钢桥的腐蚀机理与防腐技术

钢桥的腐蚀机理与防腐技术

陆明龙1周雪婷2罗浩宇1

1.重庆交通大学土木工程学院重庆400074

2.国家电投集团远达环保工程有限公司重庆401122

摘要：钢桥由于自重轻，跨越能力强，施工简便等优点，在世界各国桥梁建设中被广泛采用。然而，钢桥的腐蚀是桥梁损坏的主要原因之一。针对钢桥腐蚀问题，对国内外钢桥腐蚀现状进行了梳理，分析了腐蚀的类型和机理，总结了腐蚀的防护方法，并对我国钢桥防腐研究提出几点展望。

关键词：钢桥、腐蚀、机理、防腐

1前言

在工程设计中，结构的设计是为了确保一定时期内的可靠性。然而，在使用寿命期间，结构会由于腐蚀、疲劳和冻融循环以及荷载条件而劣化。腐蚀是钢桥劣化的主要原因之一，钢的腐蚀是导致桥梁退化的主要因素。根据美国腐蚀工程师国际协会（NACE）2002年统计数据，每年直接在美国公路桥梁的腐蚀成本估计为136亿美元，由于间接腐蚀的交通成本和生产力损失估计高达10倍的直接成本。我国的大、中跨径桥梁大多是钢桥，钢结构构件的比重大，然而根据专家估计，我国公路桥梁的腐蚀损失大概达到腐蚀总损失的三分之一。影响钢桥结构腐蚀破坏的因素有很多，十分复杂。因此深入了解腐蚀机理，合理采用高效的钢桥防腐蚀控制技术，合理进行结构设计，不仅可以节省往后桥梁运营的成本，降低因腐蚀带来的经济损失，更能提高钢桥的耐久性和可靠性，对推动钢结构桥梁的发展具有积极的现实意义。

2钢桥腐蚀的类型和机理

2.1钢桥腐蚀类型

钢桥是根据特定的需要而修建的，它们所处的地理位置各不相同，气候各异，因此钢桥产生腐蚀的原因也就不一样。高温潮湿、酸雨盐雾、寒冷和冰盐等等这些环境都会造成钢桥的腐蚀。根据钢桥腐蚀所处的环境，可以分为以下三种：1）大气腐蚀；2）水介质腐蚀；3）土壤腐蚀。其中，大气腐蚀和水介质腐蚀是主要的腐蚀类型，造成的后果和损失也是十分严重的。

2.2钢桥腐蚀机理

2.2.1大气腐蚀机理

大气腐蚀是指钢桥构件暴露在大气中，当大气中的湿度达到一定值时，空气中的水分会吸附杂质凝聚在钢构件表面形成水膜而发生的电化学反应。电化学反应腐蚀可以分为氧去极化作用腐蚀和氢去极化作用腐蚀。氢气极化作用是金属在酸性环境下才发生的腐蚀方式，由于在大气环境下水膜比较薄，氧气容易构件表面接触，故大气腐蚀主要以氧去极化作用为主。大气腐蚀的化学反应方程式为：

在中性和碱性环境下的阴极发应式：

在酸性环境下的阴极反应式：

3钢桥的防腐技术

据统计，钢桥维护的成本主要用于钢桥的防腐方面，钢桥防腐的寿命比钢桥的设计寿命小很多，一般防腐寿命是5-10年，在桥梁的设计寿命内需要多次循环翻新维护，钢桥的防腐维护成本是巨大的，腐蚀严重影响了桥梁的经济效益和社会效益。桥梁是现代社会中十分重要的基础设施，桥梁的腐蚀需要进行定期的维护和维修。为了解决桥梁的腐蚀问题，国内外已经研究出很多腐蚀处理措施。例如，在钢材表面喷涂防腐涂层或使用耐候钢，耐候钢的腐蚀比传统的碳素钢腐蚀要小得多，但耐候钢成本高。还有的是进行耐久性设计，在钢桥的设计寿命内发生的腐蚀不足以影响结构的使用性能和安全性。

目前，国内外的钢桥防腐措施主要有涂料保护和电化学保护两种。

3.1涂料防腐保护

涂料防腐是通过刷涂、滚涂、高压喷涂以及空气喷涂等方式将涂料覆盖在钢材表面，阻缓腐蚀因子腐蚀钢材从而达到保护钢材的一种方法。涂料对钢桥的保护作用主要有以下三种：1）屏蔽作用；2）缓蚀作用；3）阴极保护作用。

涂料覆盖在钢材表面后，腐蚀因子难以与钢材接触而发生腐蚀，涂料层对腐蚀因子起屏蔽作用。涂料也可以在钢材表面形成牢固的化合物，增强漆膜的耐水性，阻止腐蚀的快速发展而降低钢材的腐蚀速度。另外，可以利用锌的阴极保护方法。锌与铁两种元素接触发生电化学腐蚀时，锌可作为阳极发生反应，而铁不发生腐蚀反应，锌作为牺牲阳极而保护了钢铁，这种方法就是牺牲阳极的阴极保护法。

普通的涂料防腐寿命一般很短，国外发达国家已很少采用这种防腐方法。目前，能有效防腐的方法是重防腐涂层方法。重防腐涂装是一种复合涂装体系，具有屏蔽作用强、防腐有效期长的突出优点。

3.2电化学防腐保护

电化学保护根据反应原理有阳极保护和阴极保护两种。阳极保护是指对钢铁进行钝化，使钢铁转表面形成不易甚至不被腐蚀的状态。阴极保护是指采用电位比铁元素低的金属与钢材连接在一起，当发生腐蚀反应时，与钢材接触的金属发生化学反应，而钢材不被腐蚀。

目前，应用电化学保护的技术主要是热喷涂技术。热喷涂技术主要采用电弧喷涂。电弧喷涂原理是通过设备将金属丝熔融后，再喷涂黏附在钢材表面。电弧喷涂利用的是牺牲阳极的阴极保护法，在腐蚀环境下，喷涂的金属成为阳极，牺牲自己，达到保护钢材的目的。电弧喷涂层与钢材能有效黏附，具有长久耐腐蚀寿命，事实证明目前热喷涂防腐蚀寿命可达100年之久，在桥梁设计寿命内可不重新进行防腐维护。我国的电弧喷涂技术迅猛发展，与国外技术已经没有大的差别。

4结语

钢桥腐蚀是桥梁建设者们必须关注且重视的问题，腐蚀破坏带来的损失是十分巨大的。根据钢桥腐蚀的机理，充分运用现代防腐技术，合理进行结构设计和养护是至关重要的，目前，我国钢桥不断发展，但腐蚀严重，防腐成本巨大。对于我国钢桥的腐蚀防护，提出几点展望：研究高性能、绿色无公害的防腐涂料，研究提高钢材自身防腐蚀能力，更重要的是建立模型进行生命周期成本的分析，评估初始资金投入和设计寿命期内的维护作用，确定桥梁应用中可变关联管理方案的经济效益，以提高桥梁运营的经济和社会效益。

参考文献：

[1]KiswendsidaJ.Kere，QindanHuang.Life-CycleCostComparisonofCorrosionManagementStrategiesforSteelBridges[J].JournalofBridgeEngineering.2019.

[2]徐君兰，孙淑红.钢桥[M].北京：人民交通出版社，2017

[3]任必年.公路钢桥与维护[M].北京：人民交通出版社，2002