钢结构桥梁腐蚀特性分类.docx

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钢结构桥梁腐蚀特性分类

钢结构桥梁腐蚀特性分类

众所周知，钢结构因为腐蚀不到位，每年损失巨大，所以，钢结构防腐工作重中之重，而目前，聚氨酯涂料、聚硅氧烷涂料、氟碳涂料防腐工艺，都有所应用，在桥梁、建筑钢结构、石油化工、电站、船舶和海上设施等领域都有直接的应用涂装，但实际根据不同的防腐要求和防腐年限，客户可以有不同针对性的选择：

关键词：

聚氨酯涂料、氟碳涂料、聚硅氧烷涂料，钢结构防腐，水性氟碳涂料、PVDF氟碳涂料、固化剂、稀释剂、脱漆剂

钢结构桥梁的腐蚀特性

一.钢铁的腐蚀原理

钢铁的腐蚀在自然界里是不可避免的，如何防止钢铁大桥的腐蚀，延长大桥的使用寿命，是桥梁建设中的重要任务。

防止钢铁的腐蚀，就有必要首先了解钢铁腐蚀的机理。

1.钢铁的自然腐蚀趋势

除了少数贵金属外，金属都由其自然态的矿石，通过消耗能量的冶炼，电解等方法而获得的。

在自然界里发现的铁都不是纯铁，铁是铁矿石放在高炉里或是加热炉里提炼出来的。

冶炼过程中还加入了煤矿或焦炭，并加热至很高的温度。

在这个过程中，铁矿石吸收了大量的能量，这种能量一部分就贮藏在钢铁中。

因此，任何一块钢铁都可以看作是一个充了电的蓄电池。

这块钢铁以后就会以电的形式将贮存的能量释放出来。

钢铁在能量释放过程中，某些成份耗费了即钢铁产生了腐蚀。

这样钢铁就回到了能够稳定存在的自然态。

因此，金属随时随地都有恢复到自然化合态（矿石）的倾向，并释放出能量。

腐蚀的过程就是金属从热力学不稳定的原子态，转变成热力学稳定的离子态，即金属的能量降低的过程，这就是金属自然腐蚀的趋势。

2.钢铁的电化学腐蚀

腐蚀可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

化学腐蚀是金属与腐蚀介质间发生化学作用而产生的腐蚀，比如钢铁在非电解质溶液和有机溶剂中发生的腐蚀。

化学腐蚀的过程中没有电流的产生。

电化学腐蚀是金属和介质发生电化学反应而引起的腐蚀，在腐蚀过程中有隔离的阴极区和阳极区，电流可以通过金属在一定的距离内流动。

钢铁的腐蚀绝大多数情况下是电化学腐蚀。

在金属表面形成原电池是电化学腐蚀最为主要的条件。

当两种不同的金属放在电解质溶液中，并以导线联结，我们可以发现导线上有电流通过。

这种装置我们称之为原电池。

原电池放电所产生电化学反应，在阳极进行的是氧化反应，在阴极进行的是还原应。

从理论上说，单一金属在电解质溶液里只能形成双电层，不会产生腐蚀。

实际上除了金、铂等呈现惰性的金属外，其他金属单独放在电解质溶液中，由于表面电化学性的不均匀，从而产生了许多极小的阴极和阳极，构成了无数的微电池，也会产生电化学腐蚀。

