高鐵站區鋼結構銹蝕的研究及解決方案

魏偉

摘要：鋼結構因其輕質高強、施工簡便等優點，被廣泛用于高鐵建設中。尤其是在新建成的高鐵站區，鋼結構占據了很大的比重。鋼結構的耐腐蝕性差，導致其容易產生銹蝕。根據銹蝕發生的部位、程度產生鋼結構承載能力降低，混凝土膨脹破壞等嚴重后果。本論述為了應對高鐵站區不同種類鋼結構銹蝕的問題，通過逐類分析高鐵站區普通鋼結構銹蝕、鋼筋混凝土銹蝕、雜散電流腐蝕、鋼結構涂層的危害，分別給出相應的解決方案，以便在實際工作中起到參考的作用。

關鍵詞：高鐵;車站;鋼結構;銹蝕

中圖分類號：U292文獻標志碼：A

1概述

隨著我國高鐵的不斷發展，高鐵“八縱八橫”網絡的快速貫通。而高鐵站區的快速建設，離不開鋼結構的大量使用。因鋼結構具有結構可靠性高、自重較輕、抗震抗沖擊性好、施工簡便、裝配快速等優越性，新建站房的雨棚、橫梁、支柱等，大量采用鋼結構設計。然而，鋼材料銹蝕會嚴重影響鋼材料的力學性能，導致房建設備安全隱患的同時，還會隨著時間的推移而愈發嚴重。

2銹蝕原因

2.1鋼結構的銹蝕

普通鋼結構銹蝕，主要分為化學腐蝕（干銹蝕）和電化學腐蝕（濕銹蝕）兩種。

化學腐蝕（干銹蝕），指鋼結構在日常工作中在氧化性介質接觸（如：空氣、氧、水蒸氣、二氧化硫、氯等）成疏松氧化物的銹蝕。這種銹蝕在干燥條件下發生較緩慢，在高溫高濕以及干濕交替情況下發生尤為迅速。電化學腐蝕（濕銹蝕）指鋼結構表面與電解質溶液接觸后產生電子轉移的原電池反應。鋼材在潮濕環境下與周圍的雜質發生原電池反應，導致鐵銹的產生。電化學腐蝕的發展速度會隨著腐蝕的嚴重性變大而變快。

高鐵站區的鋼結構建筑物在日常工作運維中，經常處于高溫高濕等不良工作環境，加劇了鋼材的銹蝕可能。其中，最普遍發生銹蝕是電化學腐蝕。

對于電化學腐蝕的原電池反應，陽極區表現為氧化反應：

（1）

陰極區，則表現為還原反應：

（2）

游離的2Fe2+和OH-結合生成了 Fe（OH）2絮狀物，再經過空氣中氧氣的氧化，會形成處（0丑）3沉淀。所以電化學腐蝕的總反應方程式如下所示。

（3）

這種化學反應常常發生在裸露、高溫高濕、油漆破損的鋼結構上。同時由于鐵銹的積存，使空氣中的水更容易聚集，導致電化學腐蝕的發展速度會隨著銹蝕嚴重性的變大而變快。并且，腐蝕嚴重處不僅會影響該處的強度，還會造成應力集中，這又會加速鋼結構的破壞。

2.2鋼筋混凝土銹蝕

高鐵站區大量使用鋼筋混凝構件。鋼筋混凝土構件是在混凝土中添加鋼筋等材料來改善混凝土性能的構件，具有廣泛的優點。因承載荷載等原因，鋼筋混凝土構件也被廣泛運用在了高鐵站房之中。鋼筋銹蝕危害主要體現在，銹蝕產物降低了鋼筋與混凝土的粘接力和銹蝕對鋼筋的強度產生影響等，體積增大至原來的2至6倍。鋼筋的陽極區，也會因銹蝕而產生膨脹疏松的鐵銹。嚴重情況下，會使得主體鋼筋受到機械性擠壓而斷裂。并且，這種腐蝕是難以及時發現并維護的。

鋼筋混凝土銹蝕原因主要有。

（1）混凝土開裂。作業不規范、凍融循環會等導致混凝土開裂，甚至鋼筋裸露銹蝕。混凝土受凍融的影響，毛細孔中的水會結冰，產生膨脹應力和滲透壓力，造成凍融破壞，使混凝土開裂。隨著混凝土內部微裂縫的擴大，混凝土往往會松動剝落，鋼筋受到空氣和水的影響，產生銹蝕。

（2）碳化作用。二氧化碳水泥中的堿Ca（OZ/）2反應生成CaCO，，從而導致鋼筋所處環境pH值變小，嚴重影響鋼筋混凝土結構的力學性能和耐久性能。當 pH值小于11時，鋼筋就不再處于惰性狀態O使鋼筋更容易銹蝕。

