基于监测的中小跨径钢箱梁箱内涂层腐蚀可能性研究

朱志伟， 王 丹， 王文剑

(1.江苏宁沪高速公路股份有限公司， 南京 210049； 2.中设设计集团股份有限公司， 南京 210014)

近年来，随着我国公路交通建设的快速发展，中小跨径钢箱梁桥因方便施工、缩短工期、减小净空限制等优点在高速公路跨线桥、城市立交桥等建设中大量出现[1]。由于其箱梁内一般未设检修孔，长期处于相对密封状态，普遍认为箱内腐蚀可能性小[2]，当前桥梁防腐涂层的检查主要针对箱外部，对钢箱梁箱内涂层腐蚀检查极少。但实际调研发现，箱内存在积水及涂层腐蚀等现象，箱内涂层腐蚀问题不容忽视。因此，本文依托实体工程对钢箱梁箱内关键环境参数[3-4]及涂层腐蚀情况进行实时监测，根据监测结果分析箱内涂层腐蚀可能性，以期对管养单位在此类桥梁的养护工作方面提供参考。

1 研究方法

1.1 工程状况

本文以上跨沪宁高速的某钢箱梁桥为例，该桥跨径组合为(16.83+2×30+19.38)m，于2004年建成通车，2016年、2017年通过新增检修孔等方式多次对该桥钢箱梁内部进行了检查，发现箱内存在大量积水，涂层劣化、基底钢材锈蚀严重，如图1、图2所示。2019年4月对该桥进行维修加固后，对箱内外进行了重新涂装。

图1 钢箱梁箱内底板积水、锈蚀

图2 钢箱梁箱内顶板结露、锈蚀

1.2 箱内外涂装劣化失效机制及影响因素分析

钢箱梁内部长期处于密封环境，其防腐涂层的失效偏重于涂层下钢材的电化学腐蚀，涂层劣化速率主要受箱内温度、相对湿度和表面润湿时间等影响，其中相对湿度及温度主要通过影响钢结构表面水膜的形成(即表面润湿)时间实现。因此，表面润湿时间是箱内防腐涂层劣化最主要的影响因素[5-6]。箱外长期处于开放环境，易受雨水侵蚀、紫外线照射，其防腐涂层的失效更偏重于光降解老化和电化学腐蚀2种形式，其中钢材的电化学腐蚀主要受表面润湿时间影响，光降解老化主要受日照时间影响[8-10]。本文拟对箱内外关键环境参数温湿度、表面润湿度及环境腐蚀性进行监测。

1.3 环境腐蚀监测系统

采用ICE集成腐蚀监测系统对重新涂装后钢箱梁箱内外环境腐蚀因素进行持续监测[11]。该系统由3个组合探头(P1、P2和P3)、1个温湿度探头和1个传感器数据采集箱组成，如图3所示。其中，组合探头均由1个表面湿度探头和1个环境腐蚀性探头组成。表面湿润度探头用于探测表面水分的存在及润湿时长，环境腐蚀性探头用于测量环境的腐蚀性，温湿度探头用于测量环境的温度和相对湿度。

图3 腐蚀监测系统

1.4 腐蚀监测系统布置

在依托工程钢箱梁内、外部各布置了一套腐蚀监测系统进行对比分析，监测系统布置时综合箱内外环境特点及依托工程前期涂层腐蚀特征，选择涂层腐蚀可能性较高的区域进行布置。箱内布置时综合考虑积水、水汽冷凝、空气交换的可能性，最终将3个传感器组合探头分别布置于封闭人孔附近的顶、底板位置及远离人孔的底板；箱外布置时综合考虑日照时间、雨水冲刷等因素，3个组合探头最终布置于依托工程南幅南侧的翼缘板、腹板以及底板等位置，箱内外具体布置如图4所示。

2 监测分析

2.1 温度

监测期依托工程钢箱梁箱内外的温度、温差时程曲线如图5、图6所示。由图5可知，箱内外温度每天随时间变化趋势大致相同，但由于箱内近似处于密封状态，空气流动性差，外界升降温对箱内温度的影响存在明显滞后。由图6可知，箱内温度高于箱外的时长占比高达78.1%，箱内温度整体高于箱外。由于箱内空气中存在水蒸汽，箱内温度高于箱外温度时，在钢箱梁结构内表面易发生冷凝，冷凝水长期附着在涂层表面易诱发涂层基底钢材腐蚀，对涂层和基底钢材耐久性不利[4,12]。