许多原因造成了金属表面化学性不均匀。

这些原因包括：

化学成份不均匀、组织的不均匀、物理状态的不相同、表面膜不均匀、氧气溶度差异、宏电池腐蚀、电偶腐蚀、氧浓差电池等。

二.桥梁钢结构的腐蚀形态

桥梁钢结构的腐蚀形态有多种多样，可以分为均匀腐蚀和局部腐蚀。

在局部腐蚀中，又可以细分多种形态。

.包括：

1、均匀腐蚀，其作用是均匀地发生在整个金属表面上，并在平面上逐步地使金属腐蚀并降低其各项性能。

2、点蚀，局部性腐蚀状态，可以形成大大小小的孔眼，但绝大多数情况下是相对较小的孔隙。

从表面上看，点蚀互相隔离或靠得很近，看上去呈粗糙表面。

点蚀是大多数内部腐蚀形态的一种，即使是很少的金属腐蚀也会引起设备的报废。

3、电偶腐蚀也称之为双金属腐蚀。

由多种金属组合而成的部位，如铝与铜，铁与锌，铜与铁等等。

在电解质水膜下，形成腐蚀宏电池，会加速成其中负电位金属的的腐蚀。

影响电偶腐蚀的因素有环境，介质导电性，阴阳极的面积比等。

在潮湿大气中也会发生电偶腐蚀，湿度越大或大气中含盐份越大多（如靠近海边），则电偶腐蚀越快。

大阴极小阳极组成的电偶，阳极腐蚀电流密度愈大，腐蚀蚀愈严重。

电偶腐蚀首先取决于异种金属之间的电位差。

这里的电位指的是两种金属分别在电解质溶液（腐蚀介质）中的实际电位，即该金属在溶液中的腐蚀电位。

电位差越大，其他条件不变，腐蚀可能越大。

为了防止电偶腐蚀的方法，要尽量避免电位差悬殊的异种金属作导电接触；避免形成大阴极小阳极的不利面积比，面积小的部件宜用腐蚀电位较正的金属；电位差大的异种金属组装在一起时，中间一般要加绝缘片，垫片紧固不吸湿，避免形成缝隙腐蚀；设计时，选用容易更换的阳极部件，或将它加厚以延长寿命；可能时加入缓蚀剂或涂漆以减轻介质的腐蚀，或加上第三块金属进行阴极保护等。

4、缝隙腐蚀，一般发生在处于腐蚀液体中的金属表面或其它屏蔽部位，是一种严重的局部腐蚀。

经常发生于金属表面缝隙中。

桥梁结构非常复杂，金属孔隙，密封垫片表面，螺丝和铆钉下的缝隙内等，都会有溶液的积留而引起缝隙腐蚀。

并不是一定要有缝隙才可以发生这种腐蚀，它也可能因为在金属表面上所覆盖的泥沙、灰尘、脏物等而发生。

几乎所有的腐蚀性介质，包括淡水，都能引起金属的缝隙腐蚀，而含氯离子的溶液通常是最敏感的介质。

为了防止缝隙腐蚀，主要是在结构设计中避免形成缝隙，避免造成容易产生表面沉积的条件。

因此，对接焊比铆接或螺栓连接要好。

容器设计上要避免死角和尖角，以便于排除流程液体。

垫片要采用非吸湿性材料，以免吸水后造成腐蚀介质条件。

此外也可以采用电化学保护的方法来防止，方法是外加电流。

5、应力腐蚀，在一定环境中由于外加或本身残余的应力，加之腐蚀的作用，导致金属的早期破裂现象，叫应力腐蚀，通常以SCC（Stress-Crossion-Crack）表示。

