林實(shí)輝，張春良，任發(fā)喜，薛永超

（1.華邦建投集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510000；2.東南大學(xué)，江蘇南京 210000）

0 引言

目前火力發(fā)電、生物制藥、工業(yè)冶煉及化工行業(yè)中均廣泛使用了大型混凝土貯存池，以存貯高腐蝕性的材料[1-3］。在水泥混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)壁涂刷防腐涂料，是延長(zhǎng)水泥混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命、保證設(shè)施使用可靠度的主要手段。

現(xiàn)有防腐涂料涂布的常用方法為高壓無氣噴涂，該法作業(yè)效率高，且無氣作業(yè)的特點(diǎn)避免了因氣體反彈而帶走部分涂料，其涂料利用率較傳統(tǒng)有氣噴涂可提高10 %以上[4］。防腐涂層的施工工藝是影響防腐涂層使用性能的重要因素，不同工藝組合對(duì)所得涂層的性能影響顯著。

本研究通過對(duì)不同工藝組合進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)合灰色局勢(shì)決策方法，就高壓無氣噴涂的不同工藝組合對(duì)所得涂層的性能影響展開研究，以獲得最優(yōu)的工藝組合，對(duì)高壓無氣噴涂的施工工藝提出改進(jìn)意見。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 涂層材料及試件

采用由甲苯二異氰酸酯（TDI）、六亞甲基二異氰酸酯（HDI）、雙酚A型E-44環(huán)氧樹脂與玻璃鱗片復(fù)配制得的環(huán)氧聚氨酯防腐涂料，其組成參數(shù)如表1所示。

表1 高性能環(huán)氧聚氨酯防腐涂料的組成參數(shù)（部分）Table 1 Composition parameters of epoxy polyurethane anticorrosive coatings with high performance（part）

制備涂刷區(qū)域尺寸為100 cm×100 cm的立面水泥混凝土試件。待水泥混凝土的養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，先對(duì)混凝土試件表面涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，再涂刷環(huán)氧富鋅底漆，最后涂刷環(huán)氧聚氨酯防腐涂料。

1.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

噴涂作業(yè)采用手持式小型高壓噴槍，噴涂方向采用左右往復(fù)噴涂。同一區(qū)域的噴涂次數(shù)設(shè)定為2～3次，以可在試件表面噴涂1.0～1.5 mm厚度的涂層為準(zhǔn)。綜合分析高壓無氣噴涂的施工工藝，采用施工工序組合、霧化壓力、噴槍移速、噴涂距離、保溫溫度和環(huán)境溫度6個(gè)因素，每個(gè)因素分為3個(gè)水平，分別依據(jù)防腐涂層施工過程的特點(diǎn)來擬定；再基于正交設(shè)計(jì)原則與各影響因素水平，制作L18（37）的正交表；最后，以正交表L18（37）中的18種施工方案制備防腐涂層試件，每個(gè)施工方案涂刷4塊混凝土板。影響因素水平表如表2所示。

表2 影響因素水平表Table 2 Table of influencing factor levels

1.3 性能測(cè)試

粘結(jié)性能：參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5210—2006《色漆和清漆 拉開法附著力試驗(yàn)》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度設(shè)為（23±2）℃，環(huán)境濕度設(shè)為（50±5）%。

涂層材料的拉伸強(qiáng)度：參照GB/T 16421—1996《塑料拉伸特性小試樣試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

耐磨性：參照GB/T 1768—2006《漆膜耐磨性測(cè)定法》進(jìn)行測(cè)試。

循環(huán)老化時(shí)間：參照ISO 20340：2003《色漆和清漆 用于近海建筑及相關(guān)結(jié)構(gòu)的保護(hù)性涂料系統(tǒng)的性能要求》附錄A的內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試。以1周（168 h）作為單次循環(huán)，計(jì)劃進(jìn)行25個(gè)循環(huán)周期，共計(jì)4 200 h。循環(huán)過程中觀察并記錄試樣出現(xiàn)粉化與開裂的時(shí)間，以此作為耐老化循環(huán)時(shí)間。

硬度：參照GB/T 2411—2008《塑料邵氏硬度試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行測(cè)試。

厚度極差：待涂層固化后，采用精度為0.01 mm的螺旋測(cè)微儀量取其最大厚度與最小厚度，并計(jì)算二者的極差來評(píng)價(jià)噴涂效果，極差越小，說明涂層越均勻。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

