外饰面涂层耐久性预测模型的建立与应用

尚建丽，王健

（西安建筑科技大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710055）

外饰面涂层耐久性预测模型的建立与应用

尚建丽*，王健

（西安建筑科技大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710055）

从涂料性能、环境条件、破坏特征等角度对涂层老化过程进行分析，根据服务寿命预测理论，运用数学方法，提出涂层耐久性预测的数学模型。并对2种建筑外墙涂层进行了试验研究。结果表明，该模型可以对建筑外墙涂层的服务年限进行较好的预测。

建筑涂料；外饰面涂层；耐久性；预测；数学模型

1 前言

涂料作为建筑外墙装饰主要形式之一，具有色彩丰富、装饰质感好、施工方便、经济效果好、维护方便、自重轻等优点。随着高层建筑的发展，应用建筑涂料体现装饰风格仍将成为建筑装饰的主流。然而，由于涂料本身的组成、性质差别，加之涂料基层处理是否得当、施工条件、外界环境条件等因素的影响，使得涂料在建筑外墙应用中出现了诸如涂层脱落、开裂，涂料变色等现象，严重影响了建筑装饰长期使用的效果。从既有建筑体系的角度来看，建筑外墙装饰涂料的使用寿命远小于建筑结构承载能力。为了尽量使外墙装饰与主体结构功能匹配，减少维护费用，达到节约资源的目的，建筑外墙涂层的耐久性研究随之提出，而建筑外墙涂层耐久性预测问题的研究则显得尤为重要。

2 建筑涂层耐久性预测方法

建筑涂层的耐久性是指涂层的使用年限，或为涂层的耐老化问题，可以定义为涂层对其使用环境条件所引起的破坏作用的抵抗能力。这个能力与涂料本身的性质、基层处理、施工条件、外界环境等方面有着密切的关系[1]。目前预测所采用的方法有：长期跟踪的方法、人工加速试验方法、天然曝晒试验方法等[2]。

长期跟踪的方法是指施工企业根据需要，首先建立一个样板房用于长期跟踪，并记录观测到的各项数据，然后进行分析对比，从而对涂层的耐久性做出预测。该方法的优点是外界条件与实际情况相符，所得到的数据比较真实可靠，对某些涂料的耐久性可以做出较为真实的预测。但是，这种方法需要很长的时间，不利于涂料产品的推广使用。人工加速试验方法是用人工的办法在室内或设备内，模拟近似于大气环境条件或者某种特定环境条件，并强化其某些因素的试验方法[3]。对于给定的涂料，由于实验室结果是可以重复的，为在短期内获得实验结果提供了基础。然而，实际使用中，不同的地域、不同时间的自然环境因素是变化的，不可能重复和重现，因此，绝对的关联性也是不存在的。天然曝晒实验虽然接近实际，但是由于地域分布的原因，其实验结果不能直接用于其他地方，而且试验时间太长，不能作为预测方法。基于上述情况，本文提出建立数学模型的方法对外墙涂层的耐久性进行预测。

3 耐久性预测模型的建立

3. 1 构建思路

对于一定的自然环境，通过设计合适的实验室实验环境参数，在一定的假设前提下，与实际情况建立一定的相关性，由此可进行相对准确的预测。其基本假设包括：一是尽量使加速环境与大气环境中涂层的失效机理保持相同；二是在大气环境下的物理性能下降率与加速环境条件下的下降率具有相关性。

外墙涂层耐久性数学模型的建立，必须考虑环境作用条件(包括温度、湿度、化学物质侵蚀)、材料破坏程度以及两者之间的关系。图1是模型建立的基本思路。即根据涂料设计寿命，可从最初的环境参数入手，建立一个环境模型和一个材料破坏模型；通过质量标准，在维护修复性能的总量和耐久性消耗的积累总量之间建立起一定的联系[4]，从而完成耐久性预测的任务。

图1 涂层耐久性预测模型的构建Figure 1 Establishment for durability forecast model of coating

实际上，如果在每一个时期内环境因素对涂层的破坏作用能通过破坏模型计算并得以量化，则将涂层材料的性能质量与服务周期要求相比较，当涂层质量符合标准，它就进入下一个时间周期。可见，这个模拟过程将会继续，直到设计寿命的终结。

但是，建立耐久性模型所面临的难点在于：环境(温度、湿度)、化学物质(浓度)的模拟和破环过程的模拟。有关材料表明[5]，涂层材料的退化与环境温度有关，即在很高的温度或者很低的温度下，涂层的破坏速率比中等温度时高；在同样的温度下，涂层材料又因周围介质的不同而不同，即在有化学侵蚀性物质和潮湿的环境下，恶化就会加速。与此同时，针对外墙涂层的耐久性而言，人们最关心的是它的服务性能，包括装饰功能和保护功能。由于随着时间的延长，涂层受到不同程度的侵蚀，出现开裂、剥落，或者受其他因素的影响，将导致服务性能的下降。在实际中，对外装饰涂层性能好坏的判断带有较多的主观性[6]，因而在建模过程中，涉及到涂层最低服务性能标准如何确定的问题。为此，在分析预测模型的基础上，拟从耐久年限角度建立预测模型。所谓耐久年限，即从涂层施工结束、一直到寿命终结所经历的时间，不考虑涂层的维修或者替换。

