桥梁钢结构的腐蚀机理、检测评估及防护
2024-07-19 15:32:52 作者:腐蚀与防护 来源:腐蚀与防护 分享至:

 

 

概述

 

桥梁钢结构长期处于自然环境中,难免会受到雨水、大气及污染物的腐蚀,这将严重威胁桥梁安全与耐久性。我国地域广阔,东部沿海地区拥有大量的江河;西部地区则存在大量酸性土壤、盐渍土和高盐地下水,这些环境中氯离子浓度普遍较高。长期服役于此类环境下的桥梁,钢结构容易受到氯离子的侵蚀,导致腐蚀,进而引发构件强度和刚度下降等严重问题,尤其在反复荷载作用下,腐蚀疲劳将会导致材料性能劣化,威胁结构的正常使用,极大地缩短桥梁的使用寿命。

根据工业发达国家统计,每年因钢材腐蚀造成的经济损失约为GDP的2%~4%。目前,全球钢材腐蚀造成的经济损失高达万亿美元。近年来,我国因钢结构腐蚀造成的不安全事故约占桥梁安全事故的25%~30%。因此,学者们在钢结构的腐蚀、检测和防腐技术等方面开展了广泛研究。

 


桥梁钢结构腐蚀与

腐蚀疲劳损伤机理

 

钢材的腐蚀类型多种多样,包括均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等。均匀腐蚀是指钢材表面全面均匀发生的腐蚀现象,导致材料整体逐渐变薄。点腐蚀则在局部区域发生,形成小面积的快速腐蚀,通常在应力集中或保护层缺陷处出现。缝隙腐蚀多发生在金属连接处,如焊缝或紧固件接缝处,由于缝隙中电解质的渗透而形成。晶间腐蚀和应力腐蚀则分别由材料的晶粒边界和外部应力作用引起,它们都可能导致材料的突然断裂。

这些腐蚀形式严重削弱了钢构件的力学性能和承载能力,增加了结构失效的风险。腐蚀不仅减少了构件的有效截面积,还可能引起应力集中,影响结构的稳定性。为了全面了解腐蚀对桥梁构件及整体结构性能的影响,研究人员常采用实验室腐蚀试验、现场监测和数值模拟等手段进行综合评估。通过这些方法,可以定量分析腐蚀损伤程度及其对结构性能的具体影响,为桥梁的维护、加固及寿命预测提供科学依据。

2.1

 桥梁钢构件腐蚀疲劳损伤

Zong等研究了Q690D高强钢腐蚀特性,基于连续损伤力学校正了其疲劳损伤演化模型。结果表明,随着腐蚀程度的增加,Q690D高强钢在单轴拉伸下弹性模量、屈服强度和极限应力都会下降,且疲劳性能也会变差。在高周疲劳情况下,腐蚀后Q690D高强钢的S-N曲线的斜率会变得更加陡峭;S-N曲线的拟合结果显示,腐蚀程度对长寿命区疲劳寿命影响较大,且腐蚀后S-N曲线的斜率更加均匀(图1)。

图1 Q690D腐蚀样本的S-N曲线:C0无腐蚀,C1,C2,C3腐蚀

Jiang等研究腐蚀效应对正交异型钢桥面板疲劳性能的影响和疲劳裂纹扩展的规律,利用元胞自动机腐蚀模型获取了在不同质量损失率(w)下典型正交异型钢桥面板构件的三维腐蚀形态,并建立了具有毫米级腐蚀坑和裂纹的长跨度桥梁的多尺度有限元模型。结果显示,与通过均匀厚度减小来表征腐蚀效应的方法相比,元胞自动机腐蚀模型获得的极限承载能力更符合实验结果。与未考虑腐蚀效应时相比,当U肋的w分别为6%、8%和10%时,U肋焊脚的裂纹起始处的峰值应力强度因子增加了32%、49%和86%,U肋-隔板的疲劳裂缝寿命分别降低了6.5%、18.9%和50%。根据U肋焊脚处裂纹起始的应变能释放率,裂纹是以张开型裂纹为主,滑开型裂纹和撕开型裂纹为辅的复合裂纹。

Chai等研究了不同腐蚀情况下高性能钢梁的疲劳特性(表1)。结果发现,整体腐蚀的钢梁的疲劳寿命随着荷载频率的增加而减少,并随着应力比的增加而减少。此外,局部腐蚀对钢梁弯曲刚度的影响比起整体腐蚀更大,且对钢梁下半区的影响大于右半区的影响。除了SCU-10钢梁外,其他腐蚀的钢梁的断裂位置均位于腐蚀区域内。这是因为尽管弯曲剪切截面存在腐蚀,但腐蚀区域的疲劳强度高于断裂位置。此外,除了GC-10B和SCU-20钢梁外,在循环加载下,其他钢梁的跨中弯曲刚度退化曲线未观察到S形曲线特征。

