高鐵站區(qū)鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的研究及解決方案

魏偉

摘要：鋼結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)高強、施工簡便等優(yōu)點，被廣泛用于高鐵建設(shè)中。尤其是在新建成的高鐵站區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)占據(jù)了很大的比重。鋼結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性差，導(dǎo)致其容易產(chǎn)生銹蝕。根據(jù)銹蝕發(fā)生的部位、程度產(chǎn)生鋼結(jié)構(gòu)承載能力降低，混凝土膨脹破壞等嚴重后果。本論述為了應(yīng)對高鐵站區(qū)不同種類鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的問題，通過逐類分析高鐵站區(qū)普通鋼結(jié)構(gòu)銹蝕、鋼筋混凝土銹蝕、雜散電流腐蝕、鋼結(jié)構(gòu)涂層的危害，分別給出相應(yīng)的解決方案，以便在實際工作中起到參考的作用。

關(guān)鍵詞：高鐵;車站;鋼結(jié)構(gòu);銹蝕

中圖分類號：U292文獻標志碼：A

1概述

隨著我國高鐵的不斷發(fā)展，高鐵“八縱八橫”網(wǎng)絡(luò)的快速貫通。而高鐵站區(qū)的快速建設(shè)，離不開鋼結(jié)構(gòu)的大量使用。因鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)可靠性高、自重較輕、抗震抗沖擊性好、施工簡便、裝配快速等優(yōu)越性，新建站房的雨棚、橫梁、支柱等，大量采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。然而，鋼材料銹蝕會嚴重影響鋼材料的力學(xué)性能，導(dǎo)致房建設(shè)備安全隱患的同時，還會隨著時間的推移而愈發(fā)嚴重。

2銹蝕原因

2.1鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕

普通鋼結(jié)構(gòu)銹蝕，主要分為化學(xué)腐蝕（干銹蝕）和電化學(xué)腐蝕（濕銹蝕）兩種。

化學(xué)腐蝕（干銹蝕），指鋼結(jié)構(gòu)在日常工作中在氧化性介質(zhì)接觸（如：空氣、氧、水蒸氣、二氧化硫、氯等）成疏松氧化物的銹蝕。這種銹蝕在干燥條件下發(fā)生較緩慢，在高溫高濕以及干濕交替情況下發(fā)生尤為迅速。電化學(xué)腐蝕（濕銹蝕）指鋼結(jié)構(gòu)表面與電解質(zhì)溶液接觸后產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移的原電池反應(yīng)。鋼材在潮濕環(huán)境下與周圍的雜質(zhì)發(fā)生原電池反應(yīng)，導(dǎo)致鐵銹的產(chǎn)生。電化學(xué)腐蝕的發(fā)展速度會隨著腐蝕的嚴重性變大而變快。

高鐵站區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)建筑物在日常工作運維中，經(jīng)常處于高溫高濕等不良工作環(huán)境，加劇了鋼材的銹蝕可能。其中，最普遍發(fā)生銹蝕是電化學(xué)腐蝕。

對于電化學(xué)腐蝕的原電池反應(yīng)，陽極區(qū)表現(xiàn)為氧化反應(yīng)：

（1）

陰極區(qū)，則表現(xiàn)為還原反應(yīng)：

（2）

游離的2Fe2+和OH-結(jié)合生成了 Fe（OH）2絮狀物，再經(jīng)過空氣中氧氣的氧化，會形成處（0丑）3沉淀。所以電化學(xué)腐蝕的總反應(yīng)方程式如下所示。

（3）

這種化學(xué)反應(yīng)常常發(fā)生在裸露、高溫高濕、油漆破損的鋼結(jié)構(gòu)上。同時由于鐵銹的積存，使空氣中的水更容易聚集，導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕的發(fā)展速度會隨著銹蝕嚴重性的變大而變快。并且，腐蝕嚴重處不僅會影響該處的強度，還會造成應(yīng)力集中，這又會加速鋼結(jié)構(gòu)的破壞。

