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相关资讯:朱劲松：耐候桥梁钢腐蚀力学行为研究及其应用进展

朱劲松，工学博士。天津大学桥梁与隧道学科负责人，教授，博士生导师。曾获项海帆杰出桥梁青年奖及天津市科技进步一等奖（）等，兼任国际全寿命土木工程协会会员，桥梁维护与安全国际联合会会员，中国土木工程学会桥梁与结构工程分会、中国土木工程学会计算机应用分会、中国公路学会桥梁与结构工程分会及中国复合材料学会土木工程复合材料分会理事及《中国公路学报》编委等。长期致力于大跨度复杂桥梁结构分析控制、桥梁损伤识别、健康监测及长期性能预测、评价与提升等方面的研究。

0 引言

腐蚀是影响钢桥耐久性的主要因素。调查显示，许多近15年间修建的桥梁，特别是处于氯离子腐蚀环境中的钢桥，已经出现了不同程度的耐久性损伤问题。为维持桥梁的使用功能往往需要在全寿命周期内进行反复涂装，然而涂装成本较高并且会释放挥发性有机物，污染环境，另外涂装有时需要中断交通，阻碍了车辆正常行驶。这反映出目前传统桥梁用钢已经不能很好的满足桥梁结构全寿命周期内的耐久性要求，同时钢桥腐蚀消耗了大量资源，不符合我国绿色发展的理念，这就迫切需要开展高性能耐候桥梁用钢的研发和应用研究。高性能耐候钢是一种集优越力学性能、高耐蚀性、便于加工制造和较高性价比于一体的桥梁结构用钢。裸装使用是耐候钢突出的优点，也是常用的使用方法，可以程度发挥耐候钢的优势。一般经过3~10年后，耐候钢表面形成一层致密的锈层，锈层能够阻碍氧气和侵蚀离子与基体接触，以达到保护基体的目的。2016年7月13日交通运输部发布的《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》中明确指出：环境条件适合的桥梁结构推广使用耐候钢，能够提高结构抵抗自然环境腐蚀的能力，降低养护成本。

随着人们对耐候钢耐蚀机理和力学性能认识的逐渐深入，耐候钢桥以其优越的耐久性能已经开始引起桥梁设计者的重视和广泛关注，但是到目前为止我国关于耐候钢桥设计理论和设计方法的研究工作仍然十分匮乏，工程实例较少，国内只有少数桥梁采用耐候钢材建造，并且大部分涂装使用，未能充分发挥耐候钢的优势。为了给桥梁用耐候钢的研究和耐候钢桥设计提供参考和依据，本文介绍了笔者课题组在耐候钢腐蚀机理与腐蚀后力学性能退化等方面的初步研究成果，并对耐候钢桥设计相关方法、规范与应用进行了评述。

1 耐候钢腐蚀行为研究

1.1 环境因素单独作用

在对耐候钢耐大气腐蚀性能进行研究时，国内外学者基于对大气中污染因素的主观评估，通常将外界大气定性的分为乡村大气（田园大气）、城市大气、工业大气和海洋大气4类。总的来说，对传统耐候钢在不同大气环境中腐蚀性能的研究已经比较充分，但是随着材料科学的不断发展，更多适用于不同腐蚀大气环境的新型高性能耐候钢正在被逐步研发出来，在应用于实际工程之前，仍需对它们的耐蚀性进行深入全面的研究。目前常用的研究方法主要是对耐候钢进行室外暴露试验和室内加速腐蚀试验，但是两种方法各有利弊。室外暴露试验能够真实反映耐候钢的大气腐蚀性能，但是试验周期较长，目前已有的腐蚀数据主要是基于10年左右的大气暴露试验得到的，而20年以上的试验数据在已有文献中极其少见；室内加速腐蚀试验能够在短时间内获得耐候钢的腐蚀性能，但是室内模拟腐蚀的关键环境参数与外界大气环境之间的相关性、加速腐蚀时间与实际腐蚀时间之间的等效关系尚需进行深入研究。另外，以往的耐候钢大气腐蚀模型主要是通过对长期腐蚀数据进行拟合得到，模型的建立主要依据经验公式。但是由于获得的腐蚀数据是不连续、非原位检测的结果，建立的腐蚀模型无法动态、连续描述材料表面随时间的变化过程。对耐候钢大气腐蚀连续变化过程的研究，一方面可通过加强动态、原位检测技术的研究，另一方面则可以通过建立大气腐蚀过程的理论模型，利用计算机仿真实现连续腐蚀变化过程的模拟，例如采用元胞自动机方法，但模型中各系数的确立和仿真模拟结果验证仍需结合实验室和现场试验数据。