3. 2 模型建立

3. 2. 1 环境温度模型

自然界中大气温度的变化是随着时间的变化而变的，其变化规律可按简谐波作用考虑。当涂层涂覆在建筑外墙后，环境温度以下式的关系对其进行作用：

式中，T0为年平均温度，°C；t为时间，月；∆为季节变化幅度；δ为月份的随机差异；η ( t)为时间函数，在−0.5 ～ +0.5之间的随机数。

3. 2. 2 环境湿度模型

湿度的变化可因地域的不同而变化范围较大，南方地区的年湿度变化可随着温度、时间的不同而服从某一规律，北方地区尽管湿度较南方小，但也在某个范围变化。为缩小南、北地区湿度模型的差别，综合分析得出下面的湿度模型：

式中， θ0为年平均湿度，%；t为时间，月；∆为季节变化幅度；δ为月份的随机差异；η ( t)为时间函数，在−0.5 ～ +0.5之间的随机数。

3. 2. 3 环境介质模型

环境介质包括的种类较多，有二氧化碳、硫化物的气体、酸雨、粉尘等等，因此，以介质浓度作为侵蚀的依据而建立以下模型：

式中，c0为年平均侵蚀性化学物质浓度，%；t为时间，月；δ为月份的随机差异；η ( t)为时间函数，在−0.5 ～+0.5之间的随机数。

从上述模型中可看出，温度和湿度的变化都是以随机变量的规律而出现，反映了外界因素对涂层作用的复杂性，同时也说明，预测模型的准确度是相对的。

3. 2. 4 耐久性预测模型

建筑外墙涂层使用寿命的评判，首先在于确定上述环境模型与涂层破坏模型之间的内在关系，其次还要考虑设计寿命与已使用年限之间的关系。为此，可将涂层性能变化程度代入下式进行预测，即当考虑涂层性能劣化程度时，可按下列关系式进行耐久年限的预测：

式中，Y—预测耐久年限，年；S—设计使用寿命，年；N—已使用的年限，年；X—涂层性能劣化程度。

表1 涂层性能劣化程度的确定Table 1 Determination of coating performance deterioration degree

预测公式(4)的建立主要考虑了环境温度、湿度和环境介质的浓度对设计使用寿命的影响，而它们的综合影响作用使得涂层的使用寿命达不到设计要求。一般而言，温度作用对涂层的影响最大，其次是湿度和环境介质的影响。因此，它们对设计寿命的削弱作用分别以不同的数学形式表述出来。另外，考虑不同的涂料品种，除了设计寿命不相同以外，当使用了数年以后，它们的涂层反射率下降幅度也不会相同。故劣化程度等级用X来定量化。综合考虑上述因素，最终确定涂层耐久年限的预测公式。

4 涂层耐久性预测模型的应用

为了更好地验证涂层耐久性预测模型(4)的实用性，以西安地区为例，通过对西安地区环境温度以及环境湿度的测试，取得了某一时间段的数据参数。

4. 1 环境温度的测试

试验采用 DE-3007型数字式温度计(广州泰纳电子科技有限公司)自动记录室外温度变化，测试温度如图2所示。

图2 2008年西安地区月平均温度变化曲线Figure 2 Variation curve of monthly average temperature of Xi’an region in 2008

4. 2 环境湿度的测试

在测试温度的同时，对该地区的湿度也进行了测试，结果如图3所示。

1.1 一般资料 选取2016年2月到2017年12月于本院诊治的AF患者194例为观察对象。AF诊断以2011版《老年人心房颤动诊治中国专家建议》为依据。其中男102例(52.57%)，女93例(47.93%)；年龄52.0～79.0岁，平均(65.10±5.85)岁。体质量指数(BMI)为(29.45±3.86)kg/m2。收缩压为(142.01±1.98)mm Hg。本研究经本院医学伦理委员会批准。

图3 2008年西安地区月平均湿度变化曲线Figure 3 Variation curve of monthly average humidity of Xi’an region in 2008

4. 3 环境介质的测试

依据西安地区环保部门对大气成分的分析与检测可知，二氧化碳、硫化物的气体、酸雨、粉尘浓度在某一范围波动，大致为0.2% ～ 0.4%。

4. 4 涂层性能变化测试

实验中，测试两栋既有建筑物外墙涂层的光泽度，它们的外观照片如图4所示。

图4 2种验证试验用建筑物涂层照片Figure 4 Photos of two kinds of building coatings used to validation test