2.2鋼筋混凝土銹蝕

高鐵站區(qū)大量使用鋼筋混凝構(gòu)件。鋼筋混凝土構(gòu)件是在混凝土中添加鋼筋等材料來改善混凝土性能的構(gòu)件，具有廣泛的優(yōu)點。因承載荷載等原因，鋼筋混凝土構(gòu)件也被廣泛運用在了高鐵站房之中。鋼筋銹蝕危害主要體現(xiàn)在，銹蝕產(chǎn)物降低了鋼筋與混凝土的粘接力和銹蝕對鋼筋的強度產(chǎn)生影響等，體積增大至原來的2至6倍。鋼筋的陽極區(qū)，也會因銹蝕而產(chǎn)生膨脹疏松的鐵銹。嚴重情況下，會使得主體鋼筋受到機械性擠壓而斷裂。并且，這種腐蝕是難以及時發(fā)現(xiàn)并維護的。

鋼筋混凝土銹蝕原因主要有。

（1）混凝土開裂。作業(yè)不規(guī)范、凍融循環(huán)會等導(dǎo)致混凝土開裂，甚至鋼筋裸露銹蝕?；炷潦軆鋈诘挠绊懀毧字械乃畷Y(jié)冰，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力和滲透壓力，造成凍融破壞，使混凝土開裂。隨著混凝土內(nèi)部微裂縫的擴大，混凝土往往會松動剝落，鋼筋受到空氣和水的影響，產(chǎn)生銹蝕。

（2）碳化作用。二氧化碳水泥中的堿Ca（OZ/）2反應(yīng)生成CaCO，，從而導(dǎo)致鋼筋所處環(huán)境pH值變小，嚴重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性能。當 pH值小于11時，鋼筋就不再處于惰性狀態(tài)O使鋼筋更容易銹蝕。

（3）氯化作用。在鹽堿地或者采用撒鹽融冰的地區(qū)，往往會發(fā)生Cl～滲透進入混凝土引起的鋼筋銹蝕破壞。其中的化學(xué)反應(yīng)原理與電化學(xué)腐蝕類似。

（4）堿集料反應(yīng)。指的是混凝土中的堿和集料發(fā)生的破壞性膨脹反應(yīng)。它的反應(yīng)分為堿和硅酸鹽的反應(yīng)與堿和碳酸鹽的反應(yīng)：

2Na2O + SiO2= Na20- SiO2+H2O（4）

CaMg（CO^）2+ 2NaOH = Mg（OH）2+ CaCO3+ Na2CO3

（5）鋼筋發(fā)生銹蝕后，疏松氧化物與混凝土間失去機械咬合作用從而影響粘結(jié)性能。當銹蝕逐漸嚴重，氧化物會產(chǎn)生向外膨脹力，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞、混凝土開裂、鋼筋裸露。并且，鋼筋銹蝕會引起鋼筋強度降低，影響建筑物安全性。

2.3雜散電流腐蝕

電氣化高鐵線路，電壓高達27.5 kV，線路周邊的金屬常常是微弱帶線狀態(tài)，這就易造成雜散電流腐蝕。這種腐蝕類似于電化學(xué)腐蝕，原理也類似。電流在金屬中流動一段距離后離開回到大地中，在離開點的腐蝕就是雜散電流腐蝕。所以高鐵沿線的鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備金屬外殼、地下金屬管線等是受雜散電流腐蝕影響的。并且雜散電流的腐蝕速度相較于自然腐蝕要快的多，其危害也是不容忽視的。

雜散電流也會影響到鋼筋混凝土的耐久性。主要是：雜散電流降低混凝土對氯離子的物理吸附;降低鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度和加速氯離子向混凝土內(nèi)部遷移導(dǎo)致混凝土保護層提前開裂等。

由于管道多區(qū)段與電氣化鐵路并行或者跨越，高鐵站區(qū)受到雜散電流腐蝕的危害正在逐步擴大。資料顯示，南京段高鐵與油氣長疏管道的并行長度達8 km。而且南京站至鎮(zhèn)江站之間有82.73 km的管道陰極保護系統(tǒng)無法達到穩(wěn)定保護效果，且管道對地電位波動幅度較大。所以，雜散電流也是亟待解決的銹蝕問題。