笔者课题组以鞍钢研发的普通耐候钢Q420qNH和适用于海洋大气的耐候钢Q420qNHY为研究对象，提出了一种基于三维元胞自动机的耐候钢大气腐蚀过程的数值方法，模拟过程包含了基于Fick第二定律的扩散过程以及基于法拉第定律的电化学反应过程，并且通过引入概率考虑了腐蚀过程的随机性和外界环境参数的不确定性。为了简化模拟过程，根据三维元胞自动机系统的特点针对复杂的钢材大气腐蚀过程做了几点基本假设，在此基础上根据钢材腐蚀所发生的化学反应方程式Fe + 1/2O2 + H2O → Fe（OH）2建立化学反应规则，根据氧气在电解液膜层中的扩散规律建立扩散规则，通过编制Matlab程序实现了钢材在大气中腐蚀过程的模拟。采用该方法对典型大气环境中耐候钢的腐蚀行为进行了模拟，获得了耐候钢腐蚀动力学曲线、腐蚀形貌和蚀坑分布特征，模拟结果符合钢材在大气环境中的基本电化学腐蚀规律，通过与大气中耐候钢实际腐蚀数据进行对比，验证了模型的正确性和可靠性，该方法能够准确再现耐候钢的大气腐蚀过程。

同时开展了中性盐雾加速腐蚀试验及天津滨海地区现场挂片试验。通过对普通低碳钢（Q420q）、传统耐候钢（Q420qNH）和新型高性能耐候钢（Q420qNHY）进行中性盐雾试验，获得了3种钢材的腐蚀动力学曲线和腐蚀速率随时间的变化关系曲线。得到如下结论：腐蚀初期（18天之前），传统耐候钢的厚度损失与普通低碳钢基本相同，之后，传统耐候钢的厚度损失开始逐渐低于普通低碳钢，此时传统耐候钢表现出优于普通低碳钢的耐蚀性能；在整个腐蚀过程中新型耐候钢的厚度损失一直保持在较低的水平，表明在模拟海洋大气环境中与其它2种钢材相比新型耐候钢具有更好的耐蚀性；对于普通低碳钢和传统耐候钢，在腐蚀初始阶段（4天之前）两者的腐蚀速率均呈现增大趋势，之后随时间开始下降，此时锈层对腐蚀介质的阻碍作用开始显现出来，并且由于耐候钢的锈层更加致密，故使得传统耐候钢的腐蚀速率下降比普通低碳钢更快，但是在初始阶段传统耐候钢的腐蚀速率要高于普通低碳钢；在整个腐蚀过程中，新型耐候钢的腐蚀速率从一开始就下降，并且在腐蚀后期维持在一个稳定值，这表明新型耐候钢的锈层可以在较短时间内形成并起到很好的保护基体的作用。通过综合比较可知，新型耐候钢更适用于在海洋大气环境中应用。

