橋梁鋼的耐大氣腐蝕性能研究

張軍艷

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路與鐵道工程學(xué)院，陜西 西安 710018)

0 前 言

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的繁榮發(fā)展，推進(jìn)了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐，橋梁作為其中的重要組成部分也步入了快速發(fā)展通道，且隨著橋梁設(shè)計(jì)的優(yōu)化及橋梁鋼的深化發(fā)展，大規(guī)模、大跨度、高強(qiáng)度的大型鋼橋建設(shè)成為了主流發(fā)展趨勢(shì)，其對(duì)橋梁鋼的綜合性能提出了更高的要求，尤其是分布在沿海地區(qū)的跨江河、跨海灣公路、鐵路兩用鋼橋，濕熱海洋大氣環(huán)境中，SO2含量較高， SO2和Cl-共存、反應(yīng)成為常態(tài)，對(duì)橋梁鋼造成極大的腐蝕性，該種環(huán)境下的大型鋼橋不僅要求橋梁鋼具備較高的強(qiáng)度、韌性、抗強(qiáng)震及焊接性，更要求其具備良好的耐大氣腐蝕性能。而耐候鋼由普通碳鋼添加少量Cu、Ni等耐腐蝕性元素合成，可促使橋梁鋼生成穩(wěn)定銹層，改善內(nèi)銹層的致密性，增強(qiáng)耐銹抗腐蝕性，而為了深化研究海洋大氣環(huán)境中耐候橋梁鋼的性能，確保大型橋梁的安全性、使用壽命，本文以內(nèi)含合金元素Cu和Ni低碳橋梁鋼為研究對(duì)象，通過(guò)干濕周浸潤(rùn)實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)測(cè)試等來(lái)具體分析橋梁鋼的耐大氣腐蝕性，通過(guò)獲得的耐受剛的鋼基體極化曲線及電化學(xué)阻抗譜，深化認(rèn)知Cu、Ni合金元素對(duì)于橋梁鋼耐腐蝕性的作用性，從而為耐候鋼在大型鋼橋中的優(yōu)化應(yīng)用提供有效支撐。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)鋼依據(jù)Cu含量不同劃分為4類，分別編號(hào)，化學(xué)成分如表1所示，冶煉以50 kg真空感應(yīng)爐熔煉，澆鑄成鋼錠，并經(jīng)由撥皮、鍛造，最后以450熱軋機(jī)組扎成為12 mm厚的實(shí)驗(yàn)?zāi)秃蜾摪濉?/p>

表1 試驗(yàn)?zāi)秃蜾摶瘜W(xué)成分 %

在軋制方向上將試驗(yàn)鋼切割成為30 mm×20 mm×5 mm，10 mm×10 mm×5 mm兩種尺寸的試樣，以備腐蝕實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)測(cè)試，以砂紙將打磨表面，并依順序進(jìn)行超聲波丙酮除油、去離子水去雜污、無(wú)水乙醇脫水、干燥器去濕，干燥后24 h后以0.1 mg精度稱量試[1]。用電烙鐵在10 mm×10 mm×5 mm尺寸的電化學(xué)試樣背面焊上銅導(dǎo)線，而后預(yù)留出10 mm×10 mm工作面，用環(huán)氧樹脂將試樣鑲好，且要保證環(huán)氧樹脂與試樣接觸邊緣不能存在氣泡，以免影響電化學(xué)實(shí)驗(yàn)精確性，最后用砂紙將工作面打磨光滑。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 干濕周浸潤(rùn)加速腐蝕實(shí)驗(yàn)

用臺(tái)鉆將30 mm×20 mm×5 mm尺寸的試樣鋼鉆出直徑F=5 mm的孔，以800號(hào)砂紙將試樣表面打磨光滑，參照標(biāo)準(zhǔn)TB/T2375-1993《鐵路用耐候鋼周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)方法》，在周期浸潤(rùn)腐蝕箱內(nèi)模擬沿海的海洋大氣環(huán)境[2]，腐蝕介質(zhì)為0.5%、恒定溫度42℃的NaCl溶液，箱內(nèi)溫度為45℃、恒定濕度為25%，一個(gè)浸潤(rùn)周期為60 min，其中浸沒(méi)和非浸沒(méi)時(shí)間分別為15，45 min，試驗(yàn)用時(shí)120 h，間隔24 h取樣一次，每種實(shí)驗(yàn)鋼取3個(gè)平行試樣。

