橋梁耐候鋼銹層穩定性評價試驗研究

張國學，樊世強，劉 延，翟曉亮，宋松林

（1.西安德信北路建設工程有限公司，陜西 西安 710000；2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710000）

耐大氣腐蝕鋼，又稱耐候鋼，是通過在普通鋼中添加一定量的合金元素制成的一種低合金鋼，主要合金成分為Cu、P、Cr、Ni 等元素。耐候鋼較普碳鋼有良好的抗大氣腐蝕能力，其中合金元素起到了決定性作用[1]。

近20 年來，人們就耐候鋼的腐蝕性能等進行了大量的大氣曝曬，干濕循環等試驗研究，大量的數據表明，耐候鋼的抗蝕性能、失效機制以及腐蝕產物的組成受多種因素的影響，如合金元素的比例和組成，環境氣候因素，相對濕度變化，大氣組成等[2]。工業大氣中，含有碳的氧化物，硫化物，煤煙，粉塵等，尤其是SO2，CL-，CO2等物質會加速鋼材的腐蝕[3]。本文主要采用大氣曝曬結合干濕浸潤的方法研究耐候鋼在西安地區溫帶大陸性季風氣候工業大氣條件下的腐蝕行為，對該條件下耐候鋼致密層形成較較為穩定、快速的方法進行論證的過程。

1 試驗概況

試驗用耐候鋼為Q345qNH橋梁用鋼，其化學成分見表1（符合ISO 9226-2012標準）[4]。鋼試樣厚度為12mm。試驗分為兩個部分：大氣曝曬試驗和干濕循環試驗。表2為西安地區氣象主要特征。

表1 Q345qDNH 鋼化學元素表

表2 西安地區氣象主要參數

試驗方法：

（1）大氣曝曬試驗：大氣暴曬試驗在西安市未央區（處溫帶大陸性季風大氣環境）進行，暴曬試樣與水平方向垂直，分為面朝南組和面朝東組。按照GB/T14165—2008 標準制備暴曬試樣（尺寸：200mm×70mm），表面全部除銹，除銹等級為ST3。表面全部經過脫脂—無水乙醇處理。每個暴曬周期取3 塊平行樣，其中2 塊用于腐蝕失重和測厚分析，一塊用于銹層分析。試驗周期分別為3、4、5、6 個月。

（2）干濕循環試驗：干濕循環試驗分為三組，第一組為灑水養銹試驗，第二組為鹽酸加速銹蝕試驗，第三組為硫酸加速銹蝕試驗。三組鋼板規格均采用200*70*12mm，表面除銹磨光，除銹等級為ST3。每組試驗設置三塊鋼板作為平行試件，三組試驗在試驗前用無水乙醇脫水，除油，置于干燥容器內稱重，用電子天平稱重。第一組試樣，曝曬在大氣中，并每天分別灑水10ML、8ML、6ML、4ML。每七天為一個循環，完成后用無水乙醇和去離子水清除表面雜物，同時用未腐蝕試件來校正除銹液對基體的腐蝕量，分別稱重，取平均值作為最終結果，每周腐蝕速率按公式計算。第二組試樣，曝曬在大氣中，并每天分別噴4*10-4mol/L 的鹽酸溶液8ML、6ML。每七天為一個循環，完成后用無水乙醇和去離子水清除表面雜物，同時用未腐蝕試件來校正除銹液對基體的腐蝕量，分別稱重，取平均值作為最終結果。第三組試樣，曝曬在大氣中，并每天分別噴1.72*10-2mol/L 的硫酸溶液8ML、6ML。每七天為一個循環，完成后用無水乙醇和去離子水清除表面雜物，同時用未腐蝕試件來校正除銹液對基體的腐蝕量，分別稱重，取平均值作為最終結果。以上實驗數據按照順序記錄在數據表格，根據數據計算出每塊板的腐蝕速率和同一組鋼板的平均腐蝕速率，畫出腐蝕速率折線圖。

表2 中給出的灑水養銹試件的主要參數，化學加速養銹與灑水養銹使用的試件完全相同。將以上數據分別記錄，整理數據，分別計算出腐蝕速率，繪制銹層腐蝕變化曲線圖。

2 試驗結果分析

2.1 大氣曝曬試驗結果

根據試驗記錄結果，整理試驗數據如下。

圖1 大氣曝曬試驗面向南北的表面銹層結果

圖2 大氣曝曬試驗面向東西的表面銹層結果

大氣曝曬試驗組在相同大氣環境下的表面銹層狀況記錄卡：

圖3 面朝南北

圖4 面朝東西

大氣曝曬實驗組在相同大氣環境下的增重曲線腐蝕動力學。

碳鋼與耐候鋼的腐蝕動力學可用腐蝕速率來表征，其腐蝕速率曲線如圖1所示，根據GB/T 19292.4—2003，腐蝕速率按式計算：

式中：Y 為腐蝕厚度，單位：mm；X 為腐蝕時間，單位：年；ASMA為第一年腐蝕厚度，單位：mm；a：表示時間，以年為單位。

BSMA 為相對環境因素和鋼材合金成分相關的系數。

數據分析：

（1）根據圖1、圖2 試驗結果看出，試驗面面朝南北時，光照充足，通風良好，表面銹層生長速度慢，銹層更加致密。分析原因，由于受陽光照射時間更長，耐候鋼在潮濕的環境下銹層生長更快，而且不均勻。

（2）根據圖3、圖4 試驗結果得出，試驗面面朝東西時，銹層深度比較深，腐蝕速率大。分析原因，由于潮濕的表面有利于鐵銹進一步腐蝕基體。

2.2 干濕循環試驗結果

圖5 灑水組

圖6 鹽酸組

圖7 硫酸組

干濕循環組在相同環境下的銹層表面狀況記錄卡：

圖8 灑水組

圖9 硫酸組

圖10 鹽酸組

干濕循環組在相同環境下的失重曲線。

數據分析：

（1）根據圖5～圖7 試驗結果看出，在不同表面處理工藝的條件下，試驗結果各不相同，鹽酸組銹層更加均勻，表面穩定，硫酸組次之，灑水組最后。

（2）根據圖8～圖10 試驗結果得出，三組中腐蝕速率前期硫酸組最快，鹽酸次之，灑水組最后。在經過432 個小時后，硫酸組和鹽酸組腐蝕速率趨于穩定。

3 結論

（1）噴灑硫酸溶液的耐候鋼初期腐蝕速率最快，鋼板表面致密層最早穩定。（2）硫酸根離子作用下的耐候鋼增重效果要比氯離子作用下的增重明顯，硫酸根離子的作用效果更大。（3）本實驗工藝下噴灑鹽酸或者硫酸的耐候鋼都能夠滿足短期形成致密銹層的要求。（4）大氣曝曬條件和周期水浸潤條件下的耐候鋼短期致密層不能形成致密銹層。（5）兩種化學試劑各自作用下的耐候鋼增重呈現出先快后慢的表象規律，波峰出現的時間在6 個月之后。（6）溫度和濕度對致密層的形成影響非常大，溫差越大，濕度越大，形成的致密層越粗糙，不穩定。（7）化學試劑的濃度對銹層生成快慢有關系，本實驗證明按照上述濃度進行實驗，銹層穩定時期在6 個月左右。