钢结构防腐蚀措施.docx

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为进一步扩大内需、促进经济平稳较快增长，中国又掀起了一轮的路网建设高潮。大 量的工程建设中，由于钢的强度高、自重轻，具有良好的塑性和韧性，跨越大江大河、深山峡谷的大跨度桥梁均承受钢桥，如跨径 1385m 的江阴长江大桥，主跨550 米的卢浦大桥等。但钢桥具有简洁生锈的缺点。调查说明，美国在 1975 年因金属腐蚀受到的经济损失约为700 亿美元，当年美国的国民生产总值为 16770 亿美元，一年中金属腐蚀所造成的经济损失约占当年GNP 的 %。至今美国仍按GNP 的 %估算每年因金属腐蚀而受到的经济损失。其他国家也间续进展了调查，结果说明金属腐蚀造成的经济损失大致为该国国民生产总值的 4%。为保证钢桥在设计年限内的长期使用安全性，做好钢桥的防腐格外重要。 目前， 钢构造的防腐蚀措施主要有以下五种：
耐候钢。耐腐蚀性能优于一般构造用钢的钢材称为耐候钢，一般含有磷、铜、镍、铬、钛等金属，使金属外表形成保护层，以提高耐腐蚀性。其低温冲击韧性也比一般的构造用钢好，执行标准为《焊接构造用耐候钢》(GB 4172-84)。
热浸锌。热浸锌是将除锈后的钢构件浸入 600℃左右高温溶化的锌液中，使钢构件外表附着锌层，锌层厚度对5mm 以下薄板不得小于 65μ m，对厚板不小于 86μ m，从而起到防腐蚀的目的。这种方法的优点是耐久年限长，生产工业化程度高，质量稳定。热浸锌的首道工序是酸洗除锈，然后是清洗。这两道工序不彻底均会给防腐蚀留下隐患，应避开设计出具有相贴合面的构件，以免贴合面的缝隙中酸洗不彻底或酸液洗不净。对于管形构件应当让其两端开敞，两端封闭会造成管内空气膨胀而使封头板爆裂，造成安全事故；一端封闭则锌液流通不畅，易在管内积存。
热喷铝(锌)复合涂层。这是一种与热浸锌防腐蚀效果相当的长效防腐蚀方法。具体 做法是先对钢构件外表作喷砂除锈，使其外表露出金属光泽并打毛。再用乙炔-氧焰将不断 送出的铝(锌)丝溶化，并用压缩空气吹附到钢构件外表，以形成蜂窝状的铝(锌)喷涂层(厚度 约 80μ m～100μ m)。最终用油漆等涂料封闭毛细孔，形成复合涂层。此法无法在管状构件的内壁施工，因而管状构件两端必需做气密性封闭，以使内壁不被腐蚀。这种工艺的优点是 对构件尺寸适应性强，构件外形尺寸几乎不受限制。另一优点是这种工艺的热影响是局部的， 受约束的，因而不会产生热变形。与热浸锌相比，这种方法的缺点是工业化程度较低，喷砂 喷铝(锌)的劳动强度大，质量易受操作者的心情变化影响。
漆涂层法。涂层法防腐蚀性一般不如长效防腐蚀方法。它一次本钱低，但维护相对 本钱较高。涂层法施工的第一步是除锈。优质的涂层依靠于彻底的除锈，要求高的涂层一般 多用喷砂喷丸除锈，露出金属的光泽，除去全部的锈迹和油污。现场施工的涂层可用手工除 锈。涂层的选择要考虑四周的环境，不同的涂层对不同的腐蚀条件有不同的耐受性。涂层一 般有底漆、中间漆和面漆之分。底漆含粉料多，基料少，成膜粗糙，与钢材粘附力强，中间漆的作用是增加涂层的厚度以提高整个涂层系统的屏蔽性能，中间漆对于底漆和面漆要有很 好的附着力。面漆则基料多，成膜有光泽，能保护底漆不受大气腐蚀，并能抗风化。选用不同涂料时要留意它们的相容性。涂层的施工要有适当的温度(5～38℃之间)和湿度(相对湿度 不大于 85%)。涂层的施工环境粉尘要少，构件外表不能有结露。涂装后4 小时之内不得淋雨。涂层一般做 4～5 层，干漆膜总厚度可加厚为 200～300μ m。
