桥梁钢的耐大气腐蚀性能研究

张军艳

(陕西交通职业技术学院 公路与铁道工程学院，陕西 西安 710018)

0 前 言

经济社会的繁荣发展，推进了基础设施建设步伐，桥梁作为其中的重要组成部分也步入了快速发展通道，且随着桥梁设计的优化及桥梁钢的深化发展，大规模、大跨度、高强度的大型钢桥建设成为了主流发展趋势，其对桥梁钢的综合性能提出了更高的要求，尤其是分布在沿海地区的跨江河、跨海湾公路、铁路两用钢桥，湿热海洋大气环境中，SO2含量较高， SO2和Cl-共存、反应成为常态，对桥梁钢造成极大的腐蚀性，该种环境下的大型钢桥不仅要求桥梁钢具备较高的强度、韧性、抗强震及焊接性，更要求其具备良好的耐大气腐蚀性能。而耐候钢由普通碳钢添加少量Cu、Ni等耐腐蚀性元素合成，可促使桥梁钢生成稳定锈层，改善内锈层的致密性，增强耐锈抗腐蚀性，而为了深化研究海洋大气环境中耐候桥梁钢的性能，确保大型桥梁的安全性、使用寿命，本文以内含合金元素Cu和Ni低碳桥梁钢为研究对象，通过干湿周浸润实验、电化学测试等来具体分析桥梁钢的耐大气腐蚀性，通过获得的耐受刚的钢基体极化曲线及电化学阻抗谱，深化认知Cu、Ni合金元素对于桥梁钢耐腐蚀性的作用性，从而为耐候钢在大型钢桥中的优化应用提供有效支撑。

1 实验材料及方法

1.1 试样制备

试验钢依据Cu含量不同划分为4类，分别编号，化学成分如表1所示，冶炼以50 kg真空感应炉熔炼，浇铸成钢锭，并经由拨皮、锻造，最后以450热轧机组扎成为12 mm厚的实验耐候钢板。

表1 试验耐候钢化学成分 %

在轧制方向上将试验钢切割成为30 mm×20 mm×5 mm，10 mm×10 mm×5 mm两种尺寸的试样，以备腐蚀实验、电化学测试，以砂纸将打磨表面，并依顺序进行超声波丙酮除油、去离子水去杂污、无水乙醇脱水、干燥器去湿，干燥后24 h后以0.1 mg精度称量试[1]。用电烙铁在10 mm×10 mm×5 mm尺寸的电化学试样背面焊上铜导线，而后预留出10 mm×10 mm工作面，用环氧树脂将试样镶好，且要保证环氧树脂与试样接触边缘不能存在气泡，以免影响电化学实验精确性，最后用砂纸将工作面打磨光滑。

1.2 实验方法

1.2.1 干湿周浸润加速腐蚀实验

用台钻将30 mm×20 mm×5 mm尺寸的试样钢钻出直径F=5 mm的孔，以800号砂纸将试样表面打磨光滑，参照标准TB/T2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》，在周期浸润腐蚀箱内模拟沿海的海洋大气环境[2]，腐蚀介质为0.5%、恒定温度42℃的NaCl溶液，箱内温度为45℃、恒定湿度为25%，一个浸润周期为60 min，其中浸没和非浸没时间分别为15，45 min，试验用时120 h，间隔24 h取样一次，每种实验钢取3个平行试样。

1.2.2 失重法腐蚀测试

失重分析是评估桥梁钢耐大气腐蚀性最有效的方法，试验中先将刮除4种试样钢的外部秀层，将其浸泡在由500 mg盐酸+500 mg蒸馏水+20 g 6次甲基四胺的除锈液中进行超声波清洗[3]，并用空白试样进行失重校正，以确保实验精确性，而后以无水乙醇清洗，吹干以0.1 mg精度称重。

平均腐蚀速率依据ASTMG1-03标准规定的公式进行计算。

V=(K×W)/(A×T×D)

(1)

式中V——平均腐蚀速率， mm/a；

K——常数，取值8.76×104；

W——失重质量，g；

A——试样表面积，cm2；

T——加速腐蚀时间，h；

D——试验钢密度，g/cm3。

1.2.3 电化学试验

采用PARSTAT2273电化学工作站测量极化曲线和电化学阻抗谱，电解质溶液为3.5 mass%、温度为25℃的NaCl溶液，三电极体系中参比电极、辅助电极、工作电极分别为饱和甘汞电极、石墨电极、试样(面积为1 cm2)[4]；利用动电位暂态法测量极化电机，以1 mV/s扫描速度，相对于自然腐蚀电位-250 mV～250 mV的扫描范围；电化学阻抗谱EIS测量的电压幅值为10 mV，扫描范围为10 mHz～100 kHz，共计测量50个点，以Zsimpwin软件分析实验结果。

2 实验结果与分析

2.1 试验钢的腐蚀动力学曲线

腐蚀测试中获得的试验钢腐蚀深度和腐蚀速率随时间的变化曲线如图1，可知，4种试验钢的腐蚀深度及速率均呈现逐渐上升并最终恒定的趋势，且依据由大到小的顺序分别为1号>2号>3号>4号，也即随着Cu含量的增加，平均腐蚀深度及速率整体趋势下降，在96 h和120 h时3号、4号钢腐蚀深度和速率近似，据此，耐候钢中Cu、Ni合金元素的存在能够有效降低腐蚀深度及速率，且随着Cu含量的增加，钢平均腐蚀深度及速率均有明显降低趋势，但在含量超过0.5%后，该种降低作用明显减弱。

