耐候橋梁鋼室外掛片試驗研究

汪志甜，王倩

（1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

0 引言

美國FHWA統(tǒng)計涂裝費用為建造費用的7%，英國學者認為耐候鋼橋梁可以降低5%建造成本，日本學者統(tǒng)計涂裝費用占到了建設費用的5%～15%。涂裝不僅提高了建設成本，還提高了維護成本，而且對于某些橋梁而言，涂裝難度也需要考慮。耐候鋼，又稱耐大氣腐蝕鋼，含有少量Cu、P、Cr、Ni、Mo等合金元素，在大氣腐蝕條件下，其腐蝕產(chǎn)物和基體之間能夠形成一層致密、連續(xù)、合金元素Cu、Cr、P等富集的內(nèi)銹層。憑借該層銹的保護，該耐候鋼顯示出良好的耐大氣腐蝕性能。采用耐候鋼建造橋梁，可以降低鋼結(jié)構(gòu)橋梁服役過程中維修養(yǎng)護的要求，大大減少了維護直接費用、中斷交通間接費用，并延長使用壽命，同時能夠保護環(huán)境，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。

為研究耐候橋梁鋼在室外環(huán)境的腐蝕量和銹層的形成過程以及適用性，為耐候鋼橋梁設計提供指導，本文開展耐候橋梁鋼室外掛片試驗。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料選取8#普通碳鋼（Q345qD）、9#耐候鋼（Q345qDNH）兩種試樣。

將上述兩種試樣加工成40×50×5mm的試片，用砂紙進行倒邊后，逐級用水砂紙打磨到1000#，然后進行冷水沖洗→去離子水清洗→酒精清洗→吹干→置入干燥器中冷卻24h后進行試驗。每次處理以確保試樣表面無新形成的氧化層，表面狀態(tài)均勻一致。

1.2 試驗方法

室外掛片試驗在實驗室室外進行，采用掛片+澆水的方式進行。液體選用0.01mol/L的NaHSO3溶液和3.5%的NaCl溶液，每種鋼材制作20個試樣，15個澆NaHSO3溶液，5個澆NaCl溶液。失重分析時每次取3個試件計算腐蝕失重，于第1、2、4、6、8周共計五次失重分析。每天上午9點和下午4點均勻?qū)⒁后w撒在鋼材表面。

1.2.1 腐蝕試樣表面形貌觀察與分析

將不同試驗周期的各個試樣取回后，利用相機對腐蝕后試樣表面的宏觀形貌進行觀察拍照，對比不同腐蝕周期下試樣宏觀形貌的變化情況。

圖1 腐蝕試樣尺寸示意圖（單位：mm）

圖2 掛片示意圖

1.2.2 失重分析

各組試驗結(jié)束后，首先利用除銹液對其進行除銹，根據(jù)國標《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》（GB/T 16545-2015），選用除銹液對6種試驗鋼表面的腐蝕產(chǎn)物進行清洗。對于普通低合金碳鋼，除銹液的成分為500 mL鹽酸+500mL蒸餾水+3.5 g六次甲基四胺；除銹后用去離子水進行清洗，再置于乙醇溶液中浸泡，隨后取出吹干，置于干燥器中保存。放置24 h后利用分析天平進行稱量并記錄除銹后質(zhì)量G1。通過下面對失重進行計算：

W——失重量（g/cm）；

G——試樣原始重量（g）；

G——試樣腐蝕后重量（g）；

a、b、c——分別為試樣長度、寬度、厚度（mm）。

2 試驗結(jié)果

2.1 宏觀形貌觀察

經(jīng)過八周的試驗后，對每周的試樣進行取樣觀察，耐候鋼及碳鋼的銹層外觀在澆0.01mol/L的NaHSO3溶液時如圖3和圖4所示。如圖可以看出，隨著時間的延長，銹層從最初的淺黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗪谏S著時間的延長，銹層又逐漸由青黑色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t棕色。由于室外懸掛，打孔處遇到雨水天氣會有流銹以及斑點等產(chǎn)生。對加速8周后的試樣表面進行觀察，可以看到銹層比澆水8周時的更厚更致密，銹層表面呈現(xiàn)顆粒狀，宏觀狀態(tài)下試驗鋼和對比鋼的形貌無明顯區(qū)別。

圖3 耐候鋼銹層外觀（NaHSO3）

圖4 碳鋼銹層外觀（NaHSO3）

經(jīng)過三周的試驗后，對每周的試樣進行取樣觀察，耐候鋼及碳鋼的銹層外觀在澆3.5%的NaCl溶液時如圖5和圖6所示。如圖可以看出，隨著時間的延長，耐候鋼和碳鋼表面均發(fā)生了嚴重的局部腐蝕，形成了較深的腐蝕坑槽，表面發(fā)生了鱗片狀剝離，說明該種田園耐候鋼不適合在海洋大氣中使用，在使用除冰鹽時也要注意及時清除。

圖5 耐候鋼銹層外觀（N a C l）

圖6 碳鋼銹層外觀（NaCl）

2.2 腐蝕失重分析

下表是兩種試驗材料8周內(nèi)澆0.01mol/L的NaHSO3溶液的腐蝕失重結(jié)果，失重取一組3個平行式樣的平均值。圖7是兩組試樣腐蝕失重和腐蝕速率隨腐蝕時間的變化。

圖7 兩組試樣隨腐蝕時間的變化曲線

由圖7中的腐蝕失重一時間的關系曲線可以看到，腐蝕失重都隨著時間的延長而增加，其中耐候鋼的失重明顯低于普通低碳鋼；根據(jù)圖7中推導出的腐蝕速率隨時間的變化曲線可以看出，耐候鋼的腐蝕速率與低碳鋼都隨時間增加而下降，且明顯低于低碳鋼的腐蝕速率。后期耐候鋼腐蝕速率下降到相對穩(wěn)定，說明耐候鋼的銹層對基體有一定的保護作用，耐蝕性能較好。

不同試驗周期下腐蝕失重結(jié)果

3 結(jié)論

本實驗分別對普通碳鋼（Q345qD）和耐候鋼（Q345qDNH）在室外進行掛片試驗，采用掛片+澆水（液體選用0.01mol/L的NaHSO3溶液和3.5%的NaCl溶液）的方式觀察試驗試件8周，對試件宏觀形貌和失重進行分析，得到以下結(jié)論：

①耐候鋼的腐蝕速率與低碳鋼都隨時間增加而下降，且明顯低于低碳鋼的腐蝕速率。后期耐候鋼腐蝕速率下降到相對穩(wěn)定，說明耐候鋼的銹層對基體有一定的保護作用，耐蝕性能較好。

②在澆3.5%的NaCl溶液時，隨著時間的延長，耐候鋼和碳鋼表面均發(fā)生了嚴重的局部腐蝕，形成了較深的腐蝕坑槽，表面發(fā)生了鱗片狀剝離，說明該種田園耐候鋼不適合在海洋大氣中使用，在使用除冰鹽時也要注意及時清除。