用WGG60型光泽度测试仪(东莞市九星电子科技有限公司)测得它们的光泽度值为5 ～ 7之间。从图4可以看出，其表面已出现变色、裂纹、剥落等老化现象，属于严重老化范围，故取X = 1.1。从建设单位查知，涂层1(图4a)的S = 12 a，N = 8 a；涂层2(图4b)的S = 15 a，N = 9 a。从所测数据中进行指标量化的提取，可知其环境模拟的量化指标如下。

温度数据：T0= 13.6 °C，∆T = 2 °C，δT = 2 °C。

湿度数据： θ0= 69%，∆θ = 5%，δθ = 1%。

环境介质数据：c0= 0.3%，δc = 0.1%，取η ( t)= 0.5。

涂层性能量化指标：X = 1.1。

考虑到在模型中温度的变化对涂层耐久性影响最大，因此在模拟中采用最恶劣的条件：T( t)max= 16.6 °C，θ( t)max= 0.745， c( t)= 0.35%，η ( t)= 0.5。两种涂层的预测耐久年限计算如下(其中Y1代表涂层1，Y2代表涂层2)：

从计算结果可以看出，2种涂层的预测耐久年限达不到设计使用年限。因此，可以根据上述的计算方法来确定涂层需要维护更换的最佳时间。

本文以设计使用寿命分别为10年和15年的A、B两种涂料为例，在没有考虑涂层的维护或者替换的情况下，将上述数据代入模型，按公式(4)计算，取X = 1.0，以西安地区的环境数据为例，即 T( t)max=16.6 °C，θ( t)max= 0.745， c( t)= 0.35%，η ( t)= 0.5。所得结果如表2和表3所示。

表2 设计寿命为10年的涂层其耐久年限与实际使用寿命的关系Table 2 Relationship between the durability time and practical service life for the coating with a designed service life of 10 years

表3 设计寿命为15年的涂层其耐久年限与实际使用寿命的关系Table 3 Relationship between durability time and practical service life for the coating with a designed service life of 15 years

从表2和表3中的计算结果可以看出，涂层在涂饰后的1 ～ 2年中，性能下降速率较快，但在随后的时间里，性能变化较为均匀。说明涂层中的化学成分在各种因素的综合影响下，在涂层服役初期变化速率较大，中后期变化速率变缓。

5 结论

在模拟环境中，在温度、湿度和化学侵蚀性介质等因素定量的情况下，可以借助于数学模型来预测涂层的耐久性年限。它为研究既有建筑涂层耐久性问题提供了一个思路。在综合考虑涂层本身性能及各种影响因素的条件下，可以借助计算机来构建复杂的模型，进而解决实际问题。

通过建立数学模型的途径对涂层的耐久性进行预测，是一个有待发展的前沿课题。尽管目前处于探索阶段，但是，随着建筑体系耐久性预测方法的不断完善，随着相关检测手段的不断改进，在预测模型基础上，通过加大涂料性能对使用寿命影响规律的研究，采用综合评定与模型预测相结合的方法，使建筑外墙涂层耐久性检测和评定真正能够用于指导实际工程，达到节约资源、减少维修和延长寿命的目的。

[1] 林宣益. 建筑涂料耐久性之我见[J]. 化学建材, 1999, 15 (3): 5-6.

[2] 黄莹, 叶亮, 杨卓如. 外墙涂料的耐候性研究[J]. 合成材料老化与应用, 2002, 31 (1): 32-36.

[3] 杜君俐, 李华明. 涂料的老化及试验[J]. 现代涂料与涂装, 2008, 11 (4): 38-42.

[4] HJELMSTAD K D, LANGE D A, PARSONS I D, et al. Mathematical model for durability of cladding [J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 1996, 8 (3): 172-174.

[5] WOOD K A, CYPCAR C, HEDHLI L. Predicting the exterior durability of new fluoropolymer coatings [J]. Journal of Fluorine Chemistry, 2000, 104 (1): 63-71.

[6] JOHNSON B W, MCINTYRE R. Analysis of test methods for UV durability predictions of polymer coatings [J]. Progress in Organic Coatings, 1996, 27 (1/4): 95-106.

[ 编辑：韦凤仙 ]

Establishment and application of durability forecast model to exterior decorative coating //

SHANG Jian-li*, WANG Jian

The coating aging process can be analyzed from coating performance, environmental conditions, and coating damage characteristics. Based on service life prediction theories and mathematical methods, a mathematical model of coating durability prediction was put forward. Two kinds of common construction exterior coatings were studied. The results indicated that the model can be used to better forecast the service life of building's exterior coating.

construction coating; exterior decorative coating; durability; forecast; mathematical model

School of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China

TU56.62

A

1004 – 227X (2010) 03 – 0070 – 04

2009–12–01

2009–12–25

“十一五”国家科技支撑计划重大项目（2006BAJ03A00）；陕西省重点学科建设专项资金资助项目。

尚建丽（1957–），女，河南人，博士，教授，主要从事环保型建筑材料及高强高性能混凝土研究。

作者联系方式：(E-mail) shangjianli@xauat.edu.cn。