高铁站区钢结构锈蚀的研究及解决方案

魏伟

摘要：钢结构因其轻质高强、施工简便等优点，被广泛用于高铁建设中。尤其是在新建成的高铁站区，钢结构占据了很大的比重。钢结构的耐腐蚀性差，导致其容易产生锈蚀。根据锈蚀发生的部位、程度产生钢结构承载能力降低，混凝土膨胀破坏等严重后果。本论述为了应对高铁站区不同种类钢结构锈蚀的问题，通过逐类分析高铁站区普通钢结构锈蚀、钢筋混凝土锈蚀、杂散电流腐蚀、钢结构涂层的危害，分别给出相应的解决方案，以便在实际工作中起到参考的作用。

关键词：高铁;车站;钢结构;锈蚀

中图分类号：U292文献标志碼：A

1概述

随着我国高铁的不断发展，高铁“八纵八横”网络的快速贯通。而高铁站区的快速建设，离不开钢结构的大量使用。因钢结构具有结构可靠性高、自重较轻、抗震抗冲击性好、施工简便、装配快速等优越性，新建站房的雨棚、横梁、支柱等，大量采用钢结构设计。然而，钢材料锈蚀会严重影响钢材料的力学性能，导致房建设备安全隐患的同时，还会随着时间的推移而愈发严重。

2锈蚀原因

2.1钢结构的锈蚀

普通钢结构锈蚀，主要分为化学腐蚀（干锈蚀）和电化学腐蚀（湿锈蚀）两种。

化学腐蚀（干锈蚀），指钢结构在日常工作中在氧化性介质接触（如：空气、氧、水蒸气、二氧化硫、氯等）成疏松氧化物的锈蚀。这种锈蚀在干燥条件下发生较缓慢，在高温高湿以及干湿交替情况下发生尤为迅速。电化学腐蚀（湿锈蚀）指钢结构表面与电解质溶液接触后产生电子转移的原电池反应。钢材在潮湿环境下与周围的杂质发生原电池反应，导致铁锈的产生。电化学腐蚀的发展速度会随着腐蚀的严重性变大而变快。

高铁站区的钢结构建筑物在日常工作运维中，经常处于高温高湿等不良工作环境，加剧了钢材的锈蚀可能。其中，最普遍发生锈蚀是电化学腐蚀。

对于电化学腐蚀的原电池反应，阳极区表现为氧化反应：

（1）

阴极区，则表现为还原反应：

（2）

游离的2Fe2+和OH-结合生成了 Fe（OH）2絮状物，再经过空气中氧气的氧化，会形成处（0丑）3沉淀。所以电化学腐蚀的总反应方程式如下所示。

（3）

这种化学反应常常发生在裸露、高温高湿、油漆破损的钢结构上。同时由于铁锈的积存，使空气中的水更容易聚集，导致电化学腐蚀的发展速度会随着锈蚀严重性的变大而变快。并且，腐蚀严重处不仅会影响该处的强度，还会造成应力集中，这又会加速钢结构的破坏。

2.2钢筋混凝土锈蚀

高铁站区大量使用钢筋混凝构件。钢筋混凝土构件是在混凝土中添加钢筋等材料来改善混凝土性能的构件，具有广泛的优点。因承载荷载等原因，钢筋混凝土构件也被广泛运用在了高铁站房之中。钢筋锈蚀危害主要体现在，锈蚀产物降低了钢筋与混凝土的粘接力和锈蚀对钢筋的强度产生影响等，体积增大至原来的2至6倍。钢筋的阳极区，也会因锈蚀而产生膨胀疏松的铁锈。严重情况下，会使得主体钢筋受到机械性挤压而断裂。并且，这种腐蚀是难以及时发现并维护的。

钢筋混凝土锈蚀原因主要有。

（1）混凝土开裂。作业不规范、冻融循环会等导致混凝土开裂，甚至钢筋裸露锈蚀。混凝土受冻融的影响，毛细孔中的水会结冰，产生膨胀应力和渗透压力，造成冻融破坏，使混凝土开裂。随着混凝土内部微裂缝的扩大，混凝土往往会松动剥落，钢筋受到空气和水的影响，产生锈蚀。

（2）碳化作用。二氧化碳水泥中的碱Ca（OZ/）2反应生成CaCO，，从而导致钢筋所处环境pH值变小，严重影响钢筋混凝土结构的力学性能和耐久性能。当 pH值小于11时，钢筋就不再处于惰性状态O使钢筋更容易锈蚀。

