□□ 李 巖

(蘭州交通大學 土木工程學院,甘肅 蘭州 730070)

引言

橋梁建設在交通運輸中承擔著非常重要的角色[1]。波紋鋼腹板組合梁橋由于其強度高、跨越能力大及施工周期短等特點而被廣泛應用[2],但鋼結構材料容易生銹,會影響橋梁的使用壽命[3]。鋼結構復合涂裝因施工便捷和防腐效果突出等優(yōu)點被廣泛應用于防腐措施中[4],但鋼結構涂裝的不同漆層之間會相互滲透、相互反應并與基材附著、粘結形成復合材料體系[5],由于其各向異性、非均質性和缺陷類型復雜等特征,與傳統(tǒng)的均質材料相比損傷機制更為復雜,在循環(huán)加載下會出現(xiàn)不同的損傷與失效類型[6]。而橋梁結構在車載和風載等動力荷載循環(huán)作用下,會導致疲勞損傷不斷累積,降低橋梁的安全性,甚至會導致工程事故的發(fā)生[7]。甘肅省是我國典型的大溫差區(qū)域之一[8],鋼橋防腐涂層受環(huán)境因素影響較大。在大溫變效應下,由于涂層與鋼板的熱膨脹系數不同,在界面處會產生應變差值,導致涂層在界面處破壞失效,加速了涂層的老化作用,這就對防腐涂層提出了更高的要求[9]。

國內外學者對涂層的劣化性能研究已取得一定成果,姚玉東等[10]根據熱障涂層疲勞試驗結果,結合線性疲勞累積理論和Manson-Coffin低周疲勞模型,建立了熱障涂層的壽命預測模型。Marina P等[11]通過研究同一溫度下不同含氧量環(huán)境的環(huán)氧樹脂失效試驗,試驗表明有氧條件會降低涂層的彈性性能和殘余應力。Oosterbroek M等[12]探究了不同條件下聚氨酯涂層老化規(guī)律,結果表明涂層內部形成張力是由晝夜溫差變化引起的。李志永等[13]發(fā)現(xiàn)隨著熱障涂層的熱生長氧化層TGO厚度的增加,熱障涂層內部應力先快速降低后逐漸升高。李曉駿等[14]研究了復合材料力學性能和熱氧老化的初步關系,發(fā)現(xiàn)除了環(huán)境因素影響涂層的失效以外,鋼橋本身的結構特點與受力情況,也會影響鋼橋防腐涂裝的有效性。

綜上所述,目前對涂層力學性能研究主要集中在硬質涂層和厚型防火涂層上,并且大多通過腐蝕介質中某單一因素來研究涂層的劣化損傷機理,結合應力效應與腐蝕介質的共同作用來研究涂層劣化規(guī)律的較少。因此,擬通過加速試驗分析涂層在大溫差和靜荷載耦合作用下的老化規(guī)律,探索涂層附著力及破壞形式的變化規(guī)律,并結合灰色理論建立GM(1,1)灰色模型,尋找涂層壽命的預測公式,為西北地區(qū)鋼橋梁涂層的及時維修更換和降低腐蝕成本提供參考。

1 涂層劣化的試驗研究

1.1 涂層靜應力試驗系統(tǒng)的開發(fā)

為便于螺栓錨固并具有可靠的錨固效果,考慮加載裝置尺寸并結合規(guī)范[15]要求,試驗基體選用板材標號為Q235,屈服強度為235 MPa,取試件尺寸為170 mm×420 mm,厚度為6 mm,螺栓選用螺紋A級M16,公稱直徑d0為16 mm。根據規(guī)范[16]要求,采用長效型涂裝體系,底漆為一道水性環(huán)氧富鋅底漆,厚度為80 μm;中間漆采用兩道水性環(huán)氧(云鐵)漆,厚度為120 μm;面漆為一道氟碳面漆,厚度為80 μm,涂層體系總干膜厚度≮280 μm,涂裝試件如圖1所示。

圖1 試驗鋼涂裝試件

鋼橋在正常服役狀態(tài)下,鋼底板即全橋變形最大處始終處于受拉狀態(tài),在自重作用下會導致鋼底板拉應變增加[17],涂層將與鋼基體同步變形,結合該特點專門開發(fā)了鋼結構涂層試件的靜荷載試驗加載系統(tǒng),裝置原理如圖2所示。

圖2 試驗加載原理示意圖

通過擰緊端部螺母來進行加載,將兩塊試件對齊放置,跨中中線軸線位置放一根長度為100 mm的Φ12 mm的光圓鋼筋。然后使用扭矩扳手將四個A級5.6的普通螺栓固定在兩塊試件的四角處,采用標定的扭力扳手對螺栓施加相同的扭力使試件共同擠壓支撐墊,試件變形對涂裝施加靜載,施加荷載大小為屈服荷載及其30%、50%、70%。