1 1号钢; 2 2号钢; 3 3号钢; 4 4号钢

对上述实验数据进行回归分析，以验证耐候钢的大气腐蚀失重符合动力学经验公式：

C=Dtn

(2)

上式中，C、t分别为试验钢的腐蚀深度及时间；D为初始腐蚀程度，为常数，其与钢体表面化学性质及环境存在关联；n为腐蚀发展趋势，也为常数，其与钢种及大气环境相关[5]，该值越小则试验钢进一步腐蚀的可能性越小。

根据式(2)拟合试验钢周浸腐蚀试验失重数据，结果如表2所示，由该表可知：D1>D2>D3>D4，n1>n2>n3>n4，也即随着实验钢中Cu含量的增加，初始腐蚀程度D值及大气腐蚀发展趋势n值均逐渐下降，表明Cu可以增强钢基体的初期耐腐蚀性，并减弱耐候钢的大气腐蚀发展趋势，失重拟合结果与上述腐蚀深度及速率结果一致，可见，大气腐蚀初期Cu及Ni合金元素可增强耐候钢的大气腐蚀性能。

表2 4种试验钢周浸润腐蚀实验失重数据拟合结果

2.2 试验钢的极化曲线及电化学阻抗谱

2.2.1 钢的极化曲线

电化学试验后，在3.5%NaCl溶液中4种试验钢基体的极化曲线如图2所示，自腐蚀电位和腐蚀电流密度如表3所示，4种试验钢肌体的自腐蚀电位由高至低为：4号>3号>2号>1号，且相互之间的自腐蚀电位有着较大的差异，这说明钢基体自腐蚀电位随着Cu含量的增加而升高，钢中的Cu元素能够增强钢基体的耐大气腐蚀性。

1 1号钢; 2 2号钢; 3 3号钢; 4 4号钢

采用塔菲尔外推法，根据Faraday定律即可测定腐蚀速率：

V=icorr·N/F

(3)

上式中，V、icorr分别为腐蚀速率、腐蚀电流密度，N是金属原子量与金属价的比值，F是Faraday常数。

根据式(3)可知，腐蚀速率与腐蚀电流密度成正比，由表3可知4种试验钢的腐蚀电流密度由大至小1号>2号>3号>4号，1号是4号钢的4倍，3号、4号钢的电流密度基本相同，由此可知，Cu含量的增加，会减弱钢基体的初期腐蚀速率，而一旦该含量超过0.5%，则Cu的这种减弱功能将不再增加，也即钢基体的初期腐蚀将保持在特定水平不再变化。

表3 4种钢基体的自腐蚀电位和腐蚀电流密度

2.2.2 钢的电化学阻抗谱

在3.5%NaCl溶液中4种试验钢基体的电化学阻抗谱如图3所示，图3中圆弧的直径可视为极化电阻，可知，NaCl溶液中钢基体的极化电阻随着Cu含量的增加而升高，说明Cu元素可增强钢基体耐大气腐蚀性。

1 1号钢; 2 2号钢; 3 3号钢; 4 4号钢

由图3可知，电化学阻抗谱仅呈现一个半圆弧，说明NaCl溶液与是试样钢之间只有一个反应[6]，4种钢基体的等效电路如图4所示，根据该电路图可以拟合4种钢基体的极化电阻，由大至小依顺位为：D(11 901 Ω·cm2)>C(855.79 Ω·cm2)>B(659.72 Ω·cm2)>A (520.12 Ω·cm2)， 4号钢是1号钢极化电阻的2倍，可知Cu合金元素对耐候桥梁钢的初期耐腐蚀性具有明显作用。

Rs 溶液电阻；Rct 极化电阻；CPE 钢表面与溶液构成的双电层

3 结 语

在沿海地区大型钢桥建设和发展的背景下，本文利用干湿周浸润加速腐蚀实验、电化学测试、失重法等，在海洋大气环境下分析含有Cu、Ni合金元素的耐候桥梁钢，以深化认知桥梁钢的腐蚀规律、确保其长效使用性，通过实验，结果表明Cu、Ni合金元素可有效降低桥梁钢的整体腐蚀深度及速率，增强钢基体的初期腐蚀性，但Cu含量一旦超过0.5%则该种作用将明显降低，为此，大型钢桥建设中选用的桥梁钢Cu含量应该控制在0.5%之内，由此才能最大程度的减缓桥梁钢的大气腐蚀发展趋势，延长大型钢桥的使用寿命。

[1] 黄淑贤. 体外冲击碎石治疗泌尿系结石的疗效及护理措施[J]. 中国农村卫生, 2017(6): 60-63.

[2] 历纪正. 免涂装耐候桥梁钢的耐蚀性能及锈层稳定性研究[D]. 秦皇岛: 燕山大学, 2016.

[3] 李琳, 徐小连, 艾芳芳, 等. 晶粒尺寸对桥梁耐候钢耐大气腐蚀性能的影响[J]. 中国钢铁年会, 2013, 34(11): 1001-1004.

[4] 李琳. 晶粒尺寸对桥梁耐候钢耐大气腐蚀性能的影响第九届中国钢铁年会论文集[C]. 北京: 中国金属学会, 2013.

[5] 高新亮. 耐候桥梁钢成分设计与组织性能研究[D]. 沈阳: 东北大学, 2013.

[6] 高彩茹, 杜林秀, 王磊, 等. 一种460 MPa高强度桥梁钢的耐蚀性能[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2009, 30(10): 1425-1428.