2.4鋼結(jié)構(gòu)涂層的失效

高鐵站區(qū)不少雨棚柱會出現(xiàn)油漆涂層褪色，變色，龜裂，粉化和強度下降等問題。是由于涂層的耐候性明顯不足、結(jié)合強度不足和施工缺陷導(dǎo)致的。

涂層耐候性是指涂料抵抗室外的氣候的考驗的耐受能力，如光照、冷熱、風雨造成的破壞等。涂層耐候性是涂層本身的性能屬性，涂層的老化，可使得吸水率、孔隙率明顯增加，使受保護的結(jié)構(gòu)更容易銹蝕。

涂層結(jié)合強度，不僅指涂層與受保護的鋼結(jié)構(gòu)表層結(jié)合不牢固，還指的是不同涂層之間的相容性不好。涂層與受保護的鋼結(jié)構(gòu)表層結(jié)合不牢固，主要受：鋼結(jié)構(gòu)表明潔凈程度、應(yīng)力狀態(tài)、粗糙度等因素的影響。

施工缺陷，指的是在涂層施工過程中存在著的施工問題、成膜缺陷等引起的缺陷。比如基材處理不徹底，施工氣溫過高或過低，環(huán)境濕度高大，在硫化物、氮化物、粉塵等污染物等影響涂層施工的問題。不良的涂裝會導(dǎo)致涂層的附著力、涂膜性能下降，造成涂層過早地失效。在高鐵雨棚柱上，焊縫處的涂層比鋼結(jié)構(gòu)其他表面更加薄弱。原因是焊縫的粗大輪廓使得涂層厚度不夠，導(dǎo)致涂層易受到破壞。

3防治方法

3.1對于鋼結(jié)構(gòu)銹蝕

為了阻止普通銹蝕的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，較為經(jīng)濟的方法是采用覆蓋法。覆蓋法是在鋼結(jié)構(gòu)表面覆蓋一層保護膜，從而有效減輕鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕。

覆蓋物的選用，一般為耐銹蝕金屬或者非金屬材料。前者通常選擇電鍍或者噴鍍的方法，在鋼結(jié)構(gòu)表層鍍上一層鋅、銅、倍、鐐等材料來提高抗銹蝕能力。后者最常見的方法是噴涂表面油漆。應(yīng)用時一般為兩道底漆（或者一道底漆和一道中間漆）與兩道面漆，要求較高時，可以增加一道中間漆或者面漆。并且面漆常采用灰鉛漆、醇酸磁漆和酚醛磁漆。底漆往往采用云母氧化鐵底漆、鐵紅環(huán)氧底漆、紅丹防銹底漆和環(huán)氧富鋅漆。

通過覆蓋的方法，可以將鋼結(jié)構(gòu)與周圍不利環(huán)境隔離，從而起到預(yù)防銹蝕的作用。同時，根據(jù)工地地區(qū)環(huán)境、氣候、水文等條件，合理的選用加入了餡、鐐、錫、鈦、銅等合金元素的合金鋼，使鋼材更加耐腐蝕。

同時，建議從設(shè)計源頭上采用耐候鋼結(jié)構(gòu)，通過提高鋼結(jié)構(gòu)自身的耐腐蝕性來抵御環(huán)境中的不良因素侵害。

3.2對于鋼筋混凝土銹蝕

對于鋼筋混凝土銹蝕的預(yù)防，主要防范鋼筋混凝土凍融裂痕、發(fā)生碳化作用、氯化作用、堿集料反應(yīng)。主要解決兩個方面：混凝土層裂痕的防治和混凝土材料的控制。

在混凝土層裂痕的防治上，要嚴重施工質(zhì)量，保證混凝土密實度，均勻振搗，嚴格控制振搗時間、控制水灰比等。同時，為了控制混凝土孔隙結(jié)構(gòu)、水飽和程度，控制混凝土的水灰比和含氣量。由于水灰比較小的試塊經(jīng)歷相同次數(shù)的凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失較小，抗壓強度損失率較少。所以，在相同的條件下，水灰比較小的試塊抗凍性要更好。

