免涂装耐候钢发展及锈层稳定化处理措施_殷长燕.pdf

甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横2022 年（第 51 卷）第 12 期工业科技doi:10.3969/j.issn.1672-6375.2022.12.009收稿日期：2022-08-23作者简介：殷长燕（1981-），男，硕士，高级工程师，主要从事公路工程施工用新型材料及关键技术应用相关工作。0 引言钢材由于其自身特殊属性，近几年，在我国土木工程领域尤其是桥梁建设中得到越来越广泛的应用。钢结构桥梁具有自重轻、便于运输和安装，且钢结构桥梁在损坏后，易于修复和更换等优点，因此钢结构桥梁在我国得到快速发展和应用。钢结构桥梁容易腐蚀，需要经常检查和定期维修保养以确保桥梁在整个运营期内安全平稳，这种方式在很大程度上提高了桥梁后期维修使用费用，且在桥梁维修保养期内使用的防腐材料，对环境会造成较大污染。国外学者12对钢结构后期维修保养费用进行了统计，结果表明钢结构桥梁后期维修保养费用占到了整个建设费用的5%15%。据不完全统计，全球每年因为钢结构腐蚀造成的损失占到GDP的3%左右，因为钢结构腐蚀造成的经济损失达万亿元以上。耐候钢又称耐大气腐蚀钢，是近几年在国内兴起的一种新型材料，其耐腐蚀机理主要是依靠外部环境腐蚀致使其表面产生一层致密稳定的锈层，通过致密锈层阻隔外部环境对耐候钢本身进一步的腐蚀。耐候钢材质是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，是通过在普通钢中加入多种微量元素，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜。虽然耐候钢也会生锈，但耐候形成稳定致密的保护锈层后，该锈层与普通锈层相比，其孔隙较少，能阻碍锈蚀扩散和发展，从而保护基体，以减缓其腐蚀速度，这就是耐候钢特点。耐候钢材料价格虽然高于普通钢，但是免涂装耐候钢可节省涂装成本，因此，耐候钢桥的初期建设成本相比普通钢桥略高，但在其全生命周期中，因只需要定期常规少量维护，不需要反复进行防腐涂装，可节省大量成本，这就是采用耐候钢桥的优势。西方发达国家对耐候钢结构的使用较早，并在不断的研究积累过程中总结出了关于耐候钢结构锈蚀评估较为完善的规范标准34。我国对耐候钢的研究起步较晚，目前对于耐候钢结构相关技术标准还不够完善，近几年才逐渐应用于钢结构桥梁。本论述首先对国内外耐候钢的发展历程以及耐候钢桥梁的建造情况进行总结，结合正在建设的桑园子黄河大桥项目对免涂装耐候钢桥梁的建造及锈层稳定化处理方式进行分析，并对后期养护维修提出建议，最免涂装耐候钢发展及锈层稳定化处理措施殷长燕（甘肃隆源设备材料有限公司，甘肃兰州730050）摘要：为研究免涂装耐候钢在桥梁中的应用技术，通过对国内外耐候钢及耐候钢桥梁的发展进行统计，以正在修建的桑园子黄河大桥为例，总结了耐候钢的锈层评定等级及表面处理措施。分析结果表明：目前我国对耐候钢的应用研究缺少相关试验和标准支撑，耐候钢桥梁的设计建造一般参照国外标准，耐候钢的锈蚀层对环境敏感性较强，不同的环境因素对耐候钢的使用寿命影响较大，因此，需进一步加强对我国耐候钢桥梁的研究；周期喷淋法能有效加快耐候钢锈层的形成时间，相比于周期水浸法该方法操作简便，使用该方法时应注意定期观测锈层的变化，尤其是螺栓孔缝隙及角落易积水部位锈层的变化，防止过度腐蚀造成新的病害。关键词：桥梁；耐候钢；锈层；处理中图分类号:TG174.4文献标志码：A322022 年（第 51 卷）第 12 期甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横工业科技后对我国耐候钢桥应用存在的问题进行总结和思考。通过本论述对国内外耐候钢桥梁发展的总结以及耐候钢表面锈层处理方案的研究，以期为我国西部地区耐候钢桥梁的建造和维护提供依据和参考。1耐候钢的发展和应用1.1国外耐候钢的发展和应用上世纪初一些发达国家就开始对耐候钢技术进行研究，研究发现，铜元素可以改善钢材在大气中的耐腐蚀性能5。并在不断的研究和总结基础上提出了关于耐候钢技术的规范和标准。表1和表2详细给出美国和日本免涂装耐候钢的发展和免涂装耐候钢桥梁的应用情况，表3为日本耐候钢桥锈层外观评定分级。通过表1表3可以看出，国外免涂装耐候钢桥梁已进行大规模的生产和应用，并且建立了相应的规范标准。