(a) 箱内

(b) 箱外

2.2 相对湿度

相对湿度指空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比，空气相对湿度受多因素影响，主要包括空气中水分含量和温度。为分析钢箱梁箱内外相对湿度差异及其与温度的关系，本监测时段内箱内外相对湿度、温度时程曲线如图7所示。由图7可知，箱内外的相对湿度与温度呈显著的负相关，即温度升高，相对湿度降低；温度降低，相对湿度上升。但箱内外相对湿度变化又存在明显差异，箱外空气中水分含量受气压、风、降水等影响较大，处于时刻变化状态，其相对湿度受空气水汽含量和温度共同影响，以2019年4月20日为例，其多个时段的相对湿度升高至100%左右；箱内由于水汽扩散受到钢箱梁外部结构阻隔，水汽含量可近似为一定值，箱内相对湿度仅受温度影响。

2.3 表面湿润度

表面湿润度探头用于探测表面水分的存在及润湿时长，当探头表面处于干燥状态时，探头所测阻抗值为2 MΩ(即电阻无穷大)；当探头表面处于湿润状态时，阻抗值下降且湿润度越高，则下降越多。监测时段内箱内外各表面湿润度探头所测阻抗时程曲线如图8所示。由图8可知，由于降雨期间受到雨水冲刷，布置于箱外翼缘板的组合探头P1、P2的电阻值在多个时间段内大幅降低。布置于箱内的组合探头P1、P2、P3所测阻抗值在监测时段内均出现先大幅降低后逐渐恢复至2 MΩ的情况，分析认为应是箱内水汽在涂层表面冷凝、蒸发导致，这与依托工程冬季顶板检查到有大量水滴现象吻合，如图9所示。表面湿润度监测结果说明，即使在箱内密封条件良好的情况下，箱内涂层表面可能有冷凝水，这为箱内涂层腐蚀提供可能。

图5 钢箱梁箱内外温度时程曲线

图6 箱内外温差时程曲线

(a) 箱外

(b) 箱内

2.4 环境腐蚀性

各环境腐蚀探头监测结果如图10所示。布置于钢箱梁室外腹板和底板的环境腐蚀探头、箱内全部环境腐蚀探头所测阻抗值在监测时段内始终保持为0.2 MΩ，表明此处环境腐蚀性较稳定，未出现环境腐蚀性突增的情况。布置于箱外翼缘板的P1阻抗值在多个时段陡降，表明在该时段该处环境腐蚀性突增，可能是由于雨水中夹杂着一些腐蚀性物质造成的。对比P1处腐蚀性探头和表面湿润探头监测结果发现，在多个时段P1处于湿润状态，但对应时刻的环境腐蚀性并未增加，表明表面湿润仅为腐蚀发生的一个先决条件，腐蚀的发生需要多种环境因素的共同作用[13]。

3 基于监测的箱内外涂层腐蚀可能性分析

箱内外涂层腐蚀形式多样，影响因素较多，涂层腐蚀过程缓慢，而既有监测数据受时间限制未能反映涂层腐蚀的发展规律。根据前文分析结果，涂层表面润湿时长是箱内外涂层腐蚀的重要影响因素。在箱内外环境腐蚀性监测结果的基础上，结合桥梁所在地2018年环境参数的历史数据，对箱内外涂层表面年润湿时长进行预测。箱外涂层湿润主要受降雨及水汽冷凝影响，而箱内涂层湿润仅受水汽冷凝影响。经过查阅丹阳市2018年逐小时天气数据，得到了该地2018年的降雨、温度和相对湿度数据。根据所得的历史温度、相对湿度数据及2019年箱内外的温度、相对湿度的实时监测数据，提出了计算箱内外涂层表面考虑冷凝的年累积润湿时长的方法，具体步骤如下。

(a) 箱外

(b) 箱内

图9 依托工程冬季钢箱梁箱内水汽冷凝

3.1 箱内温度计算

根据监测结果，预测实际年箱内温度时作以下假设：

1) 箱内密封性不随时间变化；2) 既有箱内外监测数据显示每天箱内温度达到最大值的时间要比箱外滞后1.86 h，箱内日最高温要比箱外高2.16 ℃；3) 每天箱内温度达到最小值的时间要比箱外滞后1.62 h，箱内日最低温要比箱外高1.96 ℃；4) 在其余时间段，箱内温度随时间线性变化。