（3）氯化作用。在盐碱地或者采用撒盐融冰的地区，往往会发生Cl～渗透进入混凝土引起的钢筋锈蚀破坏。其中的化学反应原理与电化学腐蚀类似。

（4）碱集料反应。指的是混凝土中的碱和集料发生的破坏性膨胀反应。它的反应分为碱和硅酸盐的反应与碱和碳酸盐的反应：

2Na2O + SiO2= Na20- SiO2+H2O（4）

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

（5）钢筋发生锈蚀后，疏松氧化物与混凝土间失去机械咬合作用从而影响粘结性能。当锈蚀逐渐严重，氧化物会产生向外膨胀力，最终导致结构破坏、混凝土开裂、钢筋裸露。并且，钢筋锈蚀会引起钢筋强度降低，影响建筑物安全性。

2.3杂散电流腐蚀

电气化高铁线路，电压高达27.5 kV，线路周边的金属常常是微弱带线状态，这就易造成杂散电流腐蚀。这种腐蚀类似于电化学腐蚀，原理也类似。电流在金属中流动一段距离后离开回到大地中，在离开点的腐蚀就是杂散电流腐蚀。所以高铁沿线的钢结构、设备金属外壳、地下金属管线等是受杂散电流腐蚀影响的。并且杂散电流的腐蚀速度相较于自然腐蚀要快的多，其危害也是不容忽视的。

杂散电流也会影响到钢筋混凝土的耐久性。主要是：杂散电流降低混凝土对氯离子的物理吸附;降低钢筋锈蚀临界氯离子浓度和加速氯离子向混凝土内部迁移导致混凝土保护层提前开裂等。

由于管道多区段与电气化铁路并行或者跨越，高铁站区受到杂散电流腐蚀的危害正在逐步扩大。资料显示，南京段高铁与油气长疏管道的并行长度达8 km。而且南京站至镇江站之间有82.73 km的管道阴极保护系统无法达到稳定保护效果，且管道对地电位波动幅度较大。所以，杂散电流也是亟待解决的锈蚀问题。

2.4钢结构涂层的失效

高铁站区不少雨棚柱会出现油漆涂层褪色，变色，龟裂，粉化和强度下降等问题。是由于涂层的耐候性明显不足、结合强度不足和施工缺陷导致的。

涂层耐候性是指涂料抵抗室外的气候的考验的耐受能力，如光照、冷热、风雨造成的破坏等。涂层耐候性是涂层本身的性能属性，涂层的老化，可使得吸水率、孔隙率明显增加，使受保护的结构更容易锈蚀。

涂层结合强度，不仅指涂层与受保护的钢结构表层结合不牢固，还指的是不同涂层之间的相容性不好。涂层与受保护的钢结构表层结合不牢固，主要受：钢结构表明洁净程度、应力状态、粗糙度等因素的影响。

施工缺陷，指的是在涂层施工过程中存在着的施工问题、成膜缺陷等引起的缺陷。比如基材处理不彻底，施工气温过高或过低，环境湿度高大，在硫化物、氮化物、粉尘等污染物等影响涂层施工的问题。不良的涂装会导致涂层的附着力、涂膜性能下降，造成涂层过早地失效。在高铁雨棚柱上，焊缝处的涂层比钢结构其他表面更加薄弱。原因是焊缝的粗大轮廓使得涂层厚度不够，导致涂层易受到破壞。

3防治方法

3.1对于钢结构锈蚀

为了阻止普通锈蚀的化学反应发生，较为经济的方法是采用覆盖法。覆盖法是在钢结构表面覆盖一层保护膜，从而有效减轻钢结构的锈蚀。

覆盖物的选用，一般为耐锈蚀金属或者非金属材料。前者通常选择电镀或者喷镀的方法，在钢结构表层镀上一层锌、铜、倍、镣等材料来提高抗锈蚀能力。后者最常见的方法是喷涂表面油漆。应用时一般为两道底漆（或者一道底漆和一道中间漆）与两道面漆，要求较高时，可以增加一道中间漆或者面漆。并且面漆常采用灰铅漆、醇酸磁漆和酚醛磁漆。底漆往往采用云母氧化铁底漆、铁红环氧底漆、红丹防锈底漆和环氧富锌漆。

通过覆盖的方法，可以将钢结构与周围不利环境隔离，从而起到预防锈蚀的作用。同时，根据工地地区环境、气候、水文等条件，合理的选用加入了馅、镣、锡、钛、铜等合金元素的合金钢，使钢材更加耐腐蚀。

同时，建议从设计源头上采用耐候钢结构，通过提高钢结构自身的耐腐蚀性来抵御环境中的不良因素侵害。

3.2对于钢筋混凝土锈蚀

对于钢筋混凝土锈蚀的预防，主要防范钢筋混凝土冻融裂痕、发生碳化作用、氯化作用、碱集料反应。主要解决两个方面：混凝土层裂痕的防治和混凝土材料的控制。

在混凝土层裂痕的防治上，要严重施工质量，保证混凝土密实度，均匀振捣，严格控制振捣时间、控制水灰比等。同时，为了控制混凝土孔隙结构、水饱和程度，控制混凝土的水灰比和含气量。由于水灰比较小的试块经历相同次数的冻融循环后，质量损失较小，抗压强度损失率较少。所以，在相同的条件下，水灰比较小的试块抗冻性要更好。

