CN116933689B - 一种基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，包括以下步骤：首先测定环氧胶泥的密度，确定剪切速率为1 s^‑1时环氧胶泥的黏度；通过确定环氧胶泥的幂律常数、流挂时间、最大流挂长度和单次涂覆厚度，计算出环氧胶泥抗流挂所需的最低黏度；最后比较实测黏度和计算黏度，评价环氧胶泥的抗流挂性。本发明步骤简单，可靠性高，可重复性强，有助于解决环氧胶泥在垂直面施工下抗流挂评估的难题。

Description

一种基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法

技术领域

本发明属于水利工程混凝土表面防护涂层技术领域，具体涉及一种基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法。

背景技术

水利工程混凝土建筑物(如大坝、隧洞、箱涵等)在服役期间会遭受水流冲刷、冻融、水质侵蚀等因素的作用，引起混凝土表面砂浆及骨料剥落、强度降低。环氧胶泥是以环氧树脂、固化剂及其填料等为基料而制成的高强度、抗冲蚀、耐磨损材料。采用环氧胶泥防护涂层对混凝土表面进行防护，是一种快速提高混凝土耐久性能的有效措施。

在实际工程中，常常需要在垂直面进行防护涂层的施工，如大坝的坝体、隧洞的侧墙等。在这种工程环境下，如果涂层单次施工过厚，在重力作用下会发生流淌变形，形成流挂，影响施工质量。因此，需要对防护涂层的抗流挂性进行评定。在国家标准GB/T 9264-2012《色漆和清漆抗流挂性评定》中给出了通过漆膜厚度测定仪获得不发生流挂时的涂膜厚度，但该方法未考虑流挂时间，且易受环境温度和湿度的影响；中国专利(申请号：CN202210222484.9)提出了一种制备树脂流挂测试工艺方法，该方法是待24h树脂固化后，通过树脂流挂距离来确定流挂性能，耗时较长，不能快速评价流挂性；中国实用新型(申请号：CN202022699871.0和CN202221461211.1等)均通过设计流挂测试设备来评价抗流挂性，测试完不易进行清洗；中国专利(申请号：CN201811330625.9)公布了一种使用旋转流变仪快速评价水性高分子材料流平流挂性能的测试方法，该专利的测试对象为水性涂料，且采用的是振幅扫描的方法，主要用于评价材料的流平性，并不适用于流挂性的评定。

发明内容

本发明的内容在于克服背景技术中的不足，提供一种基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，以便指导防护涂层施工。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，将流变参数代入到式I中，计算出环氧胶泥抗流挂所需的最低黏度；比较实测黏度η和计算黏度η₀，评价环氧胶泥的抗流挂性；所述流变参数包括密度ρ、幂律常数n、流挂时间t、最大流挂长度s_max和单次涂覆厚度T，

所述实测黏度是将环氧胶泥样品进行恒定剪切速率下的流变试验，根据时间和黏度曲线，获得此时环氧胶泥的黏度η。

所述幂律常数n是将环氧胶泥样品进行斜坡剪切速率下的流变试验，根据剪切速率γ和剪切应力τ曲线，采用假塑性流体模型τ＝η'γⁿ进行拟合，获得此时环氧胶泥的幂律常数n。

所述流挂时间t是将环氧胶泥样品涂覆在试板上，将试板垂直立放，通过秒表记录环氧胶泥从开始流挂至停止流挂的时间。

若η≥η₀，则判定环氧胶泥具备抗流挂性；若η＜η₀，则判定环氧胶泥不具备抗流挂性。

流变试验中流变仪采用软固体流变仪，剪切速率γ设为1s^-1，剪切时间不小于60s。

斜坡剪切速率下的流变试验中剪切速率从0s^-1增加到60s^-1～150s^-1，剪切时间为60s～150s。

环氧胶泥属于假塑性流体。

设定环氧胶泥允许最大流挂长度s_max为0.1cm。

更具体地，一种基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，包括以下步骤：

(1)依据环氧胶泥配比，制备环氧胶泥浆体，将制备的环氧胶泥分为四份；

(2)取一份环氧胶泥样品，测量环氧胶泥的密度ρ；

(3)取一份环氧胶泥样品进行恒定剪切速率下的流变试验；流变仪采用软固体流变仪，剪切速率γ设为1s^-1，剪切时间为100s；根据时间和黏度曲线，获得此时环氧胶泥的黏度η；