(a) 箱外

(b) 箱内

基于箱外2018年逐小时温度数据及以上假设，利用Matlab编程按以下步骤计算实际年箱内的温度。

3.2 箱外冷凝时长计算

1) 根据2018年丹阳市历史温度、相对湿度数据，计算得到各时刻的箱外水汽压值E外；2) 根据2018年箱内温度计算值，假设钢箱梁外部结构涂层温度与箱内温度相同，计算箱外涂层表面发生冷凝时箱外逐小时最低蒸汽压Es外；3) 比较E外和Es外，若E外≥Es外，箱外涂层表面发生冷凝；若E外

3.3 箱内冷凝时长计算

1) 根据实测2019年箱内绝对湿度数据，假定箱内绝对湿度为一定值(取最大概率值14.0 g/m3)；2) 根据计算得到的2018年箱内逐小时温度数据，计算箱内逐小时蒸汽压值E内；3) 根据丹阳市2018年历史逐小时温度数据，假设钢箱梁箱内涂层温度与箱外温度相同，计算箱内涂层发生冷凝时箱内逐小时最低蒸汽压Es内；3) 比较E内和Es内，若E内≥Es内，箱内涂层表面发生冷凝；若E内

3.4 润湿时长计算结果分析

依据上述润湿时长计算过程，分析了依托工程全年箱内外水蒸汽冷凝情况，如图11、图12所示。由图11、图12可知，箱内冷凝的可能性明显高于箱外且冷凝时间集中于秋冬季节，这是由于全年时段箱内的温度高于箱外的可能性较大，且秋冬季温度低，饱和蒸汽压随着温度降低而降低，因此秋冬季更容易发生冷凝。

图11 2018年箱外蒸汽压与饱和蒸汽压差值时程曲线

图12 2018年箱内蒸汽压与饱和蒸汽压差值时程曲线

箱内密封条件较好时，箱内各处涂层实际年润湿时长为冷凝时长，即4 042 h。与箱内不同，箱外涂层润湿时长不仅包含水汽冷凝时长，还包含降雨时长，不同位置的涂层年实际润湿时长存在较大差异。比如，直接受到雨水冲刷的翼缘板等位置全年润湿时长为降雨时长，统计丹阳市2018年全年的降雨时长约841 h，而完全接触不到雨水的箱梁底板等位置，全年润湿时长仅考虑冷凝时长，为41 h。单从润湿时长来看，箱内润湿时长远大于箱外，涂层下钢材发生电化学腐蚀可能性较高[3]，与通常认为钢箱梁箱内环境密闭无空气流通，钢材发生锈蚀的可能性很小的认识存在较大差异，因而建议管养单位在后期的养护过程中应重视箱内部养护维修工作。

虽然依据润湿时长计算结果可判定涂层下钢材发生电化学腐蚀可能性较高，但钢材表面水膜的存在仅是钢材电化学腐蚀的一个先决条件，实际钢材电化学腐蚀的发生与否还与涂层微观缺陷及大气环境的腐蚀性等因素有关。相比箱内，箱外大气环境腐蚀性较为恶劣，涂层受到雨水冲刷，加大了涂层微观损伤，从而加快了涂层下钢材的电化学腐蚀速率；另外，箱外涂层长期受太阳照射，紫外线的照射可加速涂层的腐蚀[9]，因此，实际情况是箱外涂层劣化往往比箱内涂层劣化更为严重。

4 结论

本文针对某中小跨径钢箱梁箱内外涂层腐蚀特点对该桥进行了腐蚀监测系统设计，并基于监测数据提出了年润湿时长的估算方法，实现了对钢箱梁桥涂层腐蚀可能性的定量分析，结论表明：

1) 箱内由于空气流动性差，箱内温度高于箱外的时长占比高达78.1%，即使箱内密封条件良好，箱内涂层表面仍可能附着冷凝水，这为箱内涂层腐蚀提供可能。

2) 根据本文提出的年润湿时长计算方法，箱内有冷凝水附着的时长是箱外的100倍左右，箱内冷凝集中发生于秋冬季节。但钢材表面冷凝水的存在仅是钢材电化学腐蚀的一个先决条件，实际钢材电化学腐蚀的发生与否还与涂层微观缺陷及大气环境的腐蚀性等因素有关。

3) 建议管养单位应重视钢箱梁箱内的养护维修工作，相关除湿工作宜安排在秋冬季节。