張軍艷

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路與鐵道工程學(xué)院，陜西 西安 710018)

0 前 言

經(jīng)濟社會的繁榮發(fā)展，推進了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐，橋梁作為其中的重要組成部分也步入了快速發(fā)展通道，且隨著橋梁設(shè)計的優(yōu)化及橋梁鋼的深化發(fā)展，大規(guī)模、大跨度、高強度的大型鋼橋建設(shè)成為了主流發(fā)展趨勢，其對橋梁鋼的綜合性能提出了更高的要求，尤其是分布在沿海地區(qū)的跨江河、跨海灣公路、鐵路兩用鋼橋，濕熱海洋大氣環(huán)境中，SO2含量較高， SO2和Cl-共存、反應(yīng)成為常態(tài)，對橋梁鋼造成極大的腐蝕性，該種環(huán)境下的大型鋼橋不僅要求橋梁鋼具備較高的強度、韌性、抗強震及焊接性，更要求其具備良好的耐大氣腐蝕性能。而耐候鋼由普通碳鋼添加少量Cu、Ni等耐腐蝕性元素合成，可促使橋梁鋼生成穩(wěn)定銹層，改善內(nèi)銹層的致密性，增強耐銹抗腐蝕性，而為了深化研究海洋大氣環(huán)境中耐候橋梁鋼的性能，確保大型橋梁的安全性、使用壽命，本文以內(nèi)含合金元素Cu和Ni低碳橋梁鋼為研究對象，通過干濕周浸潤實驗、電化學(xué)測試等來具體分析橋梁鋼的耐大氣腐蝕性，通過獲得的耐受剛的鋼基體極化曲線及電化學(xué)阻抗譜，深化認知Cu、Ni合金元素對于橋梁鋼耐腐蝕性的作用性，從而為耐候鋼在大型鋼橋中的優(yōu)化應(yīng)用提供有效支撐。

1 實驗材料及方法

1.1 試樣制備

試驗鋼依據(jù)Cu含量不同劃分為4類，分別編號，化學(xué)成分如表1所示，冶煉以50 kg真空感應(yīng)爐熔煉，澆鑄成鋼錠，并經(jīng)由撥皮、鍛造，最后以450熱軋機組扎成為12 mm厚的實驗?zāi)秃蜾摪濉?/p>

表1 試驗?zāi)秃蜾摶瘜W(xué)成分 %

在軋制方向上將試驗鋼切割成為30 mm×20 mm×5 mm，10 mm×10 mm×5 mm兩種尺寸的試樣，以備腐蝕實驗、電化學(xué)測試，以砂紙將打磨表面，并依順序進行超聲波丙酮除油、去離子水去雜污、無水乙醇脫水、干燥器去濕，干燥后24 h后以0.1 mg精度稱量試[1]。用電烙鐵在10 mm×10 mm×5 mm尺寸的電化學(xué)試樣背面焊上銅導(dǎo)線，而后預(yù)留出10 mm×10 mm工作面，用環(huán)氧樹脂將試樣鑲好，且要保證環(huán)氧樹脂與試樣接觸邊緣不能存在氣泡，以免影響電化學(xué)實驗精確性，最后用砂紙將工作面打磨光滑。

1.2 實驗方法

1.2.1 干濕周浸潤加速腐蝕實驗

用臺鉆將30 mm×20 mm×5 mm尺寸的試樣鋼鉆出直徑F=5 mm的孔，以800號砂紙將試樣表面打磨光滑，參照標(biāo)準(zhǔn)TB/T2375-1993《鐵路用耐候鋼周期浸潤腐蝕試驗方法》，在周期浸潤腐蝕箱內(nèi)模擬沿海的海洋大氣環(huán)境[2]，腐蝕介質(zhì)為0.5%、恒定溫度42℃的NaCl溶液，箱內(nèi)溫度為45℃、恒定濕度為25%，一個浸潤周期為60 min，其中浸沒和非浸沒時間分別為15，45 min，試驗用時120 h，間隔24 h取樣一次，每種實驗鋼取3個平行試樣。