美国和日本分别有50%和80%的桥梁使用了耐候钢，而且在不断使用积累过程中建立了符合该国环境特点的技术指南和规范标准。表1美国耐候钢及耐候钢桥梁的发展情况时间1916193419421958196019641965197719921997200020012002200320052020发展历程美国学者开始对大气腐蚀钢材进行相关研究美国钢铁公司对含有不同化学成分的低合金钢进行大气暴晒腐蚀试验进行了3个时间跨度较长的大气暴晒试验，奠定了耐候钢的理论基础成功研制出一种低合金高强度耐候钢，成为免涂装耐候钢发展的标志研制出的免涂装耐候钢成功应运于国内2座公路桥梁新泽西州的Turnpick公路桥也采用了耐候钢应用耐候钢建成当时世界上最大跨度的拱桥通过大量试验和研究，成功研制出一系列材质优良的耐候钢应用耐候钢建成世界首座高性能钢结构桥梁斯奈德大桥采用混合使用的钢材建成的连续梁桥，为该桥梁节省了20%的用钢量全国第100座耐候钢桥建造成功美国成功研制HPS100W 耐候钢美国发布指南“HPS70 制造公路桥梁指南”，是首个关于耐候钢桥建设技术指南全国第200座耐候钢桥梁建造成功截止2020年美国建成的耐候钢桥梁已超过10 000座，其中94%以上的耐候钢桥梁基本处于良好的使用状况表2日本耐候钢及耐候钢桥梁的发展情况时间19601969198019831997200520082018发展历程国内开始出现较早的耐候钢，并在许多钢结构中开始使用建成日本国内第一座耐候钢桥梁在国内地铁线上建成第一座上承式耐候钢钢桁架桥梁建成日本国内最具代表性的耐候钢桥梁阿贺野川御前桥国内建造的超过10%以上的钢桥使用了耐候钢国内建造的超过20%以上的钢桥使用了耐候钢国内生产的75%以上的耐候钢用于桥梁建设日本全国耐候钢桥梁占到日本桥梁总数的80%表3日本耐候钢桥锈层外观评定分级分级指标12345试样外观锈层外观形态描述大面积起皮，呈鳞片；状易脱落；厚度大于800 m；锈层尺寸为525mm；部分膨胀且呈薄片状；厚度大于500m；锈层尺寸为15mm；未形成良好锈层，锈层不均匀；厚度小于400m；锈层形成较好，致密均匀，颜色呈深棕色；厚度小于400 m；锈层形成良好，颜色呈亮棕色，锈层较薄；厚度小于200 m；锈层在桥梁中的形态1.2 我国耐候钢的发展和应用表4为我国耐候钢的发展历程。通过表4可以看出我国耐候钢的发展相比于国外发达国家还有一定距离，前期在耐候钢的使用过程中出现了许多问题，其中尤以1991年我国建成第一座耐候钢桥梁京广铁路武汉巡司河桥最为有名，京广铁路武汉巡司河桥一孔梁裸露使用、两孔梁涂装使用，在投入运营两三年后出现了起层、掉皮等现象，后面直接改用涂装方案，因此导致在1991年后我国耐候钢桥的建造出现了长达20 a的停33甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横2022 年（第 51 卷）第 12 期工业科技滞期6。表4中国耐候钢及耐候钢桥的发展历程9时间196519891991200820112012201320162017201820192020发展历程我国研制出国内第一种耐候钢，并成功应用于铁路货车上我国武汉钢铁厂成功研制出了各项性能指标较好的桥梁用耐候钢我国建成国内首座免涂装耐候钢桥梁京广铁路武汉巡司河桥我国鞍阳钢铁厂研制出高性能耐候钢桥梁我国企业中标国外耐候钢桥梁建设，开启了我国制造耐候钢桥的新篇章中信金属开始推广含Nb 耐候钢我国成功建造国内首座耐候钢公路桥梁沈阳后丁香大桥国内首座免涂装耐候钢混组合悬索桥官厅水库大桥（720 m）开工建设公路桥梁用耐候钢技术标准 由公路学会评审通过立项，标志着我国在耐候钢桥梁研究应用领域迈出了新步伐国内各大设计院开展耐候钢桥梁设计工作，耐候钢桥梁应用如火如荼国内首座免涂装双塔单跨悬索桥官厅水库特大桥建成通车G109线改建工程跨柳忠高速高架桥全桥免涂装建成通车，G321线清水驿至傅家窑公路桑园子黄河大桥开工建设，为黄河上游首座免涂装耐候钢分幅联塔式斜拉桥2 免涂装耐候钢在桑园子黄河大桥的应用2.1工程概况桑园子黄河大桥为甘肃省新建G312线清水驿至傅家窑公路段控制性工程，该跨河大桥为双塔八车道斜拉桥，全桥分为主桥、南引桥及北引桥3部分，采用双塔三跨半漂浮体系结合梁斜拉桥；采用钢筋混凝土菱形“双子塔”桥塔，其中大桥南塔塔高152 m，北塔塔高133 m。