除冰盐环境下桥梁钢的耐腐蚀性能研究

摘要

采用干湿交替腐蚀实验和全浸腐蚀实验结合锈层物相分析，研究了桥梁钢Q345qENH、Q420qENH和对比钢种Q345qE在除冰盐环境下的腐蚀行为。结果表明：耐候桥梁钢Q345qENH、Q420qENH在除冰盐腐蚀环境的耐蚀能力明显优于Q345qE钢；同种桥梁钢在不同的结构部位受除冰盐腐蚀程度相差较大，Q345qENH、Q420qENH和Q345qE钢干湿交替腐蚀的加速倍率分别是其全浸腐蚀的26.88倍、27.5倍和33.75倍；干湿交替腐蚀实验随着时间的延长锈层物相结构及含量均有所变化，绝缘的非活性物质α-FeOOH相的增加是导致实验后期腐蚀速率下降的重要原因。

关键词： 桥梁钢； 除冰盐； 干湿交替； 全浸； 腐蚀行为

随着城市化建设的加快，使用融雪剂清除积雪导致的路桥破坏愈发成为一个全球性的难题[1-3]。我国北方地区每年因使用融雪剂造成的直接和间接损失高达10亿元人民币[4-6]。融雪剂具有一定的危害性，对钢桥的影响尤为严重，大大缩短了桥梁的使用寿命[7,8]。目前，国内外广泛使用3种融雪剂：一是以醋酸钾 （C2H3KO2） 为主要成分的有机融雪剂；二是氯盐类的无机融雪剂，如NaCl、CaCl2、MgCl2和KCl等，即“除冰盐”；三是以氯盐加非氯盐或缓蚀剂的混合型融雪剂[9]。目前应用最多的是氯盐类融雪剂，其具有效果好、速效性高、原料易得、价格低廉等特点，但对大型公共基础设施的腐蚀和生态环境的破坏性较大[10,11]。未来我国将新建更多的桥梁工程，同时桥梁工程将向高寒地域发展，因此对桥梁钢在除冰盐环境中的耐腐蚀性能进行研究，为高寒地区的桥梁钢选材提供依据，具有重要意义。

本研究以耐候桥梁钢Q345qENH、Q420qENH和对比钢种Q345qE为研究对象，采用干湿交替腐蚀实验方法、全浸腐蚀实验方法和锈层物相分析方法，研究了其在除冰盐环境下的腐蚀行为。

1 实验方法

实验钢为鞍钢生产的耐候桥梁钢Q345qENH、Q420qENH和对比钢种Q345qE，腐蚀试片为接近钢板表面取样。化学成分见表1。采用线切割制取尺寸为50 mm×50 mm×5 mm和50 mm×25 mm×5 mm的试样，在磨床上将试样表面磨光至7级，利用脱脂剂、去离子水和无水乙醇将表面清洗干净，放入干燥器24 h后称重。

表1   实验钢的化学成分 （mass fraction / %）

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桥梁钢板不同的结构部位在除冰盐腐蚀环境下腐蚀行为有所不同，处于通风处的结构部位除冰盐在除冰过程中呈液态、蒸干或凝结的干湿交替状态，采用与实际情况较接近的干湿交替腐蚀实验可以很好的模拟该部位的腐蚀环境，以便评价桥梁钢的腐蚀情况。干湿交替腐蚀实验在JR-A周浸实验箱内进行，腐蚀介质为依据GB/T 19746-2005配置的除冰盐。环境温度为30 ℃，湿度80%RH，水浴温度为30 ℃，每周期1 h，其中浸润时间为12 min，烘干时间为48 min。5个实验周期分别是2、4、8、16和32 d，平行试样数量是为4片。

采用全浸实验方法，模拟排水较差、易受潮、常浸润在除冰盐环境下的结构部位。全浸腐蚀实验在恒温水浴内进行，腐蚀介质为除冰盐，水浴温度为30 ℃，5个实验周期分别是2、4、8、16和32 d。

清理腐蚀产物依照GB/T 16545-1996，将500 mL密度为1.19 g/mL的盐酸、500 mL的蒸馏水和3.5 g六次甲基四胺配置成除锈液。

使用QUANTA 400型扫描电镜 （SEM） 对锈层形貌进行观测，使用X'PERT PRO X射线衍射仪 （XRD） 对干湿交替腐蚀实验后内锈层进行物相分析，采用Co靶、电压40 KV、电流40 mA。衍射范围为15°~105°，采用参比强度法 （RIR值） 对XRD分析结果进行半定量分析。

2 结果与讨论

2.1 干湿交替腐蚀行为

除冰盐干湿交替加速腐蚀实验不同时间的腐蚀形貌如图1所示，腐蚀2 h时，Q345qENH和Q420qENH表面出现约20~30个锈点，对比试样Q345qE表面锈点约为两种耐候桥梁钢的3倍。除冰盐具有较强的腐蚀性，实验进行2 h后，新鲜的试样表面与除冰盐接触时，引起电位差，从而产生一个个很小的微电池，其阳极反应即为Fe=Fe2++2e-。局部出现面积很小的锈点相对于表面没有被腐蚀的区域，这些锈点可以看成是小阳极，而此刻尚未被腐蚀的区域则可以看成是大阴极。大阴极、小阳极的组合就会加速已有锈点的进一步腐蚀，这时腐蚀产物会逐渐增多，以致附着在锈点周围，不断向未被腐蚀的区域蔓延。以腐蚀8 d为例，Q345qENH和Q420qENH的腐蚀程度明显轻于对比试样Q345qE。图2为干湿交替腐蚀32d SEM形貌，可以看出，耐候桥梁钢Q345qENH和Q420qENH锈层表面均较平整，锈层颗粒平均尺寸较小，有利于锈层的保护性能；对比试样Q345qE的锈层高低起伏较大，锈层均匀性较差，锈层颗粒平均尺寸较大，不利于锈层的保护性能。