1.2.2 失重法腐蝕測試

失重分析是評估橋梁鋼耐大氣腐蝕性最有效的方法，試驗中先將刮除4種試樣鋼的外部秀層，將其浸泡在由500 mg鹽酸+500 mg蒸餾水+20 g 6次甲基四胺的除銹液中進行超聲波清洗[3]，并用空白試樣進行失重校正，以確保實驗精確性，而后以無水乙醇清洗，吹干以0.1 mg精度稱重。

平均腐蝕速率依據(jù)ASTMG1-03標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公式進行計算。

V=(K×W)/(A×T×D)

(1)

式中V——平均腐蝕速率， mm/a；

K——常數(shù)，取值8.76×104；

W——失重質(zhì)量，g；

A——試樣表面積，cm2；

T——加速腐蝕時間，h；

D——試驗鋼密度，g/cm3。

1.2.3 電化學(xué)試驗

采用PARSTAT2273電化學(xué)工作站測量極化曲線和電化學(xué)阻抗譜，電解質(zhì)溶液為3.5 mass%、溫度為25℃的NaCl溶液，三電極體系中參比電極、輔助電極、工作電極分別為飽和甘汞電極、石墨電極、試樣(面積為1 cm2)[4]；利用動電位暫態(tài)法測量極化電機，以1 mV/s掃描速度，相對于自然腐蝕電位-250 mV～250 mV的掃描范圍；電化學(xué)阻抗譜EIS測量的電壓幅值為10 mV，掃描范圍為10 mHz～100 kHz，共計測量50個點，以Zsimpwin軟件分析實驗結(jié)果。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 試驗鋼的腐蝕動力學(xué)曲線

腐蝕測試中獲得的試驗鋼腐蝕深度和腐蝕速率隨時間的變化曲線如圖1，可知，4種試驗鋼的腐蝕深度及速率均呈現(xiàn)逐漸上升并最終恒定的趨勢，且依據(jù)由大到小的順序分別為1號>2號>3號>4號，也即隨著Cu含量的增加，平均腐蝕深度及速率整體趨勢下降，在96 h和120 h時3號、4號鋼腐蝕深度和速率近似，據(jù)此，耐候鋼中Cu、Ni合金元素的存在能夠有效降低腐蝕深度及速率，且隨著Cu含量的增加，鋼平均腐蝕深度及速率均有明顯降低趨勢，但在含量超過0.5%后，該種降低作用明顯減弱。

1 1號鋼; 2 2號鋼; 3 3號鋼; 4 4號鋼

對上述實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，以驗證耐候鋼的大氣腐蝕失重符合動力學(xué)經(jīng)驗公式：

C=Dtn

(2)

上式中，C、t分別為試驗鋼的腐蝕深度及時間；D為初始腐蝕程度，為常數(shù)，其與鋼體表面化學(xué)性質(zhì)及環(huán)境存在關(guān)聯(lián)；n為腐蝕發(fā)展趨勢，也為常數(shù)，其與鋼種及大氣環(huán)境相關(guān)[5]，該值越小則試驗鋼進一步腐蝕的可能性越小。

根據(jù)式(2)擬合試驗鋼周浸腐蝕試驗失重數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示，由該表可知：D1>D2>D3>D4，n1>n2>n3>n4，也即隨著實驗鋼中Cu含量的增加，初始腐蝕程度D值及大氣腐蝕發(fā)展趨勢n值均逐漸下降，表明Cu可以增強鋼基體的初期耐腐蝕性，并減弱耐候鋼的大氣腐蝕發(fā)展趨勢，失重擬合結(jié)果與上述腐蝕深度及速率結(jié)果一致，可見，大氣腐蝕初期Cu及Ni合金元素可增強耐候鋼的大氣腐蝕性能。

