桥梁钢Q345q在西北典型大气环境中的腐蚀行为研究

摘要

近年来，对于中大跨径的公路桥梁，我国西北地区钢结构桥梁的建设受到了广泛关注，既符合资源节约型的发展理念，又是西部经济建设的需求。然而，甘肃西北地区干燥少雨、风力强劲、强光辐射的大气环境使钢铁材料的腐蚀问题同样不容忽视。面对风沙带来的盐分、冬季融雪剂残留的盐分以及工业大气的污染，桥梁钢结构的老化问题严重影响了钢桥的服役寿命。基于此，本文以普通桥梁钢Q345q为基础，采用除冰盐、NaHSO3、除冰盐+NaHSO3分别模拟三种典型西北大气环境，通过干湿交替加速腐蚀试验方法，系统地研究了表面有无氧化皮Q345q钢在三种不同环境下的腐蚀行为，探讨了裸钢样和带氧化皮试样的腐蚀机理，同时开展了大气暴露一年的腐蚀试验，验证了加速试验的加速性与相关性，并建立了大气腐蚀时间模型，取得的主要成果与结论如下： 1.通过失重法分析了裸钢样在三种介质中的腐蚀动力学规律，随时间的延长腐蚀速率减小，其大小顺序为：NaHSO3>除冰盐+NaHSO3>除冰盐，腐蚀数据用△W=Atn拟合后，在144h以下的n值均大于1，说明锈层没有保护性，144h-480h之间，n值均小于1，说明锈层出现一定的保护性。采用XRD、SEM、电化学等方法对锈层物相、腐蚀形貌、带锈样的极化曲线对比分析，除冰盐溶液中由于Cl-在孔隙处产生闭塞电池的自催化效应，生成β-FeOOH、FeOCl等不稳定的腐蚀产物，致使自腐蚀电流密度增大，自腐蚀电位较小，锈层没有保护性；在NaHSO3介质中发生“生酸循环机制”，抑制了β-FeOOH的形成，自腐蚀电流密度逐渐减小，结合锈层形貌，锈层保护性较强；在除冰盐+NaHSO3介质中，发生了耦合效应，腐蚀行为并不是两种介质的简单加和，Cl-的部分闭塞微电池作用减弱，其保护性介于两者之间。 2.通过增重法分析了带热轧氧化皮试样在三种介质中的腐蚀动力学规律，腐蚀速率大小顺序为：NaHSO3＞除冰盐+NaHSO3＞除冰盐，数据拟合后得到192h以下，除冰盐和混合介质中n值小于1，腐蚀速率几乎不变，说明氧化皮对基体有一定的保护性，在192h后，n值大于1，腐蚀速率加快，氧化皮逐渐被破坏；NaHSO3溶液中48h已发生腐蚀，随后腐蚀速率增大。结合氧化皮及锈层的物相、腐蚀形貌、带锈样的极化曲线分析，除冰盐溶液中主要发生以“点蚀”为主的局部腐蚀，在氧化皮的缺陷处产生“大阴极小阳极”腐蚀微电池，Cl-的自催化效应致使锈层疏松多孔，截面有局部裂纹，锈层的自腐蚀电流密度增大；NaHSO3溶液中发生“生酸循环机制”为主的全面腐蚀，锈层的自腐蚀电流密度先增大后减小，锈层具有一定的保护性；除冰盐+NaHSO3溶液中发生“点蚀”+全面腐蚀，腐蚀微电池降低了Cl-与HSO3-的协同作用。 3.通过增重法分析了裸钢样和带氧化皮试样大气暴露一年的腐蚀动力学规律，并结合裸钢样和带氧化皮试样在实验室模拟工业大气环境(NaHSO3介质)的动力学规律，得到室内加速腐蚀与大气暴露腐蚀的时间对应点，即裸钢样加速腐蚀72h和144h分别与大气暴露5个月和1年对应，带氧化皮试样加速腐蚀144h和288h分别与大气暴露7个月和1年对应。在大气暴露腐蚀条件下，根据表面形貌和截面形貌的致密度、动力学曲线拟合的n值变化、自腐蚀电位的大小分析，裸钢样大气暴露1年的锈层更具保护性，而带氧化皮样在短期内具有延缓腐蚀的作用，但随着氧化皮的腐蚀溶解，氧化皮和钢基体之间形成大阴极小阳极的腐蚀微电池，从而加速了腐蚀。在0.01mol/LNaHSO3介质中干湿循环加速腐蚀和在兰州市自然大气腐蚀试验之间具有一定相关性，但也有差异性存在，具体表现在裸钢在大气环境下形成的锈层较加速腐蚀致密；带氧化皮样在大气环境下以点蚀、局部腐蚀为主，而加速腐蚀时为全面腐蚀加点蚀，这主要因为在大气环境中存在大量的尘埃及腐蚀性颗粒落在试样表面易造成点腐蚀。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2.1 国内发展现状

1.2.2 国外发展现状

1.3.1 大气腐蚀的概念与分类

1.3.2 大气腐蚀的过程与机理

1.3.3 大气腐蚀的锈层组成

1.4 大气腐蚀的研究方法

1.4.1 自然环境下的暴露试验

1.4.2 人工模拟室内加速腐蚀试验

1.5 本课题的意义及研究内容

第2章 实验材料、仪器及方法

2.1 实验材料

2.2 实验仪器

2.3.1 干湿交替加速腐蚀试验

2.3.2 大气暴露试验

2.4 材料表征方法

第3章 裸钢样在三种模拟西北典型大气环境中的腐蚀行为

3.1 动力学曲线分析

3.2 腐蚀产物分析

3.3.1 宏观腐蚀形貌

3.3.2 微观腐蚀形貌

3.3.3 锈层截面形貌

3.4 带锈试样的极化曲线分析

3.5 腐蚀机理分析

3.6 本章小结

第4章 带热轧氧化皮试样在三种模拟西北典型大气环境中的腐蚀行为

4.1 动力学曲线分析

4.2 腐蚀产物分析

4.3.1 宏观腐蚀形貌

4.3.2原始样表面及截面形貌

4.3.3 微观腐蚀形貌

4.3.4 锈层截面形貌

4.4 氧化皮带锈试样的极化曲线分析

4.5 腐蚀机理分析

4.6 本章小结

第5章 有/无氧化皮试样室内加速腐蚀与真实大气腐蚀的相关性

5.1 动力学曲线分析

5.2 腐蚀产物分析

5.3.1 宏观腐蚀形貌

5.3.2 微观腐蚀形貌

5.3.2 锈层截面形貌

5.4 带锈试样的极化曲线分析

5.5加速性分析

5.6相关性分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文