耐候鋼橋典型表面腐蝕層厚度的試驗(yàn)研究

王富強(qiáng)

摘要：由于鋼橋長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，承受車(chē)輛載荷，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)受到環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，特別是在環(huán)境惡劣的地區(qū)，腐蝕更加嚴(yán)重，因此，鋼橋的腐蝕與防護(hù)一直是橋梁工程領(lǐng)域的重要研究課題之一。文章通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量鋼橋典型表面的腐蝕層厚度，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，研究結(jié)果可為實(shí)際工程和理論研究提供參考。

關(guān)鍵詞：耐候鋼橋;典型;表面;腐蝕;厚度

0 引言

鋼橋具有強(qiáng)度高、韌性好、制造方便、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用于鐵路、公路和人行橋。由于鋼橋長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，承受車(chē)輛載荷，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)受到環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，特別是在環(huán)境惡劣的地區(qū)，腐蝕更加嚴(yán)重，因此，鋼橋的腐蝕與防護(hù)一直是橋梁工程領(lǐng)域的重要研究課題之一。本文通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量鋼橋典型表面的腐蝕層厚度，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，研究結(jié)果可為以后的實(shí)際工程和進(jìn)一步的理論研究提供參考。

1 試驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

1.1 試驗(yàn)方案

將大氣腐蝕試樣（下稱(chēng)試樣）用一個(gè)簡(jiǎn)單的不銹鋼錨固裝置固定在橋梁鋼結(jié)構(gòu)上，保證試樣與鋼橋測(cè)量表面之間的緊密接觸，試樣模擬橋梁鋼結(jié)構(gòu)在同一環(huán)境同一部位的真實(shí)工作狀態(tài)。由于錨固裝置與試樣的接觸面積很小，因此不影響試樣暴露面及腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)生。根據(jù)ISO 9226-2012標(biāo)準(zhǔn)，試樣尺寸為（100 mm×150 mm），厚度為1.5 mm，對(duì)其進(jìn)行大氣腐蝕試驗(yàn)。試件是由通常用于建筑物外墻的S355J2WP耐候鋼板制成。對(duì)試樣的背面，即與鋼橋表面緊密接觸的一面，進(jìn)行遮蓋處理以保證試樣外露面的測(cè)量準(zhǔn)確度。

本文分別在三座橋梁鋼結(jié)構(gòu)典型表面設(shè)置了28個(gè)測(cè)試表面，即28個(gè)試樣，將它們分別安裝在每一個(gè)預(yù)定檢測(cè)的鋼結(jié)構(gòu)表面。在安裝之前，應(yīng)用便攜式磁性測(cè)厚儀測(cè)量試樣原有的腐蝕產(chǎn)物的厚度。大氣腐蝕試驗(yàn)時(shí)間為10年，每年測(cè)量試樣表面腐蝕產(chǎn)物的厚度。在暴露1年、3年和10年后進(jìn)行試樣的取樣，以確定腐蝕失重值。本文試驗(yàn)只研究測(cè)量試樣暴露一年后的大氣腐蝕數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的橋梁及測(cè)試表面試樣數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 典型表面測(cè)量

三座橋梁鋼結(jié)構(gòu)典型表面進(jìn)行腐蝕層測(cè)量，典型表面共7個(gè)，試樣固定同一部位，見(jiàn)表2。典型腐蝕產(chǎn)物厚度取平均值，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖1。測(cè)量結(jié)果表明，三座橋梁鋼結(jié)構(gòu)典型表面形態(tài)良好，沒(méi)有受到橋面系排水系統(tǒng)漏水的影響。

由圖1可知，表面4腐蝕產(chǎn)物厚度最大。通過(guò)式1計(jì)算，得Vx=0.19則x0.05=1.32;x0.95=3.05。表面4腐蝕產(chǎn)物的平均厚度是表面1的1.9倍，其中最大值xmax=152.6 μm。不超過(guò)ISO 9226-2012標(biāo)準(zhǔn)的推薦值xmin=400 μm。表面3較表面2腐蝕產(chǎn)物的平均厚度小，但兩者差別不大。

表面2腐蝕產(chǎn)物的平均厚度是表面1的1.3倍，其中最大值xmax=81.4 μm。

Vx=0.21，則x0.05=1.13、x0.95=3.04。在靠近底部凸緣的外部腹板上，通常形成不同的腐蝕產(chǎn)物條。這種現(xiàn)象只發(fā)生在外部腹板上，是由于相鄰底部凸緣殘留較多的水分，容易積塵，且冬天結(jié)冰，因此導(dǎo)致不同的濕潤(rùn)程度。表面4與表面5腐蝕厚度近似，可知腐蝕過(guò)程也相似，Vx=0.12，則x0.05=0.84、x0.95=1.35。