(4)取一份环氧胶泥样品进行斜坡剪切速率下的流变试验，剪切速率从0s^-1增加到100s^-1，剪切时间为100s，根据剪切速率γ和剪切应力τ曲线，采用假塑性流体模型τ＝η'γⁿ进行拟合，获得此时环氧胶泥的幂律常数n；

(5)取一份环氧胶泥样品，在试板上涂覆宽2mm、厚1mm、长5mm的试样，将试板垂直立放，通过秒表记录环氧胶泥从开始流挂至停止流挂的时间t；

(6)设定环氧胶泥允许最大流挂长度s_max为0.1cm，设定单次涂覆环氧胶泥的厚度T，将最大流挂长度s_max、密度ρ、幂律常数n、厚度T和流挂时间t代入中，求得环氧胶泥在涂覆厚度T的情况下不发生流挂的粘度η₀；

(7)对比步骤(3)获得的环氧胶泥黏度η和步骤(6)获得的粘度η₀，若η≥η₀，则判定环氧胶泥具备抗流挂性；若η＜η₀，则判定环氧胶泥不具备抗流挂性。

步骤(2)中环氧胶泥的密度采用中华人民共和国国家标准GB12007.5-89《环氧树脂密度的测定方法比重瓶法》进行测量。

事实上，防护涂层的流挂性与流变性能(黏度、剪切速率等)密切相关。

如图1所示为环氧胶泥在垂直基面的受力情况，假定环氧胶泥均匀并忽略基面的边缘效应。将垂直基面的方向作为x轴，x＝0处为基层表面，x＝T处为环氧胶泥表面，其中T为环氧胶泥的厚度。在x位置处取厚度为dx，高度为H，长度为L的一薄层环氧胶泥。那么，作用在该环氧胶泥上的重力f_g如(式1)所示。

f_g＝LHρg(T-x) (式1)

式中，ρ为环氧胶泥密度，g/cm³；g为重力加速度，取9.8m/s²。

除了重力作用外，环氧胶泥内部分子间的作用力会阻碍向下流动，该粘滞阻力f_v如(式2)所示：

f_v＝LHτ＝LHηγ＝LHη(dv/dx) (式2)

式中，τ为剪应力，Pa；η为黏度，Pa·s；γ为剪切速率，s^-1；v为薄层环氧胶泥向下流动的速度，m/s。

当环氧胶泥保持平衡状态时，f_g＝f_v。因此，可获得以下关系式：

γ＝dv/dx＝(ρg/η)(T-x) (式3)

对(式3)积分，可得

本申请专利中的环氧胶泥防护涂层属于非牛顿流体，其黏度η随剪切速率γ的变化而变化。因此，为了求得(式4)，需引入粘度与剪切速率的关系函数。

非牛顿流体可分为宾汉流体、膨胀性流体和假塑性流体，可用(式5)的幂律流变模型进行表达。

τ＝τ₀+η₀γⁿ (式5)

式中，τ₀是屈服应力，Pa；η₀为塑性粘度或为流体稠度，是一个常数；n为幂律常数。

如果环氧胶泥所受重力小于或者等于屈服应力，那么有ρgT≤τ₀或T≤τ₀/ρg，该状态下环氧胶泥不会发生流挂(图2(a))；当ρgT＞τ₀时，就会发生如图2(b)所示的流挂现象，即靠近基体的环氧胶泥流挂，其余部分整体塌落。塌落层的厚度T₀如(式6)所示。

T₀＝τ₀/ρg (式6)

那么，通过(式5)，粘度η与剪切速率的关系可写为：

将(式7)代入式(式3)和(式4)可得，

最大流挂速度v_max发生在x＝T-T₀处，那么：

流挂长度是用来评价抗流挂性能的一个直观参数，因此在时间t时刻，环氧胶泥的最大流挂长度s_max为：

环氧胶泥属于假塑性流体，屈服应力τ₀＝0，其流挂状态如图2(c)所示，仅有流挂现象。那么，(式5)、(式7)、(式8)和(式11)可书写为下式：

τ＝η₀γⁿ (式12)