1.2 环境与荷载耦合作用

耐候钢在环境与荷载耦合作用下的腐蚀机理主要包括两个方面：一个是荷载对电化学过程的促进作用，即力学-化学耦合效应，这属于腐蚀科学研究的范畴，在此不再赘述；另一方面是荷载对耐候钢锈层形成过程的影响，涉及锈层在荷载作用下与基体的结合性能和开裂应力大小，这与耐候钢桥设计和结构耐久性密切相关。例如桥梁结构在服役过程中，不仅要承受恒载作用，还要承受车辆产生的动荷载作用，如果耐候钢表面保护锈层与基体结合性能不好，锈层在外界荷载作用下容易破裂甚至脱落，从而使耐候钢再次腐蚀，依此循环下去，将会严重影响桥梁耐久性能，缩短使用寿命。因此，在实际使用过程中，耐候钢的耐蚀性能与锈层自身力学性能以及外界荷载关系密切。

钢材表面的锈层厚度并不均匀，与钢基体的弹性模量存在差异。由于变形能力不同，在荷载作用下锈层容易发生脆性断裂，或是在锈层和钢基体的界面处易产生剥离；并且由于锈层厚度的不均匀性，裂缝一般在局部范围内随机分布。锈层的开裂为氧气的扩散提供了通道，减弱了其对基体的保护能力，这将导致钢材进一步锈蚀，并且容易使钢材发生局部腐蚀。如果施加于钢材的荷载频率较高，锈层将不会对钢材提供有效的保护作用，耐候钢的腐蚀性能与普通低碳钢没有区别。根据Scully的研究，在高频动载作用下，耐候钢的腐蚀动力学曲线近似为直线。

已有针对弹性范围内不同恒载作用下耐候钢在3.5%NaCl溶液中腐蚀行为的研究表明，在外荷载作用下耐候钢生成的锈层降低了对Cl—阻抗作用，分析发现随着外加荷载的增大，形成锈层的平均孔隙直径越大，从而提高了阴离子的选择性，加快了金属的溶解速度。图中给出了加速腐蚀45天后不同恒载（0、0.6σs、0.7σs、0.9σs）作用下锈层截面形貌，其中σs为屈服强度。可见，随着外加恒载的增加，耐候钢表面形成的锈层与基体的结合性能变得越来越差，甚至出现了锈层剥离的趋势。同时，随着外界荷载和腐蚀时间的增加，耐候钢的力学性能也出现了明显退化，这表明外加荷载促进了钢材的腐蚀过程，从而加速了力学性能的退化过程。

目前国内外对环境与荷载耦合作用下耐候钢腐蚀机理的研究还不够深入，研究结果只能定性的评估荷载对腐蚀环境中耐候钢腐蚀行为的影响，试验周期较短，所得试验数据尚无法对100年寿命周期内桥梁结构的耐久性设计提供有效的借鉴和参考。尤其是在桥梁特有的荷载情况下（疲劳荷载、冲击荷载、超重车辆通过时桥梁产生较大挠曲变形等）耐候钢保护锈层与基体结合性能方面尚缺乏系统深入的基础理论研究。基于此，当前应加强该部分的研究工作，结合桥梁实际服役工况，系统全面的研究环境与荷载耦合作用下耐候钢的腐蚀行为，量化腐蚀损失，为接下来耐候钢桥在我国大范围应用提供技术支撑。

为研究近海大气中耐候钢桥服役时形成的锈层在荷载作用下的开裂行为，笔者课题组采用锈层稳定处理技术使得暴露于大气中的两种耐候钢试件（Q420qNH和Q420qNHY）在短时间内形成了稳定锈层，观测了锈层形貌，测试了不同钢材锈层与基体的结合性能；通过对形成稳定锈层的试件进行单调拉伸试验分析研究了锈层开裂应力和应变，试验过程中采用DIC（数字图像相关）技术观测得到了试件腐蚀段锈层的应变场。结果表明，当接近屈服时耐候钢试件表面锈层开始出现微观裂纹，随着荷载增加裂纹逐步扩展，超过屈服荷载后裂纹扩展迅速，锈层开始剥落。同时通过对预腐蚀的Q420qNH耐候钢试件施加疲劳荷载（σmin/σmax=0.1，σmax≤0.9fy），研究了疲劳应力作用下耐候钢表面保护锈层的稳定性。微观观测表明，整个加载过程试件的表面锈层一直保持完整，只有疲劳裂纹产生或明显扩展时，才观察到锈层的开裂和剥落，但此时试件已近乎失效，可以认为在试件断裂失效前，锈层具有良好的稳定性。

