钢桥的腐蚀及其防护措施探析

钢桥的腐蚀及其防护措施探析这学期我们学习了钢桥这门课程，通过这一学期的学习，让我对钢桥这一桥型有了比较全面的了解，将对我毕业后参加工作产生重要的作用。由于材质的原因，钢桥在具有一些混凝土梁桥没有的特性的同时，其防腐性能却不如混凝土梁桥，所以钢桥的防腐问题一直都是很值得研究的问题。

钢桥具有强度高、韧性好、制作方便、施工速度快、适用范围广等一系列优点,已广泛应用于铁路、公路及人行天桥。由于钢桥长期暴露在自然环境中,同时承受着交变载荷,钢结构会受到环境介质的腐蚀,特别是在一些环境质量恶劣的地区,往往会造成钢结构桥梁的严重腐蚀,影响桥梁的结构安全性及使用寿命;因此钢桥的腐蚀与防护问题,历来是桥梁工程领域重要的研究课题之一。

1 钢结构桥梁的腐蚀机理及主要类型

1.1 腐蚀机理

桥梁钢结构在常温下的腐蚀,主要是由于受空气中的水分和其他污染物的化学、电化学的作用而引起的腐蚀。腐蚀过程在钢铁表面极薄的一层水膜下进行,当水膜溶入大气中的气体(如O2 , CO2 , SO2 , H2 S等) 、盐类、尘土及其他污染物,再加上生产制造、运输及使用过程中人为污染,提高了水膜的导电性而促进腐蚀过程加速,当金属表面形成连续的电解液层时,便形成电化学腐蚀过程。整个过程金属都是作为阳极发生氧化反应而遭受到腐蚀,主要由以下三个环节组成:①在阳极铁失去电子变成金属离子进入溶液, Fe22eFe2 + ; ②电子由阳极流向阴极; ③在阴极流来的电子被溶液中能吸收电子的物质接受生成还原物质(2H+ + 2e - H2 , O2 + 2H2O + 4e - 4OH- ) 。三个环节中进行最慢的一个环节将决定整个腐蚀过程的速度[1 ] 。在钢结构表面生成氢氧化亚铁薄膜,再与水、氧结合生成氢氧化铁,即铁锈。铁锈具有吸湿性,能吸收大量水分,致使锈层体积膨胀,形成疏松结构,使腐蚀继续扩展到内部。循环不停地进行,使腐蚀加剧。

1.2 腐蚀类型

1.2.1 均匀腐蚀

均匀腐蚀是相对局部腐蚀而言,是指在整个表面上发生均匀减薄的腐蚀。均匀腐蚀是最常见的腐蚀形态,主要特征是腐蚀分布于整个金属表面,以相同的速度使金属整体厚度减薄。均匀腐蚀虽然造成大量金属损失,由于腐蚀速度均匀,可以容易地进行预测和防护,只要进行严格的工程设计和采取合理的防腐蚀措施,钢结构一般不会发生突然性的腐蚀事故。

1.2.2 点蚀

点蚀又称小孔腐蚀,其特征是在金属表面的局部地区,由于金属的选择性腐蚀出现向纵深处发展的腐蚀小孔而其余地区不腐蚀或腐蚀很轻微。点蚀的产生一般是由于C1 - 吸附在金属表面膜中某些缺陷处引起的,碳钢在含有Cl - 等活性阴离子的水中会发生点蚀。如1995 年广东某斜拉桥拉索断裂,主要就是由于Cl -点蚀造成的。

1.2.3 缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是当金属部件在介质中,由于金属与金属、金属与非金属之间相连接时表面存在缝隙,使缝隙内介质处于滞留状态,引起缝隙内金属的加速腐蚀,主要发生在金属铆接、螺栓连接、螺钉接头、非金属材料的法兰垫圈与金属材料间等部位。

1.2.4 应力腐蚀

应力腐蚀是金属材料在固定拉应力和特定介质的共同作用下所引起的腐蚀破裂。由于钢结构既要承受拉伸、压缩、弯曲和扭转等各种应力的作用,又要受到腐蚀介质的作用,所以其采用的低碳钢、低合金钢、高强钢等在水介质、CO2CO2 ,H2O 中极易发生应力腐蚀。在腐蚀环境中,钢结构受力作用会使腐蚀加速,即在某一特定的介质中,钢结构在不受应力作用时腐蚀

甚微,但是受到拉应力后,则引起钢材冷脆性能下降,经过一段时间构件会发生突然断裂。由于这种应力腐蚀断裂事先没有明显的征兆,因此容易造成灾难性的事故。

1.2.5 疲劳腐蚀

金属材料在交变应力与腐蚀介质共同作用下产生的腐蚀,称为腐蚀疲劳。腐蚀疲劳是不易被人们察觉而危害性甚大的腐蚀破坏形式之一,腐蚀过程中,交变应力和腐蚀相互促进,加速裂纹的扩展。