由(式15)可知，最大流挂长度s_max是关于环氧胶泥密度ρ、塑性粘度η₀、幂律常数n、环氧胶泥厚度T和流挂时间t的函数。设定剪切速率γ＝1s^-1，依据(式13)可得此时环氧胶泥的黏度η＝η₀。环氧胶泥的幂律常数n＜1，那么可以推断出，当环氧胶泥厚度T固定时，流挂长度s_max与剪切速率γ＝1s^-1时的黏度呈负相关。也即是说环氧胶泥的黏度越小，越易发生流挂。基于此原理，对环氧胶泥的流变参数进行测定，可准确评估其抗流挂特性，为工程应用提供技术指标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，通过简单的流变试验，获得环氧胶泥的流变参数，计算得到环氧胶泥在某一涂覆厚度下不发生流挂的最低粘度。通过与实际粘度的对比，评估环氧胶泥的抗流挂性。该方法步骤简单，可靠性高，不受环境温度的影响，有助于解决环氧胶泥在垂直面施工下抗流挂设计方法缺失的难题。

附图说明

图1为环氧胶泥流挂受力分析示意图；

图2为环氧胶泥流挂状态示意图；

图3为本发明的流程图；

图4为环氧胶泥I在剪切速率γ＝1s^-1的黏度随时间的曲线；

图5为环氧胶泥I的剪切速率与剪切应力的关系曲线；

图6为环氧胶泥II在剪切速率γ＝1s^-1的黏度随时间的曲线；

图7为环氧胶泥II的剪切速率与剪切应力的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供一种基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，包括以下步骤：

(1)依据环氧胶泥配比，制备环氧胶泥浆体，将制备的环氧胶泥分为四份。

(2)取一份环氧胶泥样品，采用中华人民共和国国家标准GB12007.5-89《环氧树脂密度的测定方法比重瓶法》测量环氧胶泥的密度ρ。

(3)取一份环氧胶泥样品进行恒定剪切速率下的流变试验。流变仪采用软固体流变仪，剪切速率γ设为1s^-1，剪切时间为100s。根据时间和黏度曲线，获得此时环氧胶泥的黏度η。

(4)取一份环氧胶泥样品进行斜坡剪切速率下的流变试验。剪切速率从0s^-1增加到100s^-1，剪切时间为100s。根据剪切速率γ和剪切应力τ曲线，采用假塑性流体模型τ＝η'γⁿ进行拟合，获得此时环氧胶泥的幂律常数n。

(5)取一份环氧胶泥样品，在试板上涂覆宽2mm、厚1mm、长5mm的试样，将试板垂直立放，通过秒表记录环氧胶泥从开始流挂至停止流挂的时间t。

(6)设定环氧胶泥允许最大流挂长度s_max为0.1cm，设定单次涂覆环氧胶泥的厚度T。将最大流挂长度s_max、密度ρ、幂律常数n、厚度T和流挂时间t代入中，求得环氧胶泥在涂覆厚度T的情况下不发生流挂的粘度η₀。

(7)对比步骤(3)获得的环氧胶泥黏度η和步骤(6)获得的粘度η₀。若η≥η₀，则判定环氧胶泥具备抗流挂性；若η＜η₀，则判定环氧胶泥不具备抗流挂性。

实施例2

本实施例通过采用实施例1中的方法评判环氧胶泥I是否满足抗流挂性的需求。

环氧胶泥I的配比为环氧树脂：无机填料＝1:1，无机填料由水泥、滑石粉和膨润土组成，三者的比例为5:3:2，制备环氧胶泥测试试样。

采用中华人民共和国国家标准GB12007.5-89《环氧树脂密度的测定方法比重瓶法》测量获得环氧胶泥I的密度为2.0g/cm³。

将环氧胶泥I试样进行恒定剪切速率下的流变试验。流变仪采用博勒飞RST-SST流变仪，剪切速率γ设为1s^-1，剪切时间为100s。如图4所示，为获得的时间和黏度曲线，则此时环氧胶泥的黏度η＝15.8Pa·s。

对环氧胶泥样品进行斜坡剪切速率下的流变试验。剪切速率从0s^-1增加到100s^-1，剪切时间为100s。如图5所示，根据剪切速率γ和剪切应力τ曲线，采用假塑性流体模型τ＝η'γⁿ进行拟合，获得此时环氧胶泥的幂律常数n＝0.69。