在质量分数3.5%的NaCl溶液中对不同程度拉应力作用后以及疲劳断裂后的腐蚀试件进行了电化学测试，结果表明，随着外加荷载的增加，两种耐候钢呈现出逐渐加速的腐蚀过程。但是，拉应力对Q420qNH和Q420qNHY腐蚀过程的影响程度不同。疲劳应力（σmin/σmax=0.1，σmax≤0.9fy）对锈蚀耐候钢（Q420qNH）断后试件的电化学响应没有明显影响，即验证了疲劳荷载未对试件表面锈层产生明显的损伤，锈层仍然能够对基体起到良好的保护作用。

2 耐候钢力学性能研究

目前国内钢铁企业已经具备生产不同强度等级能够适用于不同大气环境的高性能耐候桥梁用钢的能力，并且与之配套的耐候焊接材料和高强度耐候螺栓也正在逐步实现国产化，这为我国耐候钢桥的建设提供了材料基础。在高性能耐候钢不断被各国钢铁企业研发的同时，国内外研究人员开展了高性能耐候钢力学性能的基础性研究，并取得了一些进展。然而对于耐候钢，在应用时一般裸装使用，如果使用不当也会引起较为严重的腐蚀，导致力学性能退化，因此应对其长期性能给予关注，尤其在应力腐蚀、腐蚀疲劳以及腐蚀后力学性能退化方面给予重点研究。

笔者课题组通过对3种钢材（Q420q、Q420qNH和Q420qNHY）进行静力拉伸试验发现，由于合金元素含量不同，3种钢材的力学性能存在明显差异。其中Q420q的屈服强度和抗拉强度较低，含有明显的屈服平台，断后伸长率为31%，具有较好的延性；Q420qNH的屈服强度和抗拉强度较高，但屈服段很短，断后伸长率为23%，延性较差；而Q420qNHY的屈服强度和抗拉强度均介于前两者之间，但没有明显的屈服段，伸长率与Q420qNH类似，弹性模量要稍小于Q420q和Q420qNH。钢材力学性能和腐蚀性能的差异将会显著影响桥梁的使用性能和服役寿命，应在桥梁设计时加以考虑。同时开展了海洋大气中耐候钢力学性能退化规律研究，采用DIC方法观测腐蚀试件在受力过程中的应变场，分析了点蚀损伤对钢材力学性能的影响。研究结果表明，两种耐候钢Q420qNH和Q420qNHY表现出类似的力学性能退化规律，并且在腐蚀程度相同时展现出优于普通低碳钢Q420q的力学性能，但是通过对断后伸长率退化规律的研究推断出耐候钢Q420qNH不适用于在海洋大气中应用。另外通过对由DIC方法获得的腐蚀试件表面应变场的分析可知，局部腐蚀能够加速断裂截面处应变的发展。

3国内外耐候钢桥应用现状

3.1 耐候钢桥应用现状

在国际上耐候钢正逐渐被当作一种普通钢种来广泛使用，并且一般裸装应用。虽然耐候桥梁钢在我国已经有所应用，但规模化应用的进程缓慢，相比于发达滞后近50年。而目前我国冶金及钢桥制造水平已达到先进水平，具备了推广免涂装耐候钢桥的条件。当前在建的川藏铁路拉林段藏木特大桥和河北官厅水库特大桥均拟采用裸装的耐候桥梁钢，这两座大桥的成功建造，将为今后我国公路、铁路免涂装耐候钢桥的建设起到示范作用。