阴极保护法。在钢构造外表附加较活泼的金属取代钢材的腐蚀，常用于水下或地下构造。
涂层防护因其施工便利，防腐效果好而得到广泛应用。我国钢桥的防腐一般承受涂层保护法，并形成了铁路和大路行业各自的行业推举标准。
含稀土热镀锌钢板的耐腐蚀性能争论
随着汽车工业的进展，汽车用热镀锌钢板的国产化程度不断提高，轿车的进展对热镀锌板的 质量、品种和规格提出了更高的要求。热镀锌板由于使用需要，长期暴露于大气中，易于受到大气中潮湿气、SO 以及 Cl-等的腐蚀，影响产品质量，缩短产品的使用寿命。在沿海城
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市及重工业地区，由于同时受到 ph 值、NO 、固体颗粒等影响，热镀锌板的腐蚀速率也会
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加快，对其耐腐蚀性能提出了更高的要求。
热镀锌板在盐雾试验中，外表锌层首先被腐蚀，腐蚀产物比较疏松，呈白色絮状掩盖在钢板外表，称之为“白锈”。随着盐雾喷淋时间的延长，镀层渐渐被腐蚀殆尽，随后基板开头腐蚀，腐蚀产物为红色，称之为“红锈”。由此可见，镀层的厚度与组成是打算红锈产生时间，即镀层腐蚀完毕、基板开头腐蚀所需时间的打算因素。
本章通过盐雾腐蚀试验和电化学试验比较稀土含量对镀锌板耐腐蚀性能的影响，并运用
XRD 分析腐蚀产物，对实际生产提出指导性意见。
镀层厚度的测量结果
在镀前处理工艺及冷却方式一样的状况下，镀层厚度与热浸镀时间和锌液成分有关。 图 4-1 所示为承受传统镀锌液成分(Zn-)浸镀时间与钢板外表镀层厚度之间的关
系。浸镀时间增加，镀层也渐渐增厚。当浸镀时间较短(＜2min)时，镀层的连续性较差，简洁产生漏镀。
浸镀时间超过 120s 后，镀层已完全掩盖钢板。把钢板外表划分为 9 个区域，用测厚仪在每个区域内取 10 个测量点进展测量，计算平均值作为此区域的平均厚度值，得到镀层厚度曲线(图 4-2)。
结合钢板外表宏观形貌来看，传统镀锌液流淌性较差，钢板出锌锅后外表锌液向下流淌速率较慢，凝固后外表锌层存在波浪状起伏，两侧厚度差较大，厚度明显不均。
由于钢板出锌锅后承受竖直流平冷却的方式，因此靠近钢板底部的 7、8、9 三个点的平均厚度要高于其他各点。整体上看，随着浸镀时间的延长，镀层厚度也呈增加的趋势。
图 1 镀层平均厚度与浸镀时间的关系(不含稀土)
图 2 镀层不同区域内厚度曲线图(不含稀土) (a)厚度曲线；(b)测量区域
由 及 的计算可知，镀锌液中添加稀土元素后，锌液流淌性增加，外表张力降
低，锌液与基板间的润湿角减小，因而在样板竖直凝固及冷却过程中，锌液不断向下流淌， 甚至滴落，最终样板外表的粘锌量较少。因此，添加稀土元素后，样板外表镀锌层厚度普遍 小于未添加稀土的样板，对四种不同成分镀锌液钢板的镀层厚度测量结果如图4-3 所示。
比较四种钢板的镀层厚度曲线(图 4-3a)，可以看出，样板 A 外表镀层最不均匀，厚度值相差最大；添加稀土后，镀层均匀性较好，镀层厚度曲线比较平缓。随着镀锌液中稀土含 量的增加，在一样浸镀时间(2min)下，镀层的平均厚度渐渐降低，同时镀层也更为平坦均匀， 钢板各测量区域内厚度相差不大，具有比较好的外表效果。进一步试验说明，当稀土含量大 于 %时，钢板外表镀层很薄，易于消灭漏镀现象，影响热浸镀效果。