金属应力腐蚀破裂只在对应力腐蚀敏感的合金上发生，纯金属极少产生。

合金的化学成分、金相组织、热处理对合金的应力腐蚀破裂有很大影响。

处于应力状态下，包括残余应力、组织应力、焊接应力或工作应力在内，可以引起应力腐蚀破裂。

对于一定的合金来说，要在特定的环境中才会发生应力腐蚀破裂。

例如不锈钢在海水中，铜合金在氨水中，碳钢在硝酸溶液中。

防止应力腐蚀破裂的主要方法是消除一切应力或施以压应力，设备加工或焊接后最好进行除应力退火，或进行喷砂处理造成表面压应力。

改变介质的腐蚀性，使其完全不腐蚀（添加缓蚀剂），或者使其转为全面腐蚀，均可防止就因腐蚀破裂。

选用耐应力腐蚀破裂的金属材料，使其不能构成材料／环境组合。

6.、腐蚀疲劳，钢铁在交变应力作用和腐蚀介质的共同作用下产生的腐蚀叫作腐蚀疲劳。

它往往成群出现。

高强度钢丝绳经常出现腐蚀疲劳。

减少腐蚀疲劳的主要方法是选择在预定环境中抗腐蚀的材料，以及对材料表面进行镀锌、涂漆等方法减轻腐蚀疲劳的作用。

三.钢铁桥梁的不同部位的腐蚀特性

桥梁建设中，使用了大量的钢材，来建造钢箱梁、钢管拱、悬索、钢桁架和缆索等。

早期的桥梁混凝土技术还没有现在那么发达，除了桥墩，几乎全部是钢铁结构。

而日本的钢铁工业非常发达，又由于日本为地震多发国，钢铁桥梁的抗震性能要强于混凝土结构，除了桥塔外，在关西新机场的联络桥上面，连桥墩也使用了钢结构。

由于桥梁的结构形态不同，所以各部位的腐蚀特性各有不同。

铁路钢桥最多采用的钢桁梁结构最为复杂。

箱形的加劲梁的腐蚀由于内部采用抽湿系统，大大缓解了腐蚀带来的隐患。

斜拉索和悬索的腐蚀由于是线形结构，又处在高空，其腐蚀特点又不同于其它钢结构。

1.铁路钢桥的桁梁结构

桥梁的主体部分是上部结构，受到的腐蚀主要是大气腐蚀。

随着大气环境的不同，桥梁受到的腐蚀也不同。

跨海大桥受到海洋性气体中氯离子的侵蚀，腐蚀环境最为恶劣。

处于工业区和城市的桥梁，由于大气环境很差，受到的腐蚀也很严重。

桥梁的结构复杂，各部位的腐蚀情况也有很大的不同。

铁路桥梁或公路铁路两用桥梁，多采用复杂的钢桁梁结构，腐蚀情况多种多样。

铁路钢质桥梁可以分桁梁和板梁，两种加劲梁都分为上承式和下承式两种，上承桁梁和下承桁梁结构上承板梁和下承板梁结构铁路钢桥的腐蚀部位可以分为两个部位，即钢桥和钢轨以下和以上的部位，两者由于所处位置不同，腐蚀条件也有差异。

钢桥、钢轨以下的部位，如上承桁梁的下弦杆、纵梁和横梁等，上承板梁的所有部位等，主要腐蚀物的来源有客车上的自由排放的各种污物、污水，通过轨道污染所以下面的钢结构；再者就是货车运行中飘落的各种粉尘，如煤粉尘，含酸或碱性货物的粉尘等。

受腐蚀最严重的部位是桥枕下的纵梁上盖板顶面与上承板梁的上翼缘顶面，其次是雨水和阳光紫外线的侵蚀。

钢桥、钢轨以上部位的钢结构，如下承桁梁的上弦杆、竖杆、斜杆和上平联待。

这些部位的腐蚀因素主要是雨水的侵蚀、紫外线的照射等。

在钢桥的上弦和下弦的箱型杆内部主要的腐蚀介质是大气中的潮湿气体，阴暗潮湿是腐蚀的主要根源。

钢桥高强度螺栓的栓接点是不允许有上下贯穿的缝隙存的，也就是说在板缝之间不能有流锈水的现象存在。

因此栓节点的腐蚀主要是雨水产生的缝隙锈蚀，因此该部位必须使用高质量的涂料防腐体系，防止缝隙腐蚀的产生。

纵梁上盖板顶面与板梁上翼缘顶面（放桥枕面）是全桥腐蚀最为严重的地方，也是最难处理的地方，主要是行车时桥枕震动摩擦对涂层的破坏，以及列车下落的各污染物的侵蚀，要求涂层有耐磨性。

