桥梁耐候钢锈层稳定性评价试验研究

张国学，樊世强，刘 延，翟晓亮，宋松林

（1.西安德信北路建设工程有限公司，陕西 西安 710000；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710000）

耐大气腐蚀钢，又称耐候钢，是通过在普通钢中添加一定量的合金元素制成的一种低合金钢，主要合金成分为Cu、P、Cr、Ni 等元素。耐候钢较普碳钢有良好的抗大气腐蚀能力，其中合金元素起到了决定性作用[1]。

近20 年来，人们就耐候钢的腐蚀性能等进行了大量的大气曝晒，干湿循环等试验研究，大量的数据表明，耐候钢的抗蚀性能、失效机制以及腐蚀产物的组成受多种因素的影响，如合金元素的比例和组成，环境气候因素，相对湿度变化，大气组成等[2]。工业大气中，含有碳的氧化物，硫化物，煤烟，粉尘等，尤其是SO2，CL-，CO2等物质会加速钢材的腐蚀[3]。本文主要采用大气曝晒结合干湿浸润的方法研究耐候钢在西安地区温带大陆性季风气候工业大气条件下的腐蚀行为，对该条件下耐候钢致密层形成较较为稳定、快速的方法进行论证的过程。

1 试验概况

试验用耐候钢为Q345qNH桥梁用钢，其化学成分见表1（符合ISO 9226-2012标准）[4]。钢试样厚度为12mm。试验分为两个部分：大气曝晒试验和干湿循环试验。表2为西安地区气象主要特征。

表1 Q345qDNH 钢化学元素表

表2 西安地区气象主要参数

试验方法：

（1）大气曝晒试验：大气暴晒试验在西安市未央区（处温带大陆性季风大气环境）进行，暴晒试样与水平方向垂直，分为面朝南组和面朝东组。按照GB/T14165—2008 标准制备暴晒试样（尺寸：200mm×70mm），表面全部除锈，除锈等级为ST3。表面全部经过脱脂—无水乙醇处理。每个暴晒周期取3 块平行样，其中2 块用于腐蚀失重和测厚分析，一块用于锈层分析。试验周期分别为3、4、5、6 个月。

（2）干湿循环试验：干湿循环试验分为三组，第一组为洒水养锈试验，第二组为盐酸加速锈蚀试验，第三组为硫酸加速锈蚀试验。三组钢板规格均采用200*70*12mm，表面除锈磨光，除锈等级为ST3。每组试验设置三块钢板作为平行试件，三组试验在试验前用无水乙醇脱水，除油，置于干燥容器内称重，用电子天平称重。第一组试样，曝晒在大气中，并每天分别洒水10ML、8ML、6ML、4ML。每七天为一个循环，完成后用无水乙醇和去离子水清除表面杂物，同时用未腐蚀试件来校正除锈液对基体的腐蚀量，分别称重，取平均值作为最终结果，每周腐蚀速率按公式计算。第二组试样，曝晒在大气中，并每天分别喷4*10-4mol/L 的盐酸溶液8ML、6ML。每七天为一个循环，完成后用无水乙醇和去离子水清除表面杂物，同时用未腐蚀试件来校正除锈液对基体的腐蚀量，分别称重，取平均值作为最终结果。第三组试样，曝晒在大气中，并每天分别喷1.72*10-2mol/L 的硫酸溶液8ML、6ML。每七天为一个循环，完成后用无水乙醇和去离子水清除表面杂物，同时用未腐蚀试件来校正除锈液对基体的腐蚀量，分别称重，取平均值作为最终结果。以上实验数据按照顺序记录在数据表格，根据数据计算出每块板的腐蚀速率和同一组钢板的平均腐蚀速率，画出腐蚀速率折线图。

表2 中给出的洒水养锈试件的主要参数，化学加速养锈与洒水养锈使用的试件完全相同。将以上数据分别记录，整理数据，分别计算出腐蚀速率，绘制锈层腐蚀变化曲线图。

2 试验结果分析

2.1 大气曝晒试验结果

根据试验记录结果，整理试验数据如下。

图1 大气曝晒试验面向南北的表面锈层结果

图2 大气曝晒试验面向东西的表面锈层结果

大气曝晒试验组在相同大气环境下的表面锈层状况记录卡：

图3 面朝南北

图4 面朝东西

大气曝晒实验组在相同大气环境下的增重曲线腐蚀动力学。

碳钢与耐候钢的腐蚀动力学可用腐蚀速率来表征，其腐蚀速率曲线如图1所示，根据GB/T 19292.4—2003，腐蚀速率按式计算：

式中：Y 为腐蚀厚度，单位：mm；X 为腐蚀时间，单位：年；ASMA为第一年腐蚀厚度，单位：mm；a：表示时间，以年为单位。

BSMA 为相对环境因素和钢材合金成分相关的系数。

数据分析：

（1）根据图1、图2 试验结果看出，试验面面朝南北时，光照充足，通风良好，表面锈层生长速度慢，锈层更加致密。分析原因，由于受阳光照射时间更长，耐候钢在潮湿的环境下锈层生长更快，而且不均匀。

（2）根据图3、图4 试验结果得出，试验面面朝东西时，锈层深度比较深，腐蚀速率大。分析原因，由于潮湿的表面有利于铁锈进一步腐蚀基体。

2.2 干湿循环试验结果

图5 洒水组

图6 盐酸组

图7 硫酸组

干湿循环组在相同环境下的锈层表面状况记录卡：

图8 洒水组

图9 硫酸组

图10 盐酸组

干湿循环组在相同环境下的失重曲线。

数据分析：

（1）根据图5～图7 试验结果看出，在不同表面处理工艺的条件下，试验结果各不相同，盐酸组锈层更加均匀，表面稳定，硫酸组次之，洒水组最后。

（2）根据图8～图10 试验结果得出，三组中腐蚀速率前期硫酸组最快，盐酸次之，洒水组最后。在经过432 个小时后，硫酸组和盐酸组腐蚀速率趋于稳定。

3 结论

（1）喷洒硫酸溶液的耐候钢初期腐蚀速率最快，钢板表面致密层最早稳定。（2）硫酸根离子作用下的耐候钢增重效果要比氯离子作用下的增重明显，硫酸根离子的作用效果更大。（3）本实验工艺下喷洒盐酸或者硫酸的耐候钢都能够满足短期形成致密锈层的要求。（4）大气曝晒条件和周期水浸润条件下的耐候钢短期致密层不能形成致密锈层。（5）两种化学试剂各自作用下的耐候钢增重呈现出先快后慢的表象规律，波峰出现的时间在6 个月之后。（6）温度和湿度对致密层的形成影响非常大，温差越大，湿度越大，形成的致密层越粗糙，不稳定。（7）化学试剂的浓度对锈层生成快慢有关系，本实验证明按照上述浓度进行实验，锈层稳定时期在6 个月左右。