全桥右幅跨径组合为（440）m钢-混凝土组合梁（南岸）+（151+328+151）m斜拉桥+（440）m钢-混凝土组合梁（北岸），桥梁全长959 m；全桥左幅跨径组合为（40+40）m钢-混凝土组合梁（南岸）+70 m简支钢桁梁+（151+328+151）m斜拉桥+（440）m钢-混凝土组合梁（北岸），桥梁全长949 m，主桥采用免涂装耐候钢钢梁与混凝土桥面板组合结构，引桥采用免涂装耐候钢波形钢腹板钢-混组合梁。全桥采用免涂装耐候钢设计，提高环保性和桥梁耐久性，减少后期维护，全桥用钢量12 580 t，设计耐大气腐蚀性指数I6.5，建成后将成为黄河中上游首座大体量免涂装耐候钢桥梁。2.2 施工工艺波形钢腹板钢-混组合箱梁，在场内制造完成后，需运至架设现场进行二次拼装，完成拼装后进行一期混凝土浇筑，待一期混凝土养护达到一定要求后方可进行架设。根据设计要求，一期混凝土浇筑前钢箱梁须放置在密集型支撑胎架上，支撑间距不大于2 m，以保证一期混凝土与钢箱梁结合前，即一期混凝土桥面板达到一定强度前，钢箱梁不参与受力。针对桑园子耐候钢引桥钢箱梁，其钢箱梁整体拼装完成后，须按技术要求调整好预拱度，通过活动的胎座支架，来保证相应的预拱度定型。预拱度调整好后，进行焊缝坡口打磨，再采用特制耐候钢焊丝进行环缝焊接，由于耐候钢中加入了较多的合金元素，其焊接性比同级别的低合金结构钢差，耐候焊材中也含有较多的合金元素，焊接难度较大，因此必须严格执行焊接工艺对焊前预热、道间温度控制的要求，同时针对耐候钢的焊接工艺，专门组织召开了焊接工艺评定专家评审会，并顺利通过了专家组评审。耐候钢在现场施焊前，进行了试板焊接，经产品试板焊缝接头检验，力学性能不低于母材性能后，再进行钢箱梁的正式焊接，焊接作业依据现场焊接工艺指导严格执行，施工中将耐候钢的焊接质量作为重中之重，严把质量关，焊缝探伤一次合格率达95%以上。拼接焊缝及挑臂等所有焊接作业完成后，进行压型板铺装及剪力钉焊接，并通过各方验收后，转交钢筋混凝土施工班组进行箱梁顶板一期混凝土施工。在二拼场整体箱梁所有焊接作业完成并打磨好焊缝后，须再次进行锈层稳定化处理，根据实际情况，现场采用周期喷水法进行锈层处理，维持干湿交替状态，直至钢箱梁表面生成致密均匀的锈层。由于本项目所用材质均为耐候钢材质，为新材料、新工艺产品，从材料采购开始就严把质量关，严格按要求进行材料复检、焊缝检验等，通过 焊接工艺评定 专家评审，采用可行的施工工艺，制造出合格的产品，为以后的耐候钢桥制造积累了一定经验。2.3耐候钢锈层等级评定桑园子黄河大桥耐候钢锈层等级指数是按照设计文件的要求对耐候钢等级指数进行划分，当锈层等级指数3时表示锈层为腐蚀速率稳定的保护性锈层，腐蚀情况良好；当锈层等级指数3时表示锈层为非保护性锈层，说明钢材腐蚀严重，应立即查明原因并采取补救措施。桑园子黄河大桥耐候钢锈蚀等级见表5所列。342022 年（第 51 卷）第 12 期甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横工业科技表5耐候钢锈蚀等级锈层等级指数12345锈层厚度800 m400 m400 m400 m200 m外观特征大块疏松，片状锈层小块疏松，片状锈层不均匀锈层质密、附着性好且均匀的深褐色锈层质密、附着性好且均匀的浅棕色锈层锈片尺寸25 mm525 mm15 mm细密，1 mm细密2.4表面处理方案免涂装耐候钢最经济的使用方式是裸露使用，但是，锈层不经过表面稳定化处理，一般要经过310 a表面锈层才能逐渐稳定7。对耐候钢锈层的处理，常用的方法有周期水浸法，周期喷淋法。桑园子黄河大桥南、北引桥对免涂装耐候钢的处理方式采用周期喷淋法，对喷砂除锈后的钢材进行每天3次喷淋，并对锈层外观颜色进行检查，确保钢材表面形成致密均匀的稳定锈层，喷水周期大概2030 d。3结论及展望3.1结论（1）对耐候钢的研究需进一步加强。目前我国对耐候钢的应用研究缺少相关试验和标准支撑，耐候钢桥梁的设计建造一般参照国外标准，耐候钢的锈蚀层对环境敏感性较强，不同的环境因素对耐候钢的使用寿命影响较大，因此需进一步加强对我国耐候钢桥梁的研究8。（2）周期喷淋法能有效加快耐候钢锈层的形成时间，相比于周期水浸法该方法操作简便，使用该方法时应注意定期观测锈层的变化，尤其是螺栓孔缝隙及角落易积水部位锈层的变化，防止过度腐蚀造成新的病害。3.2 展望下一步将对桑园子黄河大桥耐候钢板锈层厚度进行监测，通过数据积累，分析桑园子黄河大桥耐候钢腐蚀速率，以及影响耐候钢桥梁腐蚀速率的影响因素，以期为西北地区耐候钢桥梁的建造和维护提供依据和参考。