钢桥的腐蚀部位可以分为两个部位，即钢桥和钢轨以下和以上的部位，两者由于所处位置不同，腐蚀条件也有差异。

钢桥、钢轨以下的部位，如上承桁梁的下弦杆、纵梁和横梁等，上承板梁的所有部位等，主要腐蚀物的来源有客车上的自由排放的各种污物、污水，通过轨道污染所以下面的钢结构；再者就是货车运行中飘落的各种粉尘，如煤粉尘，含酸或碱性货物的粉尘等。

受腐蚀最严重的部位是桥枕下的纵梁上盖板顶面与上承板梁的上翼缘顶面，其次是雨水和阳光紫外线的侵蚀。

钢桥、钢轨以上部位的钢结构，如下承桁梁的上弦杆、竖杆、斜杆和上平联待。

这些部位的腐蚀因素主要是雨水的侵蚀、紫外线的照射等。

在钢桥的上弦和下弦的箱型杆内部主要的腐蚀介质是大气中的潮湿气体，阴暗潮湿是腐蚀的主要根源。

钢桥高强度螺栓的栓接点是不允许有上下贯穿的缝隙存的，也就是说在板缝之间不能有流锈水的现象存在。

因此栓节点的腐蚀主要是雨水产生的缝隙锈蚀，因此该部位必须使用高质量的涂料防腐体系，防止缝隙腐蚀的产生。

纵梁上盖板顶面与板梁上翼缘顶面（放桥枕面）是全桥腐蚀最为严重的地方，也是最难处理的地方，该睡觉主要是行车时桥枕震动摩擦对涂层的破坏，以及列车下落的各污染物的侵蚀，要求涂层有耐磨性。

上桁梁表面由于积水积灰，腐蚀最厉害。

铆钉、焊缝等处，由于最早的涂装没有引起足够重视，漆膜有缺陷，是最会腐蚀的地方。

2.钢箱梁

悬索桥和斜拉索桥的钢箱梁的外表面，腐蚀环境主要大气腐蚀。

箱梁的内部，是个很差的通风环境，湿气的聚集会引起涂层的起泡锈蚀等。

1970年建成的丹麦小贝尔特桥，首先采用了箱梁内部的空气干燥装置，起了很好的防腐作用。

现在新建的大桥，都采用了控制内部湿度的方法，腐蚀情况减轻很多。

3.缆索系统

桥梁的缆索系统主要指斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆和吊索以及一些拱桥的吊索等。

缆索系统处于高空之中，主要的腐蚀环境是大气腐蚀。

在高纬度地区，还要考虑到积雪对缆索的影响。

缆索的材料是高强度冷拨碳素钢丝，强度在1,500MPa以上，引伸率≥4％。

但是由于含碳量高，在0.75～0.85%之间，塑性也差，没有进行防护下的抗腐蚀性很差。

缆索系统是在高应力状态下工作的，尽管对于工作疲劳没有影响，但是腐蚀是在高应力状态下进行的，它将影响钢丝的强度。

主缆到现在为止还没有发生过什么事故，但是吊索，特别是斜拉索由于腐蚀介质和应力的相互作用，在桥梁史上出现了多次严重事故。

吊索斜拉索绞成型后，会有孔隙沟槽等，即使灌浆也难防止100％的没有缝隙。

悬索拉索和主梁、立柱、索夹和索鞍等的结合处，通常也是最易受腐蚀的薄弱的地方。

在散索鞍后悬索桥的主缆是散开在锚室内，尤其在喇叭口处，防护极为不易。

第四节  混凝土桥梁的腐蚀特性

混凝土是现代紧重要的建筑材料之一，广泛用于大坝、桥梁、地板、贮槽和建筑等。

坚硬的混凝土本身也耐腐蚀的材料，经常用于钢结构的保护，但是混凝土也有反应性，比如说在酸性环境中，所以它的表面也需要涂料的保护。

混凝土是由硅酸盐水泥、填充骨料、水和助剂等混合后经水合浇注而成。

水泥的基本化学组成为3CaO•SiO2和β-2CaO•SiO2，以及少量的3CaO•Al2O3、4CaO•Al2O3•Fe2O3或者是一些铁相的固体溶液MgO、CaO以及其痕量化合物。