在试板上涂覆1mm厚度的试样，将试板垂直立放，通过秒表记录环氧胶泥从开始流挂至停止流挂的时间t＝300s。

设定环氧胶泥允许最大流挂长度s_max为0.1cm，设定单次涂覆环氧胶泥的厚度T＝0.01cm。将最大流挂长度s_max、密度ρ、幂律常数n、厚度T和流挂时间t代入中，g取9.8m/s²，求得环氧胶泥在涂覆厚度T＝0.01cm的情况下不发生流挂的粘度η₀＝11.04Pa·s。

通过上述计算可知，η＞η₀，则判定环氧胶泥I具备抗流挂性。

实施例3

本实施例通过采用实施例1中的方法评判环氧胶泥II是否满足抗流挂性的需求。

环氧胶泥II的配比为环氧树脂：无机填料＝1:1，无机填料由水泥组成。将原料均匀混合制备环氧胶泥测试试样。

采用中华人民共和国国家标准GB12007.5-89《环氧树脂密度的测定方法比重瓶法》测量获得环氧胶泥II的密度为1.9g/cm³。

将环氧胶泥II试样进行恒定剪切速率下的流变试验。流变仪采用博勒飞RST-SST流变仪，剪切速率γ设为1s^-1，剪切时间为100s。如图6所示，为获得的时间和黏度曲线，则此时环氧胶泥的黏度η＝4.3Pa·s。

对环氧胶泥II进行斜坡剪切速率下的流变试验。剪切速率从0s^-1增加到100s^-1，剪切时间为100s。如图7所示，根据剪切速率γ和剪切应力τ曲线，采用假塑性流体模型τ＝η'γⁿ进行拟合，获得此时环氧胶泥的幂律常数n＝0.89。

在试板上涂覆1mm厚度的环氧胶泥II试样，将试板垂直立放，通过秒表记录环氧胶泥II从开始流挂至停止流挂的时间t＝280s。

设定环氧胶泥II允许最大流挂长度s_max为0.1cm，设定单次涂覆环氧胶泥的厚度T＝0.01cm。将最大流挂长度s_max、密度ρ、幂律常数n、厚度T和流挂时间t代入中，g取9.8m/s²，求得环氧胶泥II在涂覆厚度T＝0.01cm的情况下不发生流挂的粘度η₀＝18.58Pa·s。

通过上述计算可知，η＜η₀，则判定环氧胶泥II不具备抗流挂性。

Claims (7)

1.一种基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，其特征在于：将流变参数代入到式I中，计算出环氧胶泥抗流挂所需的最低黏度；比较实测黏度η和计算黏度η₀，评价环氧胶泥的抗流挂性；所述流变参数包括密度ρ、幂律常数n、流挂时间t、最大流挂长度s_max和单次涂覆厚度T，

g为重力加速度，取9.8m/s²；

所述实测黏度η是将环氧胶泥样品进行恒定剪切速率下的流变试验，根据时间和黏度曲线，获得此时环氧胶泥的黏度η；

所述幂律常数n是将环氧胶泥样品进行斜坡剪切速率下的流变试验，根据剪切速率γ和剪切应力τ曲线，采用假塑性流体模型τ＝η′γⁿ进行拟合，获得此时环氧胶泥的幂律常数n。

2.根据权利要求1所述的基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，其特征在于：所述流挂时间t是将环氧胶泥样品涂覆在试板上，将试板垂直立放，通过秒表记录环氧胶泥从开始流挂至停止流挂的时间。

3.根据权利要求1所述的基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，其特征在于：若η≥η₀，则判定环氧胶泥具备抗流挂性；若η＜η₀，则判定环氧胶泥不具备抗流挂性。

4.根据权利要求1所述的基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，其特征在于：恒定剪切速率下的流变试验中流变仪采用软固体流变仪，恒定剪切速率设为1s^-1，剪切时间不小于60s。

5.根据权利要求1所述的基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，其特征在于：斜坡剪切速率下的流变试验中剪切速率从0s^-1增加到60s^-1～150s^-1，剪切时间为60s～150s。

6.根据权利要求2所述的基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，其特征在于：环氧胶泥属于假塑性流体。

7.根据权利要求1所述的基于流变参数的环氧胶泥防护涂层抗流挂评定方法，其特征在于：设定环氧胶泥允许最大流挂长度s_max为0.1cm。