（3）氯化作用。在鹽堿地或者采用撒鹽融冰的地區，往往會發生Cl～滲透進入混凝土引起的鋼筋銹蝕破壞。其中的化學反應原理與電化學腐蝕類似。

（4）堿集料反應。指的是混凝土中的堿和集料發生的破壞性膨脹反應。它的反應分為堿和硅酸鹽的反應與堿和碳酸鹽的反應：

2Na2O + SiO2= Na20- SiO2+H2O（4）

CaMg（CO^）2+ 2NaOH = Mg（OH）2+ CaCO3+ Na2CO3

（5）鋼筋發生銹蝕后，疏松氧化物與混凝土間失去機械咬合作用從而影響粘結性能。當銹蝕逐漸嚴重，氧化物會產生向外膨脹力，最終導致結構破壞、混凝土開裂、鋼筋裸露。并且，鋼筋銹蝕會引起鋼筋強度降低，影響建筑物安全性。

2.3雜散電流腐蝕

電氣化高鐵線路，電壓高達27.5 kV，線路周邊的金屬常常是微弱帶線狀態，這就易造成雜散電流腐蝕。這種腐蝕類似于電化學腐蝕，原理也類似。電流在金屬中流動一段距離后離開回到大地中，在離開點的腐蝕就是雜散電流腐蝕。所以高鐵沿線的鋼結構、設備金屬外殼、地下金屬管線等是受雜散電流腐蝕影響的。并且雜散電流的腐蝕速度相較于自然腐蝕要快的多，其危害也是不容忽視的。

雜散電流也會影響到鋼筋混凝土的耐久性。主要是：雜散電流降低混凝土對氯離子的物理吸附;降低鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度和加速氯離子向混凝土內部遷移導致混凝土保護層提前開裂等。

由于管道多區段與電氣化鐵路并行或者跨越，高鐵站區受到雜散電流腐蝕的危害正在逐步擴大。資料顯示，南京段高鐵與油氣長疏管道的并行長度達8 km。而且南京站至鎮江站之間有82.73 km的管道陰極保護系統無法達到穩定保護效果，且管道對地電位波動幅度較大。所以，雜散電流也是亟待解決的銹蝕問題。

2.4鋼結構涂層的失效

高鐵站區不少雨棚柱會出現油漆涂層褪色，變色，龜裂，粉化和強度下降等問題。是由于涂層的耐候性明顯不足、結合強度不足和施工缺陷導致的。

涂層耐候性是指涂料抵抗室外的氣候的考驗的耐受能力，如光照、冷熱、風雨造成的破壞等。涂層耐候性是涂層本身的性能屬性，涂層的老化，可使得吸水率、孔隙率明顯增加，使受保護的結構更容易銹蝕。

涂層結合強度，不僅指涂層與受保護的鋼結構表層結合不牢固，還指的是不同涂層之間的相容性不好。涂層與受保護的鋼結構表層結合不牢固，主要受：鋼結構表明潔凈程度、應力狀態、粗糙度等因素的影響。

施工缺陷，指的是在涂層施工過程中存在著的施工問題、成膜缺陷等引起的缺陷。比如基材處理不徹底，施工氣溫過高或過低，環境濕度高大，在硫化物、氮化物、粉塵等污染物等影響涂層施工的問題。不良的涂裝會導致涂層的附著力、涂膜性能下降，造成涂層過早地失效。在高鐵雨棚柱上，焊縫處的涂層比鋼結構其他表面更加薄弱。原因是焊縫的粗大輪廓使得涂層厚度不夠，導致涂層易受到破壞。

3防治方法

3.1對于鋼結構銹蝕

為了阻止普通銹蝕的化學反應發生，較為經濟的方法是采用覆蓋法。覆蓋法是在鋼結構表面覆蓋一層保護膜，從而有效減輕鋼結構的銹蝕。

覆蓋物的選用，一般為耐銹蝕金屬或者非金屬材料。前者通常選擇電鍍或者噴鍍的方法，在鋼結構表層鍍上一層鋅、銅、倍、鐐等材料來提高抗銹蝕能力。后者最常見的方法是噴涂表面油漆。應用時一般為兩道底漆（或者一道底漆和一道中間漆）與兩道面漆，要求較高時，可以增加一道中間漆或者面漆。并且面漆常采用灰鉛漆、醇酸磁漆和酚醛磁漆。底漆往往采用云母氧化鐵底漆、鐵紅環氧底漆、紅丹防銹底漆和環氧富鋅漆。