2. 影响钢结构桥梁腐蚀的主要因素

从腐蚀机理看,钢结构桥梁的腐蚀与湿度、温度以及有害介质等环境因素有关,同时金属自身的组成也影响着钢结构在使用过程中的腐蚀进程。实践表明,钢结构桥梁的腐蚀也与桥梁结构和施工工艺有关。

2.1 大气环境因素的影响

1) 大气相对湿度。当空气的相对湿度在60 %以下,钢铁表面没有足够的水分形成水膜,钢铁的腐蚀是很轻微的。即使是潮湿的气体环境里在相对湿度较低的情况下腐蚀的速度依然很慢,只有当大气的相对湿度达到临界湿度时,由于水膜的形成,其腐蚀速度会快速增加,即使空气中只含有少量的侵蚀性介质,腐蚀影响也很大。

2) 环境温度。环境温度影响金属表面水蒸气的凝聚及腐蚀气体和盐类的溶解度、水膜的电阻等,从而影响钢材的腐蚀。

3) 大气中的有害气体。在工业区大气中CO2 ,SO2 ,H2S ,NO2 ,NH3 ,Cl2 等气体含量增加,特别是SO2氧化成SO3 后与H2O 作用形成H2 SO4 ,对于不耐稀硫酸的铁锌等构件腐蚀更为严重。

4) 大气中的尘埃。空气污染严重的环境,大气中会含有碳、碳化物、硫酸盐及其他盐类微粒,这些微粒部分溶于水膜,提高导电和酸度。同时在金属表面具有毛细管凝聚作用,凝聚水分而造成腐蚀条件,如吸附的SO2 与水气冷凝后形成腐蚀性酸性溶液。

2.2 金属材料自身的内在因素影响

钢结构使用的钢材都不是纯铁,比如碳钢中的渗碳体(Fe3C) ,它们的电极电位比金属本身的要正,则在大气环境中金属成为腐蚀电池的阳极而极易遭受破坏,另外晶间成分的差异也会导致的晶间腐蚀等。

2.3 桥梁钢结构的影响

钢结构桥梁大部为拴焊结构,板与板之间存在着大小不同的缝隙。缝隙间距在01025～011 mm内是缝隙腐蚀的敏感区间,发生缝隙腐蚀时,缝隙内部一般出现加速腐蚀,而缝隙外部腐蚀较轻,由于缝内贫氧,形成缝内外氧浓差电池。缝内为阳极,且发生酸的自催化过程,因此造成缝内的加速腐蚀,腐蚀产生的体积膨胀,堆积在缝隙处使缝间距不断扩大,导致螺栓及缀板等出现锈胀变形现象在钢梁的角梢阴暗处,由于水、尘土和垃圾堆积,这些部位上部富氧,下部贫氧形成犷氧浓差电池,致使钢板发生腐蚀生锈。垃圾、尘土中的有机物可加速钢板的电化学腐蚀,同时这些部位的细菌活动更恶化腐蚀环境,在同一介质中,有菌比无菌腐蚀速度快100倍[2 ] 。

2.4 桥梁交变应力作用影响

钢桥承载使其常年处于腐蚀及交变应力的联合作用下,尤其是在钢桥梁的节点上,会产生较大的结构应力,应力不能自行消除,引起应力差电池腐蚀,危害性最大的腐蚀破坏一般就发生在节点上。腐蚀疲劳是腐蚀和疲劳的叠加作用,腐蚀既会诱发裂纹,又能加速疲劳裂纹的扩展,甚至开裂。

3 钢结构桥梁的防腐措施

3.1合理选用耐用钢结构材料

选择耐腐蚀性能优于一般结构用钢的耐候钢。最初发现的铜(01008 %～0149 %) 和磷

(0101 %～0112 %)对钢的耐蚀性的效果显著,以后出现了著名的Corte 钢和世界各国的耐大气腐蚀钢。工程实践中,耐候钢不涂装就可以使用,是极好的结构用材,并且可以将桥梁钢结构寿命期内的总费用降到最低。目前我国现行生产的耐候钢主要有高耐候结构钢和焊接结构用耐候钢

两类。高耐候结构钢耐腐蚀性要优于焊接结构钢,其按化学成分可以分为铜磷钢和铜磷铬镍钢, 有Q295GNH ,Q295GNHL ,Q345GNH ,Q345GNHL ,Q390GNH五种牌号。焊接结构用耐候钢以保持钢材具有良好的焊接性能为特点,其适用厚度可达100 mm。

3.2 采取有效的防腐蚀方法

根据钢结构的电化学腐蚀原理,必须消除产生腐蚀电池的各种条件,防止或破坏腐蚀电池的形成或阻滞阴阳极过程的进行。同时防止电解溶液在金属表面沉降或凝结,防止各种腐蚀介质的污染,可以达到防止金属腐蚀的目的。常用的钢结构防腐蚀方法有火焰喷涂、热浸镀、涂料涂装、电弧喷涂复合涂层等[3 ] 。

3.2.1 火焰喷涂防腐

火焰喷涂是以氧—乙炔火焰来熔化锌、铝,再通过高压气体雾化到工件表面形成涂层。在欧洲及北美的早期钢桥曾采用氧—乙炔火焰喷涂锌,取得了一定的防腐效果。但由于其结合力低、生产效率低、质量不易控制等缺点,仅对钢桥长期积水、阴暗面和主要受力件进行防腐蚀,占钢桥梁总面积的百分比很小。