参考文献：1Dolling C N，Hudson R M.Weathering Steel BridgesJ.Bridge Engineering，2005，156（1）：39-44.2Eiki Y，Shozo N，Koji H，et al.Performance of WeatheringSteel in Bridges in KyushuYamaguchi RegionJ.DobokuGakkai Ronbunshuu A，2006，62（2）：243-254.3 Krivy V，Fabian L.Calculation of corrosion losses on weathering steel structures J.Applied Mechanics&Materials，2012，188：177-182.4 Vt Krivy，Petr Kone cny.Real material properties of weathering steels used in bridge structures J.Procedia Engineering，2013，57：624-633.5 张宇，郑凯峰，衡俊霖.免涂装耐候钢桥梁腐蚀设计方法现状及展望 J.钢结构，2018，9（33）：116-121，52.6 李军平.免涂装耐候钢在雅鲁藏布江钢管拱桥上的研究应用 J.钢结构，2019，34（6）：107-111.7 翟晓亮，袁远.我国耐候钢桥发展及展望 J.钢结构（中英文），2019，34（11）：69-74.8 王春生，张静雯，段兰，等.长寿命高性能耐候钢桥研究进展与工程应用 J.交通运输工程学报，2020，20（6）：1-26.20 Kunlin Chen，Jianlin Zhou，Fangqing Ge，et al.Smart UV-curable fabric coatings with self-healing ability for durableself-cleaning and intelligent oil/water separationJ.Colloids and Surfaces，A.Physicochemical and Engineering Aspects，2019，565：86-96.21Piotr Krl.Synthesis methods，chemical structures andphase structures of linear polyurethanes.Properties and applications of linear polyurethanes in polyurethane elastomers，copolymers and ionomersJ.Progress in MaterialsScience，2007，52（6）：915-1015.22Xiaoxue Ke，Hongbo Liang，Lei Xiong，et al.Synthesis，curing process and thermal reversible mechanism of UV curable polyurethane based on Diels-Alder structure J.Progress in Organic Coatings，2016，100：63-69.23 Yao Xiao，Liang Jiang，Zhimeng Liu，et al.Effect of phaseseparation on the crystallization of soft segments of green waterborne polyurethanes J.Polymer Testing，2017（60）：160-165.24 Libang Feng，Zhengyang Yu，Yaohui Bian，et al.Self-healing behavior of polyurethanes based on dual actions of thermo-reversible Diels-Alder reaction and thermal movementof molecular chains J.Polymer，2017，124：48-59.（上接第28页）35