不同試驗(yàn)方案所得涂層的性能檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 涂層性能檢測(cè)結(jié)果Table 3 Performance test results of coating

由表3可知，以不同施工工藝方案制備的試件的性能存在明顯差異，例如以方案4制備的涂層，其粘結(jié)強(qiáng)度與循環(huán)老化時(shí)間均高于其他方案，涂刷后的厚度極差均低于其他方案，即此涂層的耐老化性能、均勻性，以及與被保護(hù)層間的粘附性能最好，但其耐磨性能相對(duì)較差；以方案13制備的涂層，其磨耗損失只有375 mg，即耐磨耗性能優(yōu)于其他方案，但其與保護(hù)層的粘結(jié)強(qiáng)度和耐老化性能卻遜于其他方案。由上可知，對(duì)于高性能環(huán)氧聚氨酯防腐涂料的施工，無法憑借單一性能指標(biāo)全面反映不同施工工藝對(duì)涂層性能的影響，亦無法量化各關(guān)鍵因素對(duì)涂層性能的影響程度。因而，本研究擬采用改進(jìn)灰色局勢(shì)決策方法，通過多指標(biāo)的對(duì)比分析，對(duì)各施工工藝方案進(jìn)行優(yōu)選。

2 基于灰色局勢(shì)決策的涂層性能分析

灰色決策方法是現(xiàn)代決策方法的重要分支，由于其對(duì)原始數(shù)據(jù)沒有特殊的要求與限制，灰色決策已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)、管理、工程及軍事等多個(gè)領(lǐng)域[5］?；疑謩?shì)決策可分為局勢(shì)效果的確定、最優(yōu)局勢(shì)效果的分析與灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算3個(gè)部分，可實(shí)現(xiàn)從多項(xiàng)對(duì)策中優(yōu)選出效果最好的對(duì)策，本研究選用該方法對(duì)各施工工藝進(jìn)行優(yōu)化研究?？紤]到灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)無法較好地表現(xiàn)兩序列相對(duì)于始點(diǎn)變化速率的接近程度，因此采用綜合關(guān)聯(lián)度替代絕對(duì)關(guān)聯(lián)度，使得改進(jìn)后的灰色局勢(shì)決策能同時(shí)體現(xiàn)兩序列的接近程度與聯(lián)系緊密程度，可充分利用多指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果，得到每種方案綜合優(yōu)劣的結(jié)論。

2.1 局勢(shì)效果的確定

定義U（k）為所述18個(gè)局勢(shì)中防腐涂層第k個(gè)決策目標(biāo)的效果樣本序列，定義ui（k）為第i個(gè)局勢(shì)中防腐涂層第k個(gè)決策目標(biāo)的效果樣本。設(shè)定6個(gè)決策目標(biāo)，分別為：粘結(jié)強(qiáng)度A、拉伸強(qiáng)度B、磨耗損失C、循環(huán)老化時(shí)間D、硬度E與涂層厚度極差F，其效果樣本序列U（k）如式（1）所示。

將表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為效果樣本分別代入式（1），可得

再設(shè)R（k）為效果樣本序列U（k）的一致效果測(cè)度序列，ri（k）為效果樣本ui（k）的一致效果測(cè)度，所述一致效果測(cè)度序列R（k）如式（2）所示：

對(duì)于防腐涂層，粘結(jié)強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、循環(huán)老化時(shí)間與硬度越大，代表涂層的使用性能越好；磨耗損失與涂層厚度極差越小，代表涂層耐磨性能越好、涂層整體越均勻。因此，采用上限效果測(cè)度描述粘結(jié)強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、循環(huán)老化時(shí)間與硬度，采用下限效果測(cè)度描述磨耗損失與涂層厚度極差，上限效果測(cè)度rui（k）與下限效果測(cè)度rdi（k）分別如式3和式4所示。

將U（1）～U（6）代入式（3）和式（4），得到一致效果測(cè)度序列R（k）如下：

最后，定義vi為第i個(gè)局勢(shì)防腐涂層的6個(gè)決策目標(biāo)的一致效果測(cè)度序列，vi（k）為第i個(gè)局勢(shì)防腐涂層的第k個(gè)決策目標(biāo)的一致效果測(cè)度，如式（5）所示。