3.2 存在问题及病害

调研结果显示：国外大多数耐候钢桥经过精心设计还是比较成功的，耐候钢桥在整个运营期内整体上是好的。裸装是耐候钢应用突出的优势，如若耐候钢桥初期设计合理，后期维护恰当，其优势是能够在全寿命周期内得到充分发挥的。然而，由于设计和使用不当，国内外早期建造的耐候钢桥也出现了一些问题和病害。鉴于此，可根据现场环境和排水设施布置对耐候钢桥易腐蚀部位局部涂装。另外耐候钢裸露使用时初期稳定锈层未形成，易发生锈液流失，污染周围环境。目前可以采用涂刷耐候钢生锈液、锈层稳定化涂层以及洒水工艺等加速锈层稳定措施对耐候钢表面进行预处理，以保证耐候钢在初期就可以形成稳定锈层，从而避免锈液流失。

4 耐候钢桥设计理论和方法

4.1 耐候钢桥设计理论

日本于1985年制定了《无涂装耐候性桥梁设计施工要领》，并于1993年进行了修订，其中规定：对于符合本要领的耐候钢桥，不需要考虑腐蚀层厚；对于不能期待形成稳定锈层的耐候钢桥，则不应无涂装地使用。美国联邦公路局（FHWA）于1989年制定了《无涂装耐候钢结构设计指南》；随后在HPS工程应用及试验研究的基础上，发布了基于HPS设计的公路桥梁指导标准《高性能钢设计指南》；并对公路桥梁设计规范AASHTO做了改进以更加地应用高性能钢。欧洲对高性能钢进行了大量试验研究，正致力于建立高性能钢的设计准则。而目前我国尚未发布与耐候钢桥设计相关的规程。

耐候钢的腐蚀速率比普通低碳钢小的多，但是也存在腐蚀，全寿命周期内钢材腐蚀损失对结构可靠性可能造成的影响在设计时应该被予以考虑。在对耐候钢桥进行设计时，通常在由静力计算求得的构件厚度上增加腐蚀余量作为构件的设计尺寸以考虑腐蚀损失的影响，表中给出了德国、英国和瑞典规范中建议的耐候钢在100年设计寿命期内的腐蚀余量。国内研究人员应在对各类腐蚀环境设定清晰临界标准的基础上，加强耐候钢腐蚀性能的研究工作，积累相关腐蚀数据，掌握服役环境对耐候钢材的腐蚀性，提出适合我国不同气候环境的耐候钢腐蚀余量设计值，并按实际服役环境，选择涂漆、稳定化处理或直接裸露使用耐候钢。

规范建议的耐候钢100年设计寿命周期内的腐蚀余量

4.2 细节设计方法

为了保证耐候钢能够充分发挥其耐蚀性，还应根据耐候钢桥的服役环境，对其钢梁、连接节点、伸缩缝的细部构造以及排水管道布置进行细节设计，所有的细节处理都应以避免耐候钢表面积水为目的。下图分别给出了国外在设计钢梁和伸缩缝时对细部构造的处理方法。国内设计单位可在借鉴国外耐候钢桥建设经验的基础上，针对不同桥型分别提出相应的细节设计方法，形成完整的耐候钢桥设计规范和建设指南，以指导我国耐候钢桥的建设。

5 结论与展望

（1）耐候钢之所以可以裸装应用主要是因为其表面在自然环境中可以生成稳定致密的保护锈层。而影响耐候钢锈层稳定化的主要因素有：盐分、硫化物和水分等。其中盐分为控制因素，因此免涂装耐候钢桥在受空气盐分影响较强的海岸区域和有高湿度海风的地区应避免使用，高寒地区路面使用防冻剂和除冰盐的桥梁亦应慎重采用。以耐候钢腐蚀速率每年不超过6μm为标准，当大气中Cl—和SO2浓度分别低于3mg·（m2d）-1和20mg·（m2d）-1或者非海洋大气环境中大气腐蚀等级为C2~C3时，可以裸装应用耐候钢。另外，耐候钢也因合金元素含量不同耐候性有差异，是否能裸装使用与耐候钢性能及使用环境相关，这方面仍需进一步研究。鉴于试验获得的腐蚀数据的非连续性，建议通过建立大气腐蚀过程的理论模型，利用数值仿真技术动态连续地模拟耐候钢随时间的腐蚀过程。

