、無機矽酸鋅鉀、乙烯基和富鋅環氧樹脂的水基係統，以及磺酸鈣/醇酸樹脂、高固體環氧樹脂、富鋅聚氨酯、環氧樹脂膠泥、環氧聚氨酯膠泥和低揮發性有機化合物環氧樹脂的溶劑型係統。所有測試的塗層係統中，VoC含量均低於340克/升。所有塗料均塗覆在SSPC SP-5(噴白)鋼板上。在測試板的表麵劃一條對角線為5.1厘米(2英寸)的劃痕，以研究劃痕處的起泡和鏽蝕蠕變。

實驗室和戶外測試

三次加速實驗室暴露用於評估候選塗層係統。這些測試如下:

a.鹽霧

美國測試與材料協會（ASTM B117）

b.Prohesion-1小時濕循環/1小時幹循環

濕循環:0.35%硫酸銨和0.05%氯化鈉的哈裏森混合物。收集的冷凝液的pH值為5.9。

幹循環:強製空氣吹掃(6.8米/小時)

c.循環冷凝/QUV/Prohesion-70小時冷凝/215小時QUV/215小時 Prohesion循環。

冷凝溫度:-23攝氏度(-10華氏度)

QUV:紫外線/冷凝測試

測試周期:4小時紫外線/4小時冷凝周期

紫外線燈管:UVA-340

紫外線溫度:60℃

冷凝溫度:40℃

Prohesion:與上述測試相同

一組麵板也暴露在室外。所有的測試板以45度角放置在木架上，直接麵向南方。每天用海水(pH 7.7，15.6℃時的比重=1.021)噴灑每個麵板三次。

大多數鹽霧試驗板在劃線處發生6.4毫米(0.25英寸)的蠕變後終止暴露(通過或失敗分類的通用標準)。一些麵板由於其特殊的故障模式而暴露了較長的時間，以獲得額外的信息。所有塗層係統的Prohesion試驗和循環冷凝/QUV/Prohesion試驗進行了整整3000小時；這種長時間的暴露是必要的，因為這兩種試驗都包括幹循環，與鹽霧試驗結果相比，幹循環降低了故障率。在使用線性回歸分析比較測試方法時，為後兩次測試獲得的額外數據點組非常有益。所有的測試都是一式兩份進行，以確保統計的可靠性，給出的結果是兩個小組數據的平均值。

評價方法

每500小時檢查一次加速試驗板，以記錄它們的失效模式，並研究退化率。評價標準是劃痕處起泡、生鏽和蠕變。起泡程度通過ASTM D714方法進行評估。根據ASTM D1654方法對劃線處的表麵缺陷(未描述區域)和蠕變進行評級。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)的方格來測量表麵缺陷..以毫米為單位測量蠕變，精確度為0.5毫米。

結果和討論

失敗的結果

本研究調查了兩種類型的塗層失效，平麵表麵失效和劃線失效。

表2總結了飛機上的幾個塗層係統出現平麵故障。磺酸鈣/醇酸樹脂體係在所有情況下都出現了麵漆分層..水性乙烯基體係在所有實驗室試驗中起泡嚴重，但在28個月的室外暴露後沒有顯示出任何飛機故障。水基無機矽酸鋅鉀/丙烯酸/丙烯酸體係在鹽霧試驗500小時後起泡嚴重；然而，鋅底漆保持良好狀態。兩種環氧樹脂膠粘劑係統在鹽霧試驗中出現了廣泛的膜下腐蝕，這種情況在其他試驗方案或28個月的海洋暴露中沒有出現。

除了磺酸鈣/醇酸樹脂體係和幾種含鋅底漆的塗料體係外，所有的塗料體係在劃線處都產生了蠕變或縮短。由不同曝光方法的各種塗層係統產生的蠕變繪製在圖1中。這裏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、環氧樹脂。聚氨酯膠泥和水性富鋅環氧樹脂/丙烯酸樹脂/丙烯酸樹脂在鹽霧試驗中表現出大範圍的劃痕蠕變。對於水性丙烯酸環氧樹脂和基於溶劑的低VOC環氧樹脂/丙烯酸改性的環氧樹脂，在1000小時後，Prohesion試驗產生嚴重的劃痕失效。環氧樹脂係統。總體而言，就爬行度而言，循環冷凝/QUV/Prohesion暴露似乎與室外暴露具有最接近的性能相關性。總的來說，與室外暴露的相似性按循環冰凍/QUV/鹽霧的遞減順序排列。與循環冷凝/QUV/Prohesion和戶外暴露結果相比，鹽霧結果的線圖(圖1)顯示了一個非常不同的模式。

業績評級的比較

為候選塗層係統建立了總體性能的評級係統；它基於表麵失效(未描述的區域)和劃線爬行距離(ASTM D1654)的評級相加，得出“20”作為可能的較佳總體評級(在每個單獨的評級係統中，“10”表示全麵性能，“0”表示完全失效)，使用這種方法，所有實驗室測試和15個月以及28個月室外暴露的評級結果如表3所示。未描述區域的評級包括飛機上的起泡和生鏽，這是一種非常合理的方法，因為在大多數塗層係統上很少發現生鏽。