3.2.2 热浸镀防腐

热镀锌的机理是在钢结构件表面形成一层致密的锌的镀层,在小型钢桥梁防腐蚀施工中广泛采用的是热浸镀锌。将酸洗除锈后的钢铁工件浸入溶剂湿润后,再浸入480 ℃～520 ℃融化的锌液中,使钢构件表面附着一层锌液,经冷却形成镀层。镀层完整时起隔绝腐蚀介质作用,镀层破损时起着牺牲阳极的阴极保护作用。采用80μm 的镀锌涂层厚度,具有耐蚀性好,使用寿命长,且基本不用维护等优点,因而其应用越来越广泛。针对钢桥的生产特点,热浸镀锌存在的主要问题是: ①不能在钢结构加工现场或建桥现场进行,只能在专用工厂进行,导致运输频繁;

②不能对超过镀槽容积的大尺寸工件进行防腐蚀处理; ③对形状复杂的工件及焊缝、拐角和死角等处浸镀效果不好,锌层厚度不均匀; ④热浸锌镀层碰伤后,只能通过涂料涂装、电

弧喷涂等其它方法进行局部修补。

3.2.3 涂料防腐蚀涂装

目前涂料涂装是钢结构防腐的主要方法。防腐涂料具有成本低、工艺简单、场地要求不严格等优点。钢梁涂料涂装通常是由具有耐腐蚀、耐候性和施工性能好的底漆、中间漆和面漆组成的综合防腐蚀体系。其防腐原理主要是机械屏蔽、钝化缓蚀作用及阴极保护

的共同作用。该技术的关键是除锈和涂料的选择。优质的涂层依赖于彻底的表面预处理,在相同的涂层防护条件下,表面处理的差别可使涂层的使用寿命相差将近一半。一般多用喷砂喷丸除锈,钢构件表面必须露出金属的光泽,并且除去所有的锈迹和油污,现场施工的涂层可用手工除锈。涂料涂装最大的问题在于相对于钢梁的使用寿命来说,涂料涂层防腐蚀寿命偏短,通过合理设计和配套,涂料体系防腐蚀寿命一般在10 年左右,10 年以后就要面临首次维护涂装,以后每隔3～5 年就需要再次维护。在已建成使用的钢梁表而除去浮锈和旧漆施工

难度大,严重影响正常交通,费用高昂,清除下来的旧油漆、浮锈等还会对当地自然环境造成多次污染。

3.2.4 电弧喷涂复合涂层

电弧喷涂是利用喷涂设备的电源发生装置使喷枪的两根金属分别带正、负电荷,并在喷枪交汇处起弧熔化,同时喷枪内压缩空气穿过电弧和熔化的熔滴使之雾化,并以一定速度喷射到预先准备好的喷砂表面形成涂层。电弧喷涂锌、铝及其合金涂层一方面对钢结构起到机械封闭作用,另一方而也起到局部牺牲阳极的阴极保护作用。在电弧喷涂涂层外表而制备底漆+中间

漆+ 面漆的有机封闭涂层,就形成了电弧喷涂复合涂层,它综合了电弧喷涂和涂料涂装两种防腐蚀方法的优点: ①防腐蚀寿命长。对喷涂金属、涂层厚度和底、中、面漆配套进行合理设计,可以确保各种腐蚀环境下钢结构30 年以上耐腐蚀寿命。②电弧喷涂和涂料涂装的生产效率比较高,可在钢结构加工及桥梁拼装现场进行防腐施工,不受环境限制。③在设计使用期内无须防腐蚀维护。④复合涂层耐冲击、碰撞性能强,即使出现损伤,利用同样的施工方法可以进行修补。

3.3 科学设计和施工

为了更好地防止钢结构腐蚀而延长使用寿命,从设计到施工、使用都要采取积极的防护措施,排除产生腐蚀的根源。在搞好施工设备的配套以及提高施工人员的技术水平的同时,尤其施工过程中必须注意制订严格的质量和标准施工技术规范,优化施工方法,加强施工工序的控制管理,强化质量检测和质量管理。

3.4 强化使用过程中的监测、维护与管理

加强使用过程中的监测、维护与管理,通过采用检测仪器设备对桥梁定期进行全面检测。对钢结构进行锈蚀检测,发现钢梁存在锈蚀现象,应及时采取补涂措施,保持完好的涂膜和防腐蚀能力,确保桥梁正常运行。

4 结语

随着我国基础设施建设速度的加快,大型钢结构桥梁不断涌现,钢桥防腐蚀的重要性日益显现。防腐蚀是钢桥从设计、施工、使用全过程必须优先考虑的重要环节,通过广泛应用各种先进有效的防腐蚀方法,完善对钢桥长效防腐蚀处理,不仅可以节约大量的桥梁维护费用,延长钢桥使用寿命,同时也产生巨大的经济效益和社会效益。