除了加入骨料增强其耐磨性，还使用钢筋骨架来增加混凝土构件的强度，这种混凝土叫作钢筋混凝土。

混凝土的固化通常经过28天后可以达到最初的物理性能，国外有时候采用蒸汽来加速水合反应，混凝土构件的固化通常只要几个小时就可以完成。

混凝土涂层需具备防护和装饰两方面功能。

由于暴露於日晒、雨淋、大气污染等的长期作用下，钢筋混凝土的腐蚀如果不引起重视和采取措施，就会带来严重后果。

引起混凝土内加强钢筋腐蚀最为主要的原因是混凝土的碳化和氯化物的渗透量，钢筋混凝土的发明与发展的主要因素之一是水泥浆具有保护钢筋免受腐蚀的能力。

钢筋混凝土中水泥的水化产物——氢氧化钙是一种高碱性物质，pH值在12.5以上，混凝土中钢筋与该溶液接触，表面会形成氧化亚铁面膜，它可以钝化钢筋，阻止氧接触钢筋，对钢筋起到保护作用。

这种钝化作用在碱性环境中是很稳定的。

当水份通过孔洞形态的混凝土,在里面形成氢氧化钙。

氢氧化钙是一个碱性环境，由于外来的酸性气体，如二氧化碳渗入混凝土与氢氧化钙发生化学反应，变成碳酸钙，整个反应称为碳化作用。

当大量的碳酸钙形成时，混凝土内部碱性环境受到破坏，达到一定程度时，如pH在9以下时，钝态铁的保护层就失去作用，混凝土内的钢筋因为没有受到碱性环境的保护而产生锈蚀。

混凝土的碳化因素很多，例如，水泥本身的质量，施工时水分及水泥比例，固化时间及环境等等。

而多孔的混凝土比一般混凝土碳化速度快，有时甚至快十倍，此外施工也是一个十分重要的问题，例如水泥层外层与钢筋之间的距离（水泥壁）过小等。

混凝土施工时往往会加入一些含有氯化物的预混合料，例如污染的水源，砂石等等。

混凝土固化后，在大气环境中的氯化物污染是难以避免。

氯离子是一种穿透力极强的腐蚀介质，当接触到钢铁表面，便迅速破坏钢铁表面的钝化层，即使在强碱性环境中，氯离子Cl-引起的点锈腐蚀依然会发生，同时由于不论是气态还是液态的水往往会渗透到混凝土里面，而这种水并非纯水，而是含有一些杂质的电解液，电化学作用导致锈蚀加快进行。

当氯离子渗透到达钢筋表面，氯离子浓度较高的局部保护膜破坏，成为活化态．在氧和水充足的条件下，活化的钢筋表面形成一个小阳极，未活化的钢筋表面成为阴极，结果阳极金属铁溶解，形成腐蚀坑，一般称这种腐蚀为点腐蚀．这个过程主要有下列反应：

Fe2++2Cl-+2H2OFe（OH）2+2HCl4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3（铁锈）Fe（OH）3若继续失水就形成水化氧化物FeOH（即为红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（即为黑锈），在钢筋表面形成锈层。

由于铁锈层呈多孔状，即使锈层较厚，其阻挡进一步腐蚀的效果也不大，因而腐蚀将不断向内部发展。

国际上还没有一致公认的引起混凝土中钢筋腐蚀的氯化物界限值，当结构处于干湿交替状态下或常年湿度大于80%时，通常认为在氯化物含量与混凝土的重量比达到0.2％以上时，就比较危险。

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