摘要
耐候钢适用于高海拔寒区等严酷环境地区的桥梁建设,但当前耐候钢在高海拔寒区的耐腐蚀机制不明确。为探究高海拔寒区桥梁耐候钢的耐蚀机制,以典型桥梁耐候钢和普通钢为研究对象,针对典型的高海拔寒区环境,开展桥梁钢的原位腐蚀试验,以探究耐候钢在高海拔寒区应用的可行性。首先依据规范设计20个原位腐蚀试样,开展腐蚀周期为2、4、10、18、24个月的原位腐蚀试验;结合腐蚀失重数据、锈层宏观形貌、锈层微观形貌及元素沿锈层的分布规律,对耐候钢在高海拔寒区的耐蚀机制进行分析。结果表明:两种试件在康定大气环境下的腐蚀失厚量在腐蚀周期为10个月前基本一致;在腐蚀周期为24个月时,耐候钢的腐蚀失厚量比普通碳钢低约10%;耐候钢锈蚀产物中形成的针铁矿阻碍了氧气、水分等向锈层内聚集,阻止了其腐蚀;腐蚀过程中,Cr在耐候钢内锈层富集,导致内锈层在后续腐蚀中越发致密,进一步增强了耐腐蚀性能。
当前交通基础设施建设正在向“上山下海”阶段发展,对于高原等典型“上山”场景而言,高海拔寒区具有低温、腐蚀等恶劣的运营环境,因此,发展耐候、轻量化、装配式及环境友好型的桥梁结构,是解决高原山区交通基础设施建设难题的有效途
为了保障耐候钢桥的安全服役性能,研究人员针对不同服役环境下耐候钢的耐腐蚀性能进行了大量研
依据主要腐蚀离子含量的差异,大气腐蚀环境可以分为工业、海岸和一般自然大气3
以目前桥梁工程中常用的Q345等级的耐候钢和普通碳钢为研究对象,在典型高海拔寒区环境下开展大气暴露试验,并对其腐蚀动力学、腐蚀宏观形貌和腐蚀微观形貌进行研究,分析两者腐蚀特征的差异及原因,以期为高海拔寒区的桥梁建设提供理论和数据支撑。
自然挂片试验中使用的试样为中国某钢材厂生产的Q345等级的桥梁用钢板,其中,试验钢材为Q345qENH,对比钢材为普通碳钢Q345qE,两种试验钢材的主要化学成分如
试验钢 | 主要化学成分质量分数/% | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu | Ni | Fe | |
Q345qENH | 0.05 | 0.23 | 1.04 | 0.012 | 0.002 | 0.7 | 0.3 | 0.35 | 余量 |
Q345qE | 0.2 | 0.24 | 0.58 | 0.017 | 0.04 | 余量 |
试验所用的两种钢材试样均采用线切割加工,根据形貌观测、腐蚀失厚以及截面分析,结合《机车车辆特种金属材料 耐大气腐蚀钢》(TB/T 1979—2023
大气原位腐蚀试验是将2种钢材暴露在四川省康定市的高海拔自然环境中。康定地处四川盆地、青藏高原与云贵高原之间的过渡地带,属于典型大陆高原型和山地型气候,极端低温-14.7 ℃,极端高温28.9 ℃,年平均气温7.1 ℃,有着海拔高、年温差大、温度常年较低、紫外线强烈、氧气稀薄等特点。在腐蚀试验过程中,保持试样的腐蚀面能被太阳直晒,周围不存在遮挡,具体布置如

图1 康定大气暴露试验地点
Fig. 1 Kangding atmospheric exposure test site
为了能更完整地展示腐蚀演化过程,依据规范,试验设置为24个月,取样周期设置为2、4、10、18、24个月,试件编号及暴露周期见
编号 | 钢材 | 暴露周期/月 |
---|---|---|
B-1、B-2 | Q345qE | 2 |
B-3、B-4 | Q345qE | 4 |
B-5、B-6 | Q345qE | 10 |
B-7、B-8 | Q345qE | 18 |
B-9、B-10 | Q345qE | 24 |
BW-1、BW-2 | Q345qENH | 2 |
BW-3、BW-4 | Q345qENH | 4 |
BW-5、BW-6 | Q345qENH | 10 |
BW-7、BW-8 | Q345qENH | 18 |
BW-9、BW-10 | Q345qENH | 24 |
在自然暴露前对2、4、10、18、24个月的试样进行称重,得到W0,精度为0.001 mg,在达到腐蚀周期后进行除锈,除去锈层后用水和酒精清洗干净,然后吹干。由于除锈后铁基体表面氧化的速度非常快,吹干时使用冷风,且除锈称重单独进行,不可多试件同时进行,以避免风干过程中二次氧化,影响试验结果。风干后再次称重,得到去除腐蚀产物后质量Wt(t=2、4、10、18、24),然后进行腐蚀失厚计算,最后通过实际情况以及腐蚀速率经验公式进行分析。在经过大气暴露试验后,钢的腐蚀速率通常可以用腐蚀厚度损失来表示,见
(1) |
式中:为试样的腐蚀失厚深度,μm;W0为暴露前试样质量,g;Wt为试样暴露周期除锈后质量,g;为试样暴露表面积,c
在经过5个周期暴露试验后,试样的腐蚀失厚量如

图2 Q345qE和Q345qENH的腐蚀深度随暴露时间的变化
Fig. 2 The variation of corrosion depth with exposure time for Q345qE and Q345qENH
将腐蚀试样取样后,观察锈层的宏观形貌,主要观察锈层的颜色、分布情况等。对锈层宏观形貌观察完毕后除锈,除锈后主要观察蚀坑的大小以及分布规律等腐蚀宏观形貌特征。经5个周期自然暴露腐蚀试验后,试件表面锈层的宏观截面形貌如