（2）目前对于耐候钢腐蚀机理的研究主要局限于自由放置状态下的试件，而荷载作用会加速耐候钢的腐蚀，尤其在高频荷载作用下，锈层脱落将不会对钢材提供有效的保护作用，应加强腐蚀环境与受力耦合作用下耐候钢腐蚀行为的研究，特别是关于在桥梁特有的荷载情况下（疲劳荷载、冲击荷载、超重车辆通过时桥梁产生较大挠曲变形等）耐候钢锈层与基体结合性能的研究。

（3）裸装应用的耐候钢在腐蚀较严重时，同样存在力学性能退化的情况，尤其是在应力腐蚀和腐蚀疲劳状态下力学性能退化程度更为严重，而目前对于腐蚀环境与荷载耦合作用下耐候钢力学性能退化规律的研究尚不够深入，且主要局限于传统的耐候钢材，关于近几年研发的高性能耐候桥梁钢应力腐蚀与腐蚀疲劳性能的研究文献十分匮乏，这也应成为今后研究的重点。

（4）关于耐候钢桥的设计方法主要是将腐蚀余量考虑进钢板厚度中进行设计，由于目前耐候钢厚度腐蚀损失随时间的变化规律尚无法准确预测，该设计方法或高估或低估了耐候钢桥的使用寿命。可以根据耐候钢梁锈层产生裂隙或者脱落时的截面应力大小，采用混杂设计方法重新设计钢梁，使得钢梁截面应力小于锈层开裂应力，防止耐候钢梁锈层开裂，以达到耐久性设计的目的。另外，细节设计和定期的维修养护是保证耐候钢充分发挥其耐蚀性的重要手段，设计单位应针对不同桥型和钢梁截面形式分别提出相应的细节设计方法，简化耐候钢构件的设计和装配，注意防止局部腐蚀和缝隙腐蚀，同时制定出合理的维修养护策略。对于已经发生局部腐蚀的耐候钢构件，还应对其承载力进行重新评定，及时采取补救措施。

（5）根据目前现有的研究结论可知，在某些腐蚀环境下裸装耐候钢的疲劳强度要比涂装的普通钢材低，对于中等腐蚀环境中未进行涂装的耐候钢桥，建议其钢材容许应力幅取更低的值，这与美国颁布的《无涂装耐候钢结构设计指南》中的建议相同；规范AASHTO LRFD和Eurocode 3中通过降低疲劳细节等级的方式来考虑裸装耐候钢桥疲劳强度退化；另外为减小疲劳强度退化，腐蚀严重的耐候钢桥应尽快进行涂装。

（6）目前国内钢铁企业已经具备生产不同强度等级高性能耐候桥梁钢的能力，但是国内尚未发布与耐候钢桥有关的设计规程和施工指南，严重制约了我国耐候钢桥的建设和发展，这就需要材料研发、桥梁设计和腐蚀控制领域的专家学者密切合作，致力于建立配套的耐候钢、耐候焊接材料、耐候高强度螺栓产品及相关的标准和规范。

主要内容见：

（1）《中国公路学报》2019年第5期（点击下载浏览全文）“耐候桥梁钢腐蚀力学行为研究及其应用进展”。

（2）“3D cellular automata based numerical simulation of atmospheric corrosion process on weathering steel”，Journal of Materials in Civil Engineering ASCE，2018年第11期。

（3）“Corrosionbehavior and mechanical property degradation of weathering steel （WS） in marineatmosphere”，Journalof Materials in Civil Engineering ASCE，已录用，待发表。

（4）“Rustlayer adhesion capability and corrosion behavior of weathering steel undertension during initial stages of simulated marine atmospheric corrosion”，Construction& Building Materials，审稿中。

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