图 3 镀层厚度与镀锌液成分的关系(浸镀 120s) (a)各测量点厚度；(b)平均厚度
含稀土热镀锌板的耐腐蚀性能争论
热镀锌板的盐雾腐蚀行为
热镀锌板在盐雾腐蚀试验中，镀层和基板先后发生氧化腐蚀，参照美国 ASTMB-8 腐蚀
试验方法，记录初次消灭红锈的时间，同时依据热镀锌板红色锈点的面积(锈点四周锈迹的面积不计)来计算样板外表红锈的面积百分比。
一般来说，当镀层成分一样时，镀层全部腐蚀所需的时间与镀层的厚度有关。镀层越厚， 全部腐蚀所需的时间越长，基板越难被腐蚀，出红锈时间也越久。表4-1 所示为未添加稀土的热镀锌板镀层厚度与出红锈时间的关系。
表 1 镀层厚度与出红锈时间的关系(不含稀土)
四种不同镀层成分钢板的盐雾试验照片如图4 所示：
图 4 红锈(a)11 天；(b)30 天
当盐雾试验进展到第 11 天时，镀层成分为Zn- 的钢板外表消灭红色锈点，约占样板面积的 4%，而 C、E、G 外表均无红锈产生。最终一块消灭红锈的样板 E 成分为Zn--，时间为 30 天，红锈百分比约为 1%。
依据镀层中稀土含量的不同，适当调整浸镀时间，使得七种样板的镀层厚度相近，尽量消退厚度不同对腐蚀时间的影响，进展盐雾试验，此时，镀层外表的成分、构造以及化学活性是钢板出红锈时间和百分比的打算性因素。其结果如表2 所示。
表 2 盐雾腐蚀试验结果
从试验结果来看，样板 D、E 的盐雾腐蚀试验结果最好，初出锈时间普遍长于其他样板， 红锈百分比也最低；未添加稀土的样板 A 初出锈时间最短，且红锈百分比最高，说明稀土对镀层的耐盐雾腐蚀性能有显著的提高作用。而稀土含量在 %～%区间范围内时，样板耐腐蚀力量优于其他成分区间内的样板。
盐雾腐蚀产物分析
热镀锌板在盐雾试验机内，长期处于高 Cl-浓度的湿热环境中，镀层外表纯锌层首先发生腐蚀，产生白色锈迹，称为“白锈”。镀锌层作为热镀锌板防腐牺牲阳极，在大气环境下
简洁发生均匀腐蚀，形成致密的碱式碳酸锌(2ZnCO ·3Zn(OH) )，这种碱式碳酸锌比较致密，
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掩盖在镀层外表起到阻挡进一步发生腐蚀的作用。而在盐雾试验中，在NaCl 溶液的浸蚀，
局部 Cl-渐渐积存并在潮湿气氛共同作用下，难溶、密集的 2ZnCO ·3Zn(OH)
被疏松、易于
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溶解的氯盐化合物所取代，腐蚀产物进一步发生反响，生成 ZnCl ·4Zn(OH) ，外表形成的腐
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蚀产物比较疏松，对镀层的保护作用有限，镀层外表腐蚀和溶解的过程反复交替进展，镀层
渐渐被腐蚀。
对 A、C、E、G 四种样板的腐蚀产物进展 XRD 分析，结果说明四种样板外表所产生
的白锈主要成分均为Zn (CO ) (OH) 和 ZnCl ·4Zn(OH) 。
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当镀层局部腐蚀殆尽后，基板在 Cl-和潮湿气氛作用下发生腐蚀，腐蚀产物为红色锈点， 四周伴随有黄褐色锈迹。经试验测定，四种样板红锈的主要成分均为FeCl3、Fe(OH)3 等。
极化曲线的测量与计算分析