表2 4種試驗鋼周浸潤腐蝕實驗失重數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

2.2 試驗鋼的極化曲線及電化學(xué)阻抗譜

2.2.1 鋼的極化曲線

電化學(xué)試驗后，在3.5%NaCl溶液中4種試驗鋼基體的極化曲線如圖2所示，自腐蝕電位和腐蝕電流密度如表3所示，4種試驗鋼肌體的自腐蝕電位由高至低為：4號>3號>2號>1號，且相互之間的自腐蝕電位有著較大的差異，這說明鋼基體自腐蝕電位隨著Cu含量的增加而升高，鋼中的Cu元素能夠增強鋼基體的耐大氣腐蝕性。

1 1號鋼; 2 2號鋼; 3 3號鋼; 4 4號鋼

采用塔菲爾外推法，根據(jù)Faraday定律即可測定腐蝕速率：

V=icorr·N/F

(3)

上式中，V、icorr分別為腐蝕速率、腐蝕電流密度，N是金屬原子量與金屬價的比值，F(xiàn)是Faraday常數(shù)。

根據(jù)式(3)可知，腐蝕速率與腐蝕電流密度成正比，由表3可知4種試驗鋼的腐蝕電流密度由大至小1號>2號>3號>4號，1號是4號鋼的4倍，3號、4號鋼的電流密度基本相同，由此可知，Cu含量的增加，會減弱鋼基體的初期腐蝕速率，而一旦該含量超過0.5%，則Cu的這種減弱功能將不再增加，也即鋼基體的初期腐蝕將保持在特定水平不再變化。

表3 4種鋼基體的自腐蝕電位和腐蝕電流密度

2.2.2 鋼的電化學(xué)阻抗譜

在3.5%NaCl溶液中4種試驗鋼基體的電化學(xué)阻抗譜如圖3所示，圖3中圓弧的直徑可視為極化電阻，可知，NaCl溶液中鋼基體的極化電阻隨著Cu含量的增加而升高，說明Cu元素可增強鋼基體耐大氣腐蝕性。

1 1號鋼; 2 2號鋼; 3 3號鋼; 4 4號鋼

由圖3可知，電化學(xué)阻抗譜僅呈現(xiàn)一個半圓弧，說明NaCl溶液與是試樣鋼之間只有一個反應(yīng)[6]，4種鋼基體的等效電路如圖4所示，根據(jù)該電路圖可以擬合4種鋼基體的極化電阻，由大至小依順位為：D(11 901 Ω·cm2)>C(855.79 Ω·cm2)>B(659.72 Ω·cm2)>A (520.12 Ω·cm2)， 4號鋼是1號鋼極化電阻的2倍，可知Cu合金元素對耐候橋梁鋼的初期耐腐蝕性具有明顯作用。

Rs 溶液電阻；Rct 極化電阻；CPE 鋼表面與溶液構(gòu)成的雙電層

3 結(jié) 語

在沿海地區(qū)大型鋼橋建設(shè)和發(fā)展的背景下，本文利用干濕周浸潤加速腐蝕實驗、電化學(xué)測試、失重法等，在海洋大氣環(huán)境下分析含有Cu、Ni合金元素的耐候橋梁鋼，以深化認知橋梁鋼的腐蝕規(guī)律、確保其長效使用性，通過實驗，結(jié)果表明Cu、Ni合金元素可有效降低橋梁鋼的整體腐蝕深度及速率，增強鋼基體的初期腐蝕性，但Cu含量一旦超過0.5%則該種作用將明顯降低，為此，大型鋼橋建設(shè)中選用的橋梁鋼Cu含量應(yīng)該控制在0.5%之內(nèi)，由此才能最大程度的減緩橋梁鋼的大氣腐蝕發(fā)展趨勢，延長大型鋼橋的使用壽命。

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