1.2.2 失重法腐蝕測(cè)試

失重分析是評(píng)估橋梁鋼耐大氣腐蝕性最有效的方法，試驗(yàn)中先將刮除4種試樣鋼的外部秀層，將其浸泡在由500 mg鹽酸+500 mg蒸餾水+20 g 6次甲基四胺的除銹液中進(jìn)行超聲波清洗[3]，并用空白試樣進(jìn)行失重校正，以確保實(shí)驗(yàn)精確性，而后以無(wú)水乙醇清洗，吹干以0.1 mg精度稱重。

平均腐蝕速率依據(jù)ASTMG1-03標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公式進(jìn)行計(jì)算。

V=(K×W)/(A×T×D)

(1)

式中V——平均腐蝕速率， mm/a；

K——常數(shù)，取值8.76×104；

W——失重質(zhì)量，g；

A——試樣表面積，cm2；

T——加速腐蝕時(shí)間，h；

D——試驗(yàn)鋼密度，g/cm3。

1.2.3 電化學(xué)試驗(yàn)

采用PARSTAT2273電化學(xué)工作站測(cè)量極化曲線和電化學(xué)阻抗譜，電解質(zhì)溶液為3.5 mass%、溫度為25℃的NaCl溶液，三電極體系中參比電極、輔助電極、工作電極分別為飽和甘汞電極、石墨電極、試樣(面積為1 cm2)[4]；利用動(dòng)電位暫態(tài)法測(cè)量極化電機(jī)，以1 mV/s掃描速度，相對(duì)于自然腐蝕電位-250 mV～250 mV的掃描范圍；電化學(xué)阻抗譜EIS測(cè)量的電壓幅值為10 mV，掃描范圍為10 mHz～100 kHz，共計(jì)測(cè)量50個(gè)點(diǎn)，以Zsimpwin軟件分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)鋼的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線

腐蝕測(cè)試中獲得的試驗(yàn)鋼腐蝕深度和腐蝕速率隨時(shí)間的變化曲線如圖1，可知，4種試驗(yàn)鋼的腐蝕深度及速率均呈現(xiàn)逐漸上升并最終恒定的趨勢(shì)，且依據(jù)由大到小的順序分別為1號(hào)>2號(hào)>3號(hào)>4號(hào)，也即隨著Cu含量的增加，平均腐蝕深度及速率整體趨勢(shì)下降，在96 h和120 h時(shí)3號(hào)、4號(hào)鋼腐蝕深度和速率近似，據(jù)此，耐候鋼中Cu、Ni合金元素的存在能夠有效降低腐蝕深度及速率，且隨著Cu含量的增加，鋼平均腐蝕深度及速率均有明顯降低趨勢(shì)，但在含量超過(guò)0.5%后，該種降低作用明顯減弱。

1 1號(hào)鋼; 2 2號(hào)鋼; 3 3號(hào)鋼; 4 4號(hào)鋼

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，以驗(yàn)證耐候鋼的大氣腐蝕失重符合動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式：

C=Dtn

(2)

上式中，C、t分別為試驗(yàn)鋼的腐蝕深度及時(shí)間；D為初始腐蝕程度，為常數(shù)，其與鋼體表面化學(xué)性質(zhì)及環(huán)境存在關(guān)聯(lián)；n為腐蝕發(fā)展趨勢(shì)，也為常數(shù)，其與鋼種及大氣環(huán)境相關(guān)[5]，該值越小則試驗(yàn)鋼進(jìn)一步腐蝕的可能性越小。

根據(jù)式(2)擬合試驗(yàn)鋼周浸腐蝕試驗(yàn)失重?cái)?shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示，由該表可知：D1>D2>D3>D4，n1>n2>n3>n4，也即隨著實(shí)驗(yàn)鋼中Cu含量的增加，初始腐蝕程度D值及大氣腐蝕發(fā)展趨勢(shì)n值均逐漸下降，表明Cu可以增強(qiáng)鋼基體的初期耐腐蝕性，并減弱耐候鋼的大氣腐蝕發(fā)展趨勢(shì)，失重?cái)M合結(jié)果與上述腐蝕深度及速率結(jié)果一致，可見，大氣腐蝕初期Cu及Ni合金元素可增強(qiáng)耐候鋼的大氣腐蝕性能。