則有一致效果測(cè)度序列vi，如式（6）所示。

將上述R（1）～R（6）分別代入式（5）與式（6），可得：

2.2 局勢(shì)效果的分析

根據(jù)上限效果測(cè)度與下限效果測(cè)度，可知最優(yōu)局勢(shì)防腐涂層的6個(gè)決策目標(biāo)的一致效果測(cè)度序列Vos=（1.000 0，1.000 0，1.000 0，1.000 0，1.000 0，1.000 0），分別繪制Vi與Vos的相似程度，如圖1所示。

圖1 各涂層局勢(shì)與最優(yōu)局勢(shì)測(cè)度Figure 1 Each coating situation and optimal situation measurement

由圖1可知，對(duì)于所述的6個(gè)決策目標(biāo)，各局勢(shì)與最優(yōu)局勢(shì)的相似程度均存在明顯差異，且規(guī)律性較小，難以直接簡(jiǎn)單量化分析。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

為綜合對(duì)比各施工參數(shù)對(duì)防腐涂層性能的影響，通過式（7）計(jì)算灰色綜合關(guān)聯(lián)度，以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)其聯(lián)系程度進(jìn)行對(duì)比分析，灰色綜合關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 各局勢(shì)的灰色綜合關(guān)聯(lián)度Figure 2 Grey comprehensive correlation degree of each situation

式中，ρ0i代表序列M0與Mi的灰色綜合關(guān)聯(lián)度；ε0i代表M0與Mi的灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度；r0i代表M0與Mi的灰色相對(duì)關(guān)聯(lián)度；θ為調(diào)節(jié)參數(shù)，取值范圍在0～1之間，本研究取θ=0.5。

由圖2可知，局勢(shì)3的灰色綜合關(guān)聯(lián)度最小，為0.871；局勢(shì)14的灰色綜合關(guān)聯(lián)度最大，為0.967；二者相差達(dá)0.096，這說明各局勢(shì)與最優(yōu)局勢(shì)間的聯(lián)系存在顯著差異。對(duì)各局勢(shì)的灰色綜合關(guān)聯(lián)度以降序排列，可得局勢(shì)排序：14號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、15號(hào)、8號(hào)、17號(hào)、6號(hào)、5號(hào)、11號(hào)、10號(hào)、9號(hào)、12號(hào)、7號(hào)、13號(hào)、18號(hào)、1號(hào)、16號(hào)、3號(hào)。此外，2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、14號(hào)、15號(hào)與17號(hào)局勢(shì)的灰色綜合關(guān)聯(lián)度大于0.9，其工藝組成可劃分為施工容許范圍，以提高噴涂施工的可操作性。

綜上所述可知，不同施工工藝方案所制備的防腐涂層的性能差異較大，且基于防腐涂層的6個(gè)性能指標(biāo)，可得到18種施工工藝方案的優(yōu)劣排序，即所述18種施工工藝方案的涂層性能排序依次為14號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、15號(hào)、8號(hào)、17號(hào)、6號(hào)、5號(hào)、11號(hào)、10號(hào)、9號(hào)、12號(hào)、7號(hào)、13號(hào)、18號(hào)、1號(hào)、16號(hào)、3號(hào)，其中14號(hào)方案所制備的防腐涂層的綜合性能最好。

3 結(jié)語

基于灰色局勢(shì)決策理論，研究了高壓無氣噴涂不同工藝組合對(duì)防腐涂層性能的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)各局勢(shì)的灰色綜合關(guān)聯(lián)度與最優(yōu)局勢(shì)的差異，可得所述18種施工工藝方案的涂層性能排序從優(yōu)到差依次為：14號(hào)、2號(hào)、4號(hào)、15號(hào)、8號(hào)、17號(hào)、6號(hào)、5號(hào)、11號(hào)、10號(hào)、9號(hào)、12號(hào)、7號(hào)、13號(hào)、18號(hào)、1號(hào)、16號(hào)、3號(hào)。

（2）通過對(duì)比各局勢(shì)的灰色綜合關(guān)聯(lián)度可知，14號(hào)方案的工藝組合最優(yōu)，即施工工序取2.4 kg/m2+ 2.4 kg/m2，霧化壓力設(shè)為0.65 MPa，噴槍移速設(shè)為75 cm/s，噴涂距離設(shè)為5 cm，涂料的保溫溫度為55 ℃，施工的環(huán)境溫度為25 ℃。

（3）2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、14號(hào)、15號(hào)與17號(hào)局勢(shì)的灰色綜合關(guān)聯(lián)度大于0.9，可基于此類工藝組合制備各工藝的施工容許范圍，以提高高壓無氣噴涂的施工效率。