图3 康定大气环境下Q345qE宏观腐蚀形貌
Fig. 3 Macroscopic corrosion morphology of Q345qE in the atmospheric environment of Kangding

图4 康定大气环境下Q345qENH宏观腐蚀形貌
Fig. 4 Macroscopic corrosion morphology of Q345qENH in the atmospheric environment of Kangding

图5 康定大气环境下试验钢去锈后腐蚀宏观形貌图
Fig. 5 Macroscopic corrosion morphology of test steel after rust removal in the atmospheric environment of Kangding
在康定高海拔气候环境下,整个腐蚀周期内2种试件的腐蚀宏观形貌较相似,都是由表面腐蚀散布到密布,锈层颜色由开始的土黄色逐渐加深至棕黑色,而腐蚀周期为24个月后,耐候钢锈层致密度明显高于普通碳钢。由于试样放置原因,可以发现,由于雨水吸附的不同,锈层发展出锈蚀方向,这也反映出腐蚀发展与电解质层的吸附相关。
截取10 mm×5 mm×5 mm达到腐蚀周期的试样,使用酒精对试样锈层表面进行轻微清洗。由于锈层结构较疏松,清洗过程中尽量避免手触碰锈层,以免导致锈层结构破坏。为了探究试样锈层结构对腐蚀发展的影响,采用日立的超高分辨场发射扫描电子显微镜Regulus8100进行观察。

图6 Q345qE在康定大气环境下不同暴露周期的微观腐蚀形貌
Fig. 6 Microscopic corrosion morphology of Q345qE at different exposure periods in the atmospheric environment of Kangding

图7 Q345qENH在康定大气环境下不同暴露周期的微观腐蚀形貌
Fig. 7 Microscopic corrosion morphology of Q345qENH at different exposure periods in the atmospheric environment of Kangding
在腐蚀早期,Q345qENH耐候钢与Q345qE普通碳钢锈层疏松多孔且主要组成均为纤铁矿。随着腐蚀时间的增加,耐候钢锈层中逐渐形成针铁矿颗粒,使得耐候钢锈层致密而无缝隙,从而减缓了腐蚀速率,这与
截取10 mm×5 mm×5 mm达到腐蚀周期的试样,用刀片和砂纸除去试样包裹的环氧树脂,选取需要观察的截面,将试样使用热镶机进行镶样,使用砂纸对观测面进行打磨,之后进行抛光,再使用超声波进行清洗,最后采用扫描电镜进行锈层截面形貌观察,同时使用能谱分析仪(EDS)测定各元素在锈层中的分布状况。

图8 康定大气环境下试件不同暴露周期的截面形貌
Fig. 8 Cross-sectional morphology of specimens at different exposure periods in the atmospheric environment of Kangding
结合
为了进一步分析2种试验钢材各元素在锈层中的存在状态,

(a) Q345qE

(b) Q345qEH
图9 大气暴露4个月的试件截面元素分布
Fig. 9 Elemental distribution in the cross-section of specimens after four months of atmospheric exposure

(a) Q345qE

(b) Q345qEH
图10 大气暴露24个月的试件截面元素分布
Fig. 10 Elemental distribution in the cross-section of specimens after 24 months of atmospheric exposure
试件钢材 | 暴露周期/月 | 锈层截面元素质量分数/% | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Fe | O | Cr | Ni | S | Cl | ||
Q345qE | 4 | 76.11 | 23.64 | 0.13 | 0.12 | ||
Q345qENH | 4 | 81.06 | 17.68 | 1.03 | 0.23 | ||
Q345qE | 24 | 88.69 | 11.18 | 0.02 | 0.01 | 0 | 0.02 |
Q345qENH | 24 | 88.43 | 10.36 | 0.71 | 0.35 | 0.03 | 0.04 |
从
为了更进一步明确耐候钢锈层中各元素沿着锈层深度方向分布的规律,

图11 在康定大气环境暴露4个月的Q345qENH截面线扫描
Fig. 11 Line scanning analysis of the cross-section of Q345qENH after four months of atmospheric exposure in Kangding

图12 在康定大气环境暴露24个月的Q345qENH截面线扫描
Fig. 12 Line scanning analysis of the cross-section of Q345qENH after 24 months of atmospheric exposure in Kangding
由
针对桥梁采用的专用普通钢材Q345qE和耐候钢材Q345qENH,在典型的高海拔寒区开展了为期24个月的原位腐蚀试验。通过对不同腐蚀周期(2、4、10、18、24个月)下的腐蚀失重量、锈层宏观形貌、锈层微观形貌及元素沿锈层分布规律进行分析,探究其在典型高海拔寒区的腐蚀机制,主要结论如下:
1)两种试件在康定大气环境下的腐蚀失厚量在腐蚀周期为10个月前基本一致,在腐蚀周期为10个月后,耐候钢的优势逐渐体现,在腐蚀周期为24个月时,耐候钢的腐蚀失厚量比普通碳钢约低10%,在高海拔、人迹罕至的寒区采用耐候钢进行桥梁建设优势明显。
2)腐蚀24个月后,耐候钢锈层致密度明显高于普通碳钢;耐候钢锈层中,Ni元素较为均匀地分布在锈层中,并未出现富集现象;同时,Cr元素在内锈层富集,促使更致密的α-FeOOH颗粒产生,导致锈层越发致密,此为高寒地区耐候钢耐腐蚀的根本原因。
3)因实际原位腐蚀速度较慢,长期开展原位腐蚀试验所得数据难以及时应用,因此,进一步开展腐蚀速率原位试验测试与实验室条件下加速腐蚀速率等效方法研究是下一阶段研究的重点。
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