表面7腐蝕產(chǎn)物的平均厚度是表面1的1.9倍，其中最大值xmax=120.4 μm，Vx=0.23，則x0.05=0.88、x0.95=2.33。表面6腐蝕產(chǎn)物的平均厚度是表面1的1.9倍，其中最大值xmax=116.2 μm，Vx=0.25，則x0.05=0.67、x0.95=2.18。

1.3 試樣測(cè)量

在三座橋梁鋼結(jié)構(gòu)典型表面共設(shè)置了28個(gè)測(cè)試表面，在28個(gè)試樣暴露一年后對(duì)它們進(jìn)行腐蝕層測(cè)量，平均厚度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，表面4腐蝕產(chǎn)物厚度最大。Vx=0.20，則x0.05=1.53、x0.95=3.84。表面4腐蝕產(chǎn)物的平均厚度是表面1的2.9倍，其中最大值xmax=87.4 μm。

表面5與表面4相比，銹蝕厚度較小。Vx=0.16，則x0.05=1.38、x0.95=2.91。表面5腐蝕產(chǎn)物的平均厚度是表面1的2.2倍，其中最大值xmax=77.0 μm。

表面2的Vx=0.10，則x0.05=0.88、x0.95=1.42。表面5腐蝕產(chǎn)物的平均厚度是表面1的1.1倍，其中最大值xmax=35.4 μm。

表面3與表面4相比，表面4腐蝕產(chǎn)物的平均厚度是表面3的2.7倍。表面3最大值xmax=36.1 μm，Vx=0.21，則x0.05=0.49、x0.95=1.26。表面3腐蝕產(chǎn)物的平均厚度是表面1的1.1倍，Vx=0.17，則x0.05=0.76、x0.95=1.71。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露形成穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物厚度和暴露一年后腐蝕試樣有顯著差異，見(jiàn)表3。表中r1為長(zhǎng)期暴露形成穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物厚度比率，即典型表面腐蝕產(chǎn)物平均厚度與表面1平均厚度之比，r2為一年后試件腐蝕產(chǎn)物平均厚度與表面1平均厚度之比。

由表3可知，耐候鋼橋的腐蝕過(guò)程明顯取決于暴露表面在結(jié)構(gòu)中的位置和厚度。鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露形成穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物厚度，表面4的r1和r2結(jié)果幾乎相同，但r2略高于r1。在腐蝕試樣中，只有表面4的腐蝕率較高，主梁下翼緣外側(cè)表面螺栓周?chē)母g產(chǎn)物增加。這種影響是由于該處的潤(rùn)濕度比較高，但是，腐蝕厚度的增加幅度并不大，并且對(duì)原有的腐蝕產(chǎn)物起到一定的防護(hù)作用。主梁外部腹板和內(nèi)部腹板腐蝕厚度差別較小。主梁腹板區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物厚度高于外部腹板的。結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露形成穩(wěn)定的腐蝕厚度與暴露一年后的腐蝕厚度比值存在較大差異。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究與分析得出如下結(jié)論：

（1）耐候鋼橋的腐蝕過(guò)程明顯取決于暴露表面在結(jié)構(gòu)中的位置和厚度。主梁下翼緣外側(cè)表面腐蝕率較高。是由于相鄰底部凸緣殘留較多的水分，容易積塵，且冬天結(jié)冰，因此導(dǎo)致不同的濕潤(rùn)程度。

（2）鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露形成穩(wěn)定的腐蝕厚度與暴露一年后的腐蝕厚度比值存在較大差異。腐蝕厚度的增加也能起到一定的防護(hù)作用。

（3）耐候鋼大氣腐蝕試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，測(cè)量腐蝕樣品的腐蝕厚度一般需要10年。本次試驗(yàn)周期為一年，為了得出鋼結(jié)構(gòu)典型表面的腐蝕過(guò)程的結(jié)論，設(shè)計(jì)了足夠數(shù)量的試樣。腐蝕損失計(jì)算根據(jù)預(yù)計(jì)腐蝕損失確定。

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的加快，大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁不斷涌現(xiàn)，鋼橋防腐蝕的重要性日益顯現(xiàn)。本文為以后的實(shí)際工程和進(jìn)一步的理論研究提供了參考。

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收稿日期：2020-05-27