表2 4種試驗(yàn)鋼周浸潤(rùn)腐蝕實(shí)驗(yàn)失重?cái)?shù)據(jù)擬合結(jié)果

2.2 試驗(yàn)鋼的極化曲線及電化學(xué)阻抗譜

2.2.1 鋼的極化曲線

電化學(xué)試驗(yàn)后，在3.5%NaCl溶液中4種試驗(yàn)鋼基體的極化曲線如圖2所示，自腐蝕電位和腐蝕電流密度如表3所示，4種試驗(yàn)鋼肌體的自腐蝕電位由高至低為：4號(hào)>3號(hào)>2號(hào)>1號(hào)，且相互之間的自腐蝕電位有著較大的差異，這說(shuō)明鋼基體自腐蝕電位隨著Cu含量的增加而升高，鋼中的Cu元素能夠增強(qiáng)鋼基體的耐大氣腐蝕性。

1 1號(hào)鋼; 2 2號(hào)鋼; 3 3號(hào)鋼; 4 4號(hào)鋼

采用塔菲爾外推法，根據(jù)Faraday定律即可測(cè)定腐蝕速率：

V=icorr·N/F

(3)

上式中，V、icorr分別為腐蝕速率、腐蝕電流密度，N是金屬原子量與金屬價(jià)的比值，F(xiàn)是Faraday常數(shù)。

根據(jù)式(3)可知，腐蝕速率與腐蝕電流密度成正比，由表3可知4種試驗(yàn)鋼的腐蝕電流密度由大至小1號(hào)>2號(hào)>3號(hào)>4號(hào)，1號(hào)是4號(hào)鋼的4倍，3號(hào)、4號(hào)鋼的電流密度基本相同，由此可知，Cu含量的增加，會(huì)減弱鋼基體的初期腐蝕速率，而一旦該含量超過(guò)0.5%，則Cu的這種減弱功能將不再增加，也即鋼基體的初期腐蝕將保持在特定水平不再變化。

表3 4種鋼基體的自腐蝕電位和腐蝕電流密度

2.2.2 鋼的電化學(xué)阻抗譜

在3.5%NaCl溶液中4種試驗(yàn)鋼基體的電化學(xué)阻抗譜如圖3所示，圖3中圓弧的直徑可視為極化電阻，可知，NaCl溶液中鋼基體的極化電阻隨著Cu含量的增加而升高，說(shuō)明Cu元素可增強(qiáng)鋼基體耐大氣腐蝕性。

1 1號(hào)鋼; 2 2號(hào)鋼; 3 3號(hào)鋼; 4 4號(hào)鋼

由圖3可知，電化學(xué)阻抗譜僅呈現(xiàn)一個(gè)半圓弧，說(shuō)明NaCl溶液與是試樣鋼之間只有一個(gè)反應(yīng)[6]，4種鋼基體的等效電路如圖4所示，根據(jù)該電路圖可以擬合4種鋼基體的極化電阻，由大至小依順位為：D(11 901 Ω·cm2)>C(855.79 Ω·cm2)>B(659.72 Ω·cm2)>A (520.12 Ω·cm2)， 4號(hào)鋼是1號(hào)鋼極化電阻的2倍，可知Cu合金元素對(duì)耐候橋梁鋼的初期耐腐蝕性具有明顯作用。

Rs 溶液電阻；Rct 極化電阻；CPE 鋼表面與溶液構(gòu)成的雙電層

3 結(jié) 語(yǔ)

在沿海地區(qū)大型鋼橋建設(shè)和發(fā)展的背景下，本文利用干濕周浸潤(rùn)加速腐蝕實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)測(cè)試、失重法等，在海洋大氣環(huán)境下分析含有Cu、Ni合金元素的耐候橋梁鋼，以深化認(rèn)知橋梁鋼的腐蝕規(guī)律、確保其長(zhǎng)效使用性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明Cu、Ni合金元素可有效降低橋梁鋼的整體腐蝕深度及速率，增強(qiáng)鋼基體的初期腐蝕性，但Cu含量一旦超過(guò)0.5%則該種作用將明顯降低，為此，大型鋼橋建設(shè)中選用的橋梁鋼Cu含量應(yīng)該控制在0.5%之內(nèi)，由此才能最大程度的減緩橋梁鋼的大氣腐蝕發(fā)展趨勢(shì)，延長(zhǎng)大型鋼橋的使用壽命。

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