耐候桥梁钢室外挂片试验研究

汪志甜，王倩

（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088）

0 引言

美国FHWA统计涂装费用为建造费用的7%，英国学者认为耐候钢桥梁可以降低5%建造成本，日本学者统计涂装费用占到了建设费用的5%～15%。涂装不仅提高了建设成本，还提高了维护成本，而且对于某些桥梁而言，涂装难度也需要考虑。耐候钢，又称耐大气腐蚀钢，含有少量Cu、P、Cr、Ni、Mo等合金元素，在大气腐蚀条件下，其腐蚀产物和基体之间能够形成一层致密、连续、合金元素Cu、Cr、P等富集的内锈层。凭借该层锈的保护，该耐候钢显示出良好的耐大气腐蚀性能。采用耐候钢建造桥梁，可以降低钢结构桥梁服役过程中维修养护的要求，大大减少了维护直接费用、中断交通间接费用，并延长使用寿命，同时能够保护环境，符合可持续发展战略要求。

为研究耐候桥梁钢在室外环境的腐蚀量和锈层的形成过程以及适用性，为耐候钢桥梁设计提供指导，本文开展耐候桥梁钢室外挂片试验。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验材料选取8#普通碳钢（Q345qD）、9#耐候钢（Q345qDNH）两种试样。

将上述两种试样加工成40×50×5mm的试片，用砂纸进行倒边后，逐级用水砂纸打磨到1000#，然后进行冷水冲洗→去离子水清洗→酒精清洗→吹干→置入干燥器中冷却24h后进行试验。每次处理以确保试样表面无新形成的氧化层，表面状态均匀一致。

1.2 试验方法

室外挂片试验在实验室室外进行，采用挂片+浇水的方式进行。液体选用0.01mol/L的NaHSO3溶液和3.5%的NaCl溶液，每种钢材制作20个试样，15个浇NaHSO3溶液，5个浇NaCl溶液。失重分析时每次取3个试件计算腐蚀失重，于第1、2、4、6、8周共计五次失重分析。每天上午9点和下午4点均匀将液体撒在钢材表面。

1.2.1 腐蚀试样表面形貌观察与分析

将不同试验周期的各个试样取回后，利用相机对腐蚀后试样表面的宏观形貌进行观察拍照，对比不同腐蚀周期下试样宏观形貌的变化情况。

图1 腐蚀试样尺寸示意图（单位：mm）

图2 挂片示意图

1.2.2 失重分析

各组试验结束后，首先利用除锈液对其进行除锈，根据国标《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》（GB/T 16545-2015），选用除锈液对6种试验钢表面的腐蚀产物进行清洗。对于普通低合金碳钢，除锈液的成分为500 mL盐酸+500mL蒸馏水+3.5 g六次甲基四胺；除锈后用去离子水进行清洗，再置于乙醇溶液中浸泡，随后取出吹干，置于干燥器中保存。放置24 h后利用分析天平进行称量并记录除锈后质量G1。通过下面对失重进行计算：

W——失重量（g/cm）；

G——试样原始重量（g）；

G——试样腐蚀后重量（g）；

a、b、c——分别为试样长度、宽度、厚度（mm）。

2 试验结果

2.1 宏观形貌观察

经过八周的试验后，对每周的试样进行取样观察，耐候钢及碳钢的锈层外观在浇0.01mol/L的NaHSO3溶液时如图3和图4所示。如图可以看出，随着时间的延长，锈层从最初的浅黄色转变为青黑色，随着时间的延长，锈层又逐渐由青黑色转变为红棕色。由于室外悬挂，打孔处遇到雨水天气会有流锈以及斑点等产生。对加速8周后的试样表面进行观察，可以看到锈层比浇水8周时的更厚更致密，锈层表面呈现颗粒状，宏观状态下试验钢和对比钢的形貌无明显区别。

图3 耐候钢锈层外观（NaHSO3）

图4 碳钢锈层外观（NaHSO3）

经过三周的试验后，对每周的试样进行取样观察，耐候钢及碳钢的锈层外观在浇3.5%的NaCl溶液时如图5和图6所示。如图可以看出，随着时间的延长，耐候钢和碳钢表面均发生了严重的局部腐蚀，形成了较深的腐蚀坑槽，表面发生了鳞片状剥离，说明该种田园耐候钢不适合在海洋大气中使用，在使用除冰盐时也要注意及时清除。

图5 耐候钢锈层外观（N a C l）

图6 碳钢锈层外观（NaCl）

2.2 腐蚀失重分析

下表是两种试验材料8周内浇0.01mol/L的NaHSO3溶液的腐蚀失重结果，失重取一组3个平行式样的平均值。图7是两组试样腐蚀失重和腐蚀速率随腐蚀时间的变化。

图7 两组试样随腐蚀时间的变化曲线

由图7中的腐蚀失重一时间的关系曲线可以看到，腐蚀失重都随着时间的延长而增加，其中耐候钢的失重明显低于普通低碳钢；根据图7中推导出的腐蚀速率随时间的变化曲线可以看出，耐候钢的腐蚀速率与低碳钢都随时间增加而下降，且明显低于低碳钢的腐蚀速率。后期耐候钢腐蚀速率下降到相对稳定，说明耐候钢的锈层对基体有一定的保护作用，耐蚀性能较好。

不同试验周期下腐蚀失重结果

3 结论

本实验分别对普通碳钢（Q345qD）和耐候钢（Q345qDNH）在室外进行挂片试验，采用挂片+浇水（液体选用0.01mol/L的NaHSO3溶液和3.5%的NaCl溶液）的方式观察试验试件8周，对试件宏观形貌和失重进行分析，得到以下结论：

①耐候钢的腐蚀速率与低碳钢都随时间增加而下降，且明显低于低碳钢的腐蚀速率。后期耐候钢腐蚀速率下降到相对稳定，说明耐候钢的锈层对基体有一定的保护作用，耐蚀性能较好。

②在浇3.5%的NaCl溶液时，随着时间的延长，耐候钢和碳钢表面均发生了严重的局部腐蚀，形成了较深的腐蚀坑槽，表面发生了鳞片状剥离，说明该种田园耐候钢不适合在海洋大气中使用，在使用除冰盐时也要注意及时清除。