盐雾试验以红锈的消灭时间和百分比为评价标准，只有当局部区域内的镀层腐蚀殆尽 时，基板才开头发生腐蚀，产生红锈，是对整个样板外表宏观上耐腐蚀性能的考察，且其腐蚀条件较为苛刻，腐蚀速率比承受NaCl 溶液恒温浸泡等试验方法高。假设以出白锈时间和百分比为依据，依据观看，A、C、E、G 四种样板外表在 1 小时内均被白锈全部掩盖。因此， 盐雾试验不能从微观上表达出这四种样板表层耐腐蚀性能的差异。
极化曲线测定的是镀层外表纯锌层在5%NaCl 溶液中的极化行为，结合盐雾试验结果， 取 A、C、E、G 四块样板，用电化学方法测定四种样板极化曲线(图 5)。
图 5 四种样板的极化曲线
同样承受 5%NaCl 溶液作为腐蚀介质，溶液中阳极及阴极反响如下： 阳极：Zn-2e→Zn2+
阴极：O +2H O+4e→4OH-
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其中O 来自于溶解在NaCl 溶液中的氧气，镀层外表 Zn 层在溶液中的腐蚀为吸氧腐蚀，
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腐蚀速度受到阴极反响中 O 的集中过程掌握，图 4-6 为这种腐蚀速度受到阴极反响集中控
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制的典型极化曲线，可以看出，图 4-5 中四种样板的极化曲线均属于此种类型。
将阳极和阴极曲线延长，依据其延长线交点计算得出该极化反响的自腐蚀电位Ecorr 和腐蚀电流Icorr。结果说明，样板E 的自腐蚀电位Ecorr 最高，到达-，而未添加稀土的样板 A 自腐蚀电位最低，仅为-，四种样板的自腐蚀电位依次为 EE＞EC＞EG＞ EA(表 4-3)。
表 3 四种样板的自腐蚀电位计算值
图 6 腐蚀速度受阴极反响集中掌握的典型极化曲线[58]
与盐雾试验生成白锈的机理相像，在 5%NaCl 溶液中，镀层外表致密的碱式碳酸锌
(2ZnCO ·3Zn(OH)
)保护膜受到破坏，发生腐蚀。
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在 Zn- 热浸镀液中，不行避开地存在着微小的锌渣和锌灰颗粒，以及一些锌的氧化物、硫化物等。钢板出锌锅后至镀层完全凝固时，由于不加稀土的热浸镀液黏度较高， 流淌性较差，局部杂质颗粒被黏附在镀层中，有些甚至存在于镀层外表。这些杂质破坏了
2ZnCO ·3Zn(OH)
保护膜的完整性和致密性，四周还可能伴随着很多微孔，在Cl-的作用下，
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简洁发生点蚀，在杂质区域内产生蚀坑。
添加稀土元素，利用其强脱氧、脱硫作用下反响生成稀土氧化物、硫化物以及硫氧化物， 使热浸镀液中的杂质大大削减。此外，由于稀土提高了热浸镀液的流淌性，钢板出锌锅竖直 冷却时，锌液能够流过整个钢板外表，在底部富集滴落的同时带走一局部杂质颗粒，进一步
削减了镀层中杂质的含量，由图 3-1 可知，镀层外表光滑平坦，其 2ZnCO ·3Zn(OH)
保护膜
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也较为完整致密，因而在 5%NaCl 溶液中腐蚀速率较慢。
Kelvin 探针微区电位分析
为进一步争论稀土元素对镀层外表耐腐蚀性能的影响，运用Kelvin 探针对未添加稀土以及添加稀土的两块样板进展微区电位的测量，结果如图7 所示。