通過覆蓋的方法，可以將鋼結構與周圍不利環境隔離，從而起到預防銹蝕的作用。同時，根據工地地區環境、氣候、水文等條件，合理的選用加入了餡、鐐、錫、鈦、銅等合金元素的合金鋼，使鋼材更加耐腐蝕。

同時，建議從設計源頭上采用耐候鋼結構，通過提高鋼結構自身的耐腐蝕性來抵御環境中的不良因素侵害。

3.2對于鋼筋混凝土銹蝕

對于鋼筋混凝土銹蝕的預防，主要防范鋼筋混凝土凍融裂痕、發生碳化作用、氯化作用、堿集料反應。主要解決兩個方面：混凝土層裂痕的防治和混凝土材料的控制。

在混凝土層裂痕的防治上，要嚴重施工質量，保證混凝土密實度，均勻振搗，嚴格控制振搗時間、控制水灰比等。同時，為了控制混凝土孔隙結構、水飽和程度，控制混凝土的水灰比和含氣量。由于水灰比較小的試塊經歷相同次數的凍融循環后，質量損失較小，抗壓強度損失率較少。所以，在相同的條件下，水灰比較小的試塊抗凍性要更好。

為了防治碳化和氯化作用，除了適當減小水灰比外，往往采用涂料封閉，或者鑿除碳化層，并采用高強砂漿或采用高強混凝土等方式。設計方面，可適當增加保護層厚度。選材方面，應盡量提高混凝土自身對鋼筋的保護能力及鋼筋本身的抗銹能力，控制混凝土拌合物中的氯鹽含量等。

對于堿集料反應的防治，往往采用低堿水泥和非活性骨料的方法。

3.3對于雜散電流腐蝕

雜散電流腐蝕是電化學銹蝕，根據雜散電流的研究可以將防治方法分成電流防護和陰極保護等方法。

（1）電流防護。控制電流泄露的途徑，減小雜散電流流入高鐵沿線鋼結構，使用高阻抗混凝土等。這是解決雜散電流腐蝕的根本方法，但是由于各種條件的限制以及技術問題，難以做到完全屏蔽電流流入。因此，在高鐵沿線可以采用排流的方式，將管道中流動的干擾電流，人為使之直接回流到鐵軌或回歸線，返回整流器。

（2）陰極保護。根據原電池原理，將還原性較強的金屬作為保護極，與被保護金屬相連，構成原電池。常見的方法就是在鋼結構上連接一塊較鋼鐵更為活潑的金屬板，如鋅板等。因為鋅板的電位比鋼鐵低，所以鋼鐵結構作為陰極可以受到保護。此種方法常常用在不容易采用覆蓋法的地方，如地下管道等。

（3）提高鋼筋混凝土抗雜散電流的能力。一方面是添加適當的摻合料，摻入礦物摻合料能改善混凝土的孔結構，提高密實度，增大混凝土的電阻。另一方面，為了防治雜散電流腐蝕，建議前期著手準備，不僅從供電距離，變電所位置考慮，還應合理敷設排流系統并加以監測。通過各方的積極配合，減少雜散電流的危害。

3.4對于鋼結構涂層的失效

要提高涂層耐久，就要選擇具有足夠的耐候性、抗老化的面漆等方法。要增強涂層的結合強度，就要選擇性能較好的底漆，鋼結構在表面預處理后，絕對不能有油脂、銹跡、塵土、水分等。

除了涂層耐久、結合力不足等問題，在涂料進場時，加強對于其質量的檢測。在施工中更重要的是減少施工中的缺陷產生，防止涂膜不連續、針孔、液泡、厚度不均等。控制好接觸面的粗糙程度，適當的粗糙度有利于提高涂層的附著力。利用好天氣進行涂層施工，灰塵天氣、雨天、霧天、下雪天、落雹天氣均不宜施工。溫度最佳為10乞～30乞，空氣相對濕度W70%。施工后，可對漆膜的厚度進行監測，確保油漆面滿足設計厚度要求。

高鐵站區所在的地區往往晝夜溫差大，夜間“天窗修”施工期間往往會發生“結露”。而發生“結露”的溫度，會在水汽含量、氣壓不變的情況下，隨著溫度下降而升高。導致的了上半夜施工的油漆狀況良好，而下半夜油漆更容易剝落的問題。

由于紫外線、高低溫循環等會使得涂層老化，附著力下降等，因此，適時打磨老涂層，噴涂新涂層也是鋼結構銹蝕防護中不可或缺的一環。

4結束語

新建成的高鐵站由大量的鋼結構構成，桁架構件、雨棚屋面等鋼結構受力部件更易受到銹蝕的侵害。這不僅會造成的承載力損失，更可能對鋼結構的穩定性造成影響，所以高鐵站區的運維中，銹蝕的防治刻不容緩。

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