为了防治碳化和氯化作用，除了适当减小水灰比外，往往采用涂料封闭，或者凿除碳化层，并采用高强砂浆或采用高强混凝土等方式。设计方面，可适当增加保护层厚度。选材方面，应尽量提高混凝土自身对钢筋的保护能力及钢筋本身的抗锈能力，控制混凝土拌合物中的氯盐含量等。

对于碱集料反应的防治，往往采用低碱水泥和非活性骨料的方法。

3.3对于杂散电流腐蚀

杂散电流腐蚀是电化学锈蚀，根据杂散电流的研究可以将防治方法分成电流防护和阴极保护等方法。

（1）电流防护。控制电流泄露的途径，减小杂散电流流入高铁沿线钢结构，使用高阻抗混凝土等。这是解决杂散电流腐蚀的根本方法，但是由于各种条件的限制以及技术问题，难以做到完全屏蔽电流流入。因此，在高铁沿线可以采用排流的方式，将管道中流动的干扰电流，人为使之直接回流到铁轨或回归线，返回整流器。

（2）阴极保护。根据原电池原理，将还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属相连，构成原电池。常见的方法就是在钢结构上连接一块较钢铁更为活泼的金属板，如锌板等。因为锌板的电位比钢铁低，所以钢铁结构作为阴极可以受到保护。此种方法常常用在不容易采用覆盖法的地方，如地下管道等。

（3）提高钢筋混凝土抗杂散电流的能力。一方面是添加适当的掺合料，掺入矿物掺合料能改善混凝土的孔结构，提高密实度，增大混凝土的电阻。另一方面，为了防治杂散电流腐蚀，建议前期着手准备，不仅从供电距离，变电所位置考虑，还应合理敷设排流系统并加以监测。通过各方的积极配合，减少杂散电流的危害。

3.4对于钢结构涂层的失效

要提高涂层耐久，就要选择具有足够的耐候性、抗老化的面漆等方法。要增强涂层的结合强度，就要选择性能较好的底漆，钢结构在表面预处理后，绝对不能有油脂、锈迹、尘土、水分等。

除了涂层耐久、结合力不足等问题，在涂料进场时，加强对于其质量的检测。在施工中更重要的是减少施工中的缺陷产生，防止涂膜不连续、针孔、液泡、厚度不均等。控制好接触面的粗糙程度，适当的粗糙度有利于提高涂层的附着力。利用好天气进行涂层施工，灰尘天气、雨天、雾天、下雪天、落雹天气均不宜施工。温度最佳为10乞～30乞，空气相对湿度W70%。施工后，可对漆膜的厚度进行监测，确保油漆面满足设计厚度要求。

高铁站区所在的地区往往昼夜温差大，夜间“天窗修”施工期间往往会发生“结露”。而发生“结露”的温度，会在水汽含量、气压不变的情况下，随着温度下降而升高。导致的了上半夜施工的油漆状况良好，而下半夜油漆更容易剥落的问题。

由于紫外线、高低温循环等会使得涂层老化，附着力下降等，因此，适时打磨老涂层，喷涂新涂层也是钢结构锈蚀防护中不可或缺的一环。

4结束语

新建成的高铁站由大量的钢结构构成，桁架构件、雨棚屋面等钢结构受力部件更易受到锈蚀的侵害。这不仅会造成的承载力损失，更可能对钢结构的稳定性造成影响，所以高铁站区的运维中，锈蚀的防治刻不容缓。

参考文献：

[1]庄华夏，蔡跃波，陈迅捷，等.钢筋混凝土杂散电流腐蚀研究综述[J].混凝土，2019（6）：31-36.

[2]张焕斗.地铁杂散电流腐蚀机理及防护措施研究[D].青岛：青岛大学，2018.

[3]张琦，马宁，宋涛，等.浅析建筑钢结构油漆涂层失效的成因与控制[J].中国建筑金属结构，2013（10）：32.

[4]孔玉琴.钢筋混凝土中钢筋锈蚀综述[J].甘肃科技纵横，2012，41（5）：137-138，83.

[5]解红珍，赵静，高燕，等.银川市埋地天然气管道腐蚀原因分析及控制途径[J].化学工程师，2012，26（1）：43-44.

[6]何立军，张来林，杨晨晓，等.粮食的结露与处理[J].粮食流通技术，2010（1）：19-20，27.

[7]

张朝晖.石油储罐防腐涂料施工方法[J].现代涂料与涂装，2008（3）：37-39.