為了防治碳化和氯化作用，除了適當減小水灰比外，往往采用涂料封閉，或者鑿除碳化層，并采用高強砂漿或采用高強混凝土等方式。設(shè)計方面，可適當增加保護層厚度。選材方面，應(yīng)盡量提高混凝土自身對鋼筋的保護能力及鋼筋本身的抗銹能力，控制混凝土拌合物中的氯鹽含量等。

對于堿集料反應(yīng)的防治，往往采用低堿水泥和非活性骨料的方法。

3.3對于雜散電流腐蝕

雜散電流腐蝕是電化學(xué)銹蝕，根據(jù)雜散電流的研究可以將防治方法分成電流防護和陰極保護等方法。

（1）電流防護。控制電流泄露的途徑，減小雜散電流流入高鐵沿線鋼結(jié)構(gòu)，使用高阻抗混凝土等。這是解決雜散電流腐蝕的根本方法，但是由于各種條件的限制以及技術(shù)問題，難以做到完全屏蔽電流流入。因此，在高鐵沿線可以采用排流的方式，將管道中流動的干擾電流，人為使之直接回流到鐵軌或回歸線，返回整流器。

（2）陰極保護。根據(jù)原電池原理，將還原性較強的金屬作為保護極，與被保護金屬相連，構(gòu)成原電池。常見的方法就是在鋼結(jié)構(gòu)上連接一塊較鋼鐵更為活潑的金屬板，如鋅板等。因為鋅板的電位比鋼鐵低，所以鋼鐵結(jié)構(gòu)作為陰極可以受到保護。此種方法常常用在不容易采用覆蓋法的地方，如地下管道等。

（3）提高鋼筋混凝土抗雜散電流的能力。一方面是添加適當?shù)膿胶狭?，摻入礦物摻合料能改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高密實度，增大混凝土的電阻。另一方面，為了防治雜散電流腐蝕，建議前期著手準備，不僅從供電距離，變電所位置考慮，還應(yīng)合理敷設(shè)排流系統(tǒng)并加以監(jiān)測。通過各方的積極配合，減少雜散電流的危害。

3.4對于鋼結(jié)構(gòu)涂層的失效

要提高涂層耐久，就要選擇具有足夠的耐候性、抗老化的面漆等方法。要增強涂層的結(jié)合強度，就要選擇性能較好的底漆，鋼結(jié)構(gòu)在表面預(yù)處理后，絕對不能有油脂、銹跡、塵土、水分等。

除了涂層耐久、結(jié)合力不足等問題，在涂料進場時，加強對于其質(zhì)量的檢測。在施工中更重要的是減少施工中的缺陷產(chǎn)生，防止涂膜不連續(xù)、針孔、液泡、厚度不均等?？刂坪媒佑|面的粗糙程度，適當?shù)拇植诙扔欣谔岣咄繉拥母街?。利用好天氣進行涂層施工，灰塵天氣、雨天、霧天、下雪天、落雹天氣均不宜施工。溫度最佳為10乞～30乞，空氣相對濕度W70%。施工后，可對漆膜的厚度進行監(jiān)測，確保油漆面滿足設(shè)計厚度要求。

高鐵站區(qū)所在的地區(qū)往往晝夜溫差大，夜間“天窗修”施工期間往往會發(fā)生“結(jié)露”。而發(fā)生“結(jié)露”的溫度，會在水汽含量、氣壓不變的情況下，隨著溫度下降而升高。導(dǎo)致的了上半夜施工的油漆狀況良好，而下半夜油漆更容易剝落的問題。

由于紫外線、高低溫循環(huán)等會使得涂層老化，附著力下降等，因此，適時打磨老涂層，噴涂新涂層也是鋼結(jié)構(gòu)銹蝕防護中不可或缺的一環(huán)。

4結(jié)束語

新建成的高鐵站由大量的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，桁架構(gòu)件、雨棚屋面等鋼結(jié)構(gòu)受力部件更易受到銹蝕的侵害。這不僅會造成的承載力損失，更可能對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響，所以高鐵站區(qū)的運維中，銹蝕的防治刻不容緩。

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