試圖計算所有十三個塗層係統在室外暴露和Prohesion試驗或循環冷凝/QUV/Prohesion暴露之間的性能等級的相關性。最小二乘法的較佳擬合產生了表4所示的相關係數。0.55和0.62的相關係數清楚地表明，與其他加速試驗方案相比，循環冷凝/QUV/Prohesion試驗暴露更接近室外暴露。計算了除水性乙烯基體係之外的所有塗料體係的其他相關性，水性乙烯基體係在所有三個實驗室試驗中都表現出嚴重的起泡，但是在28個月的室外暴露後沒有表現出表麵失效。排除水性乙烯基係統(代碼編號..12)線性回歸分析顯著提高了實驗室測試結果和室外暴露結果之間的相關性。針對循環冷凝/QUV/Prohesion試驗與15個月和28個月的室外暴露之間的關係獲得的重新計算的相關係數(0.81和0.80)進一步證實，與單獨進行Prohesion試驗相比，該試驗方案產生的失效結果更接近天然海洋暴露結果..具有最小溶劑含量(VOC =2/2/64 g/L)的三層水性乙烯基體係的性能在實驗室測試和自然海洋暴露之間顯示出很大的差異，這並不奇怪。這種具有高親水性的水基塗層材料容易吸水，並且與自然環境中可能不太潮濕和較長的幹燥周期相比，在加速測試器中建立的實驗條件下，沒有足夠的時間讓水擴散出去。

由於鹽霧試驗的提前終止，無法獲得所有十三個塗層係統的鹽霧試驗和室外暴露之間的相關性。然而，我們嚐試將八種塗層係統(代碼2、4、5-9和11)的2000小時鹽霧試驗結果和28個月戶外暴露結果聯係起來。有完整的數據點；相關係數為0.20。這一極低的值強烈表明，使用鹽霧試驗結果預測油田性能是不合適的。

統計分析

進行了額外的統計分析，以研究本工作中采用的三種實驗室測試方法的結果差異。劃線處的蠕變量用於分析，因為就測量而言，它們比表麵破損的百分比更準確。八個塗層係統(代碼編號2、4-9和11)。產生了所有三種測試方法在500至2，000小時內的一組完整的劃線蠕變結果。這些數據通過方差分析進行評估，如表5所示。該分析按照雙向因子設計進行，其中一個因子是測試方法(3種方法),另一個因子是塗層類型(8種類型),對24種組合中的每一種進行8次測量。

統計結果顯示，獲得表5中報告的F比值的概率很低（0.09和0.06）；這表明，所有三個測試和塗層在10％的水平上都有統計學上的顯著差異。換句話說，不同的實驗室暴露方法會在劃線處產生不同的爬行距離，不同的塗層係統也會產生不同的爬行距離。事實上，實際的差異比這裏提出的要大得多，因為水性丙烯酸（代碼3）和水性富鋅環氧樹脂/丙烯酸/丙烯酸（代碼13）產生的極其嚴重的爬行，以及水性乙烯基係統的爬行沒有包括在分析中，因為它們在鹽霧試驗中較早終止。

為了區分每種試驗方法的失效程度，暴露時間為500、1000、1500和2000小時劃線處的平均爬行距離如圖2所示。鹽霧試驗和Prohesion試驗的漏電程度在1500小時內是相似的；在1500小時以上，鹽霧試驗比Prohesion試驗引起更大的漏電..自行車。在所有三種測試方法中，冷凝/QUV/Prohesion測試產生的劃痕漏電量最少。方法和塗層係統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)。

摘要和結論

與鹽霧試驗和Prohesion試驗相比，本研究中評估的循環冷凝/QUV/Prohesion加速試驗產生了最接近28個月戶外暴露結果的失效趨勢。

統計分析顯示了塗層係統之間和測試方法之間的巨大差異。

在13種塗料體係中，溶劑型富鋅聚氨酯/聚氨酯/聚氨酯(VOC=336 g/L)表現較好。一般來說，三種富鋅聚氨酯體係的性能非常相似，除了具有水性麵漆的最低VOC塗料體係(VOC =24 g/L)在劃線處顯示出嚴重的麵漆起泡而沒有底切。

具有水基麵漆的富鋅底漆在劃線處沒有底切或生鏽，但在麵板表麵顯示麵漆起泡。這些體係包括水性無機鋅/丙烯酸/丙烯酸、水性富鋅環氧/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。總之，無論富鋅底漆是溶劑型還是水基的，大多數測試的水基麵漆都表現出起泡的趨勢。結果證實，即使發生麵漆起泡，富鋅底漆也能保護鋼不生鏽和不咬邊。

在所有三個實驗室測試中，水性乙烯基係統在麵板表麵嚴重起泡，但在28個月的戶外暴露後沒有出現這種故障。

在所有三次實驗室試驗後，環氧樹脂膠粘劑係統在劃線處嚴重咬邊。溶劑型高固體環氧樹脂體係相當耐腐蝕，但容易受到紫外線攻擊。溶劑型低揮發性有機化合物環氧樹脂/丙烯酸改性環氧樹脂體係表現最差，出現嚴重的底切。

水性丙烯酸體係和水性丙烯酸環氧體係都表現不佳，表現出嚴重的劃痕蠕變。

磺酸鈣/醇酸樹脂體係沒有形成底切，但經曆了大範圍的麵漆分層。