1.2 環(huán)境作用加載工況

采用加速試驗方法進行大溫差試驗模擬,試驗儀器采用多功能氣候環(huán)境模擬試驗箱,該儀器試驗參數均可通過控制面板設定,如圖3所示。

圖3 環(huán)境氣候模擬試驗箱

通過統(tǒng)計甘肅省各區(qū)域的月平均氣候變化并結合規(guī)范要求[18-19],確定溫變加載周期,每個溫度循環(huán)周期可分為四個階段,升、降溫速率為0.8～1.2 ℃·min-1,持續(xù)時間均為1 h,如圖4所示。

圖4 溫度循環(huán)示意圖

對涂層體系試件施加靜荷載及靜荷載的30%、50%、70%進行測試,每次大溫差試驗進行6次溫度循環(huán),共進行90次循環(huán)。每15次溫度循環(huán)后,取出試件,在溫度為(23±2)℃,相對濕度為(50+5)%的條件下進行附著力測試,確定試驗工況見表1。

表1 試驗工況

2 涂層附著力變化

溫變荷載作用下附著力整體呈下降趨勢,但下降幅度不大,剔除試驗產生的附著力<5 MPa且無明顯破壞模式的點,求取平均值后,得到涂裝的附著力變化曲線,如圖5所示。

圖5 涂裝附著力變化

圖5表明,在溫度循環(huán)荷載與靜荷載作用下涂層附著力整體呈現(xiàn)下降趨勢。溫度荷載作用下涂裝粘結能力損失較為嚴重,并且70%靜載與溫度荷載附著力衰減速率高于溫度荷載作用下附著力,說明靜荷載應力越大對涂層附著力影響越大。

3 基于灰色理論的壽命預測

灰色理論是通過預處理的方式對“小數據、少信息”系統(tǒng)的規(guī)律性進行展示,灰色理論的微分方程模型稱為GM(Gray Model),其中GM(1,1)是含一階差分方程一個變量的灰色模型的簡稱。

3.1 等時序的GM(1,1)模型

設涂層附著力為原始序列見式(1):

x(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)}

(1)

所對應的時間序列見式(2):

{t}={t1,t2,t3,t4,…,tN}

(2)

其一階累加生成(1-AGO)累加序列見式(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),對x(1)(k)建立一階微分方程見式(6):

(6)

(7)

(8)

對微分方程求解,得到時間響應見式(9):

(9)

(10)

(11)

設x(0)(1)-μ/a=A,μ/a=B,式(9)變形見式(12):

(12)

式(12)即為涂層附著力變化的預測公式。

3.2 模型精度檢驗

通過式(13)～(16)檢驗模型精度:

(13)

(14)

(15)

(16)

后驗差比值見式(17):

C=S2/S1

(17)

小誤差概率見式(18):

(18)

模型預測度由C和P的指標得出,當C值越小,P值越大,得到的模型越精準,模型精準度等級示意見表2。按C和P將精度分為“好”、“良”、“合格”和“不合格”四個等級。

表2 模型精度等級

3.3 灰色模型的應用

以溫度荷載循環(huán)次數作為時間序列,每個等距時步對應的循環(huán)次數為9次,以附著力作為影響因素,得到涂層在無荷載作用時附著力隨溫度變化的預測公式,按照式(12)可求得:

長效型涂裝溫變荷載試驗條件下附著力預測見式(19):

(19)

采用用后驗差檢驗模型的精度,將試驗值與預測值數據代入式(17)和(18)得:

C1=S1/S2=0.174<0.35

可見該模型預測精度為“好”,能夠較好的預測涂層體系在溫變循環(huán)作用下涂層附著力變化趨勢。通過預測公式可很容易得到涂層附著力達到Pm的時間,如預測涂裝在72個循環(huán)后附著力為16.45 MPa,試驗所得附著力實測值為16.54 MPa,可見預測值與實測值極其吻合,如圖6所示。

圖6 涂層附著力預測值

4 結論

通過對波紋鋼腹板組合梁表面長效型涂層在大溫差和動荷載耦合作用下的劣化性能進行研究,得到以下結論:

4.1 在溫變荷載作用下,涂層附著力呈線性下降趨勢。在循環(huán)90次后,涂層附著力降低了4.78%,涂層附著力均隨溫度循環(huán)次數增大而減小,隨著靜載增大附著力劣化速度加快。

4.2 涂裝體系不同涂層的機械性能及涂層之間粘結性能退化較快,而底漆與基材之間的粘結性能在抵抗大溫差與動荷載共同作用中起到了主要的防護作用。

4.3 基于結合灰色理論與動荷載影響因素,通過推導的涂層剩余壽命預測公式,可預測涂層在動荷載與溫變耦合作用下的使用壽命及力學性能。