表1 被测试梁的设计参数

罗霞飞等采用自主设计的海水间歇供水循环系统模拟干湿比为1:1的海水干湿交替环境,研究了空气环境、全浸环境、干湿交替环境和应力比0.1、0.3和0.5对高强度钢EH690钢疲劳裂纹扩展的影响。基于试验获得的a-N曲线(a裂纹长度,N为疲劳周期)和da/dN-ΔK曲线(da/dN为裂纹扩展速率,裂纹尖端应力强度因子幅值),发现在裂纹扩展前期,EH690钢在干湿交替环境与全浸环境中的裂纹扩展速率为空气中的三倍左右,呈现出显著的疲劳裂纹扩展加速现象。对于给定的应力强度因子,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。研究还拟合得到了不同环境和应力比下标准紧凑拉伸试件的Pairs常数,并通过扫描电镜从微观角度分析EH690高强钢的腐蚀疲劳裂纹扩展机理,为实际海洋平台的腐蚀疲劳寿命评估提供了可靠的试验数据参考。

胡春建等基于潍莱铁路线一座全焊接免涂装耐候钢桥,开展了列车动力作用下的关键构件和焊接节点疲劳损伤分析,并进行考虑腐蚀劣化影响下的疲劳寿命评估。基于列车-轨道-桥梁耦合系统模型,研究了在高速列车动力荷载下桥梁主桁关键构件动力响应,并得到结构中最不利构件位置,分析了关键构件在列车通行振动效应下的疲劳损伤度。结合考虑局部节点板精细化的多尺度耦合有限元模型,考虑轨道不平顺和列车运行速度的影响,得到桥梁节点板在不同速度下的疲劳损伤度;考虑环境腐蚀对桥梁疲劳寿命的影响,结合桥梁列车年运营量进行腐蚀环境下桥梁关键杆件和节点的疲劳使用寿命评估。研究结果表明,铁路钢桁梁桥在列车动力作用下,不同构件的疲劳损伤不同,刚度较小以及应力响应影响线较短的构件疲劳损伤度更大,其中疲劳损伤度由大到小依次为节点横梁、腹杆、下弦杆、上弦杆。轨道不平顺和列车运行速度对桥梁节点板应力响应最大值影响并不显著,列车运行速度为120 km/h时与所分析桥梁共振更明显。环境腐蚀会降低铁路桥梁疲劳寿命,且对桥梁不同构件寿命影响程度不同。

王莹等研究了腐蚀效应对锚箱式索梁锚固结构疲劳性能的影响,采用能反映腐蚀电化学机理的元胞自动机模型获得了锚固区典型构件的表面点蚀坑模型,并以润扬长江北汊斜拉桥为工程背景,建立了考虑腐蚀表面粗糙度的大跨斜拉桥的有限元模型。基于现场实测的车辆数据,建立了疲劳车辆模型,考察了在疲劳车辆模型作用下,典型锚箱构件腐蚀对索梁锚固结构疲劳性能的影响。研究结果表明,锚箱底板、上腹板和下腹板构件在10%的质量损失率下,锚箱式索梁锚固结构的疲劳寿命与未考虑腐蚀效应相比分别降低了21.18%、26.99%和6.3%。

2.2

 高强钢丝、缆索的

腐蚀/腐蚀疲劳损伤

王春生等探讨了桥梁缆索钢丝的疲劳和腐蚀疲劳性能,发现带腐蚀损伤和腐蚀疲劳损伤的钢丝裂纹源多数萌生于钢丝表面腐蚀坑处。除了典型的疲劳断口外,还出现了多源断口的情况。根据图2中S-N曲线进行对比发现,在同应力幅下,腐蚀缆索钢丝的疲劳强度明显低于无腐蚀损伤缆索钢丝的疲劳强度。进一步研究表明,腐蚀不仅会降低缆索钢丝的疲劳强度和剩余疲劳强度,还会加快缆索钢丝疲劳强度的降低速率,从而进一步削弱其抗疲劳性能。

图2 S-N曲线

王鑫等研究了含裂纹高强钢丝在不同腐蚀周期后的力学性能变化及腐蚀机理。通过对1770MPa高强镀锌钢丝进行人工加工刻痕模拟微裂纹状态,在中性盐雾环境下进行了不同时间(120,240,360,480,720小时)的腐蚀试验。拉伸试验结果显示,随着腐蚀时间的增加,钢丝的极限强度、断后伸长率逐渐降低,但弹性模量基本不变。有限元分析表明,蚀坑刚形成时裂纹底部会发生应力集中,更易在此处断裂。断口分析显示,腐蚀会促进裂纹扩展,但不改变钢丝微观结构;随腐蚀时间增加,断口由韧窝转为脆性断裂。

Li等研究了腐蚀时间、应力水平、应力范围对钢丝失效模式、疲劳寿命和S-N曲线的影响。通过SEM扫描电镜扫描分析了不同腐蚀程度钢丝疲劳断裂和裂缝增长速率,揭示了腐蚀钢丝的裂纹萌生和扩展机制。图3展示了不同腐蚀程度下钢丝断裂形态。研究表明,钢丝疲劳寿命随腐蚀程度的增加而减少。这个腐蚀程度对钢丝疲劳寿命的影响是从敏感到不敏感。随着腐蚀程度的增加,晶体间距和裂纹增加速率也会增加,裂纹萌生比例和裂纹扩展区从缆索直径的45%减少到直径的28%。腐蚀深度越大、表面越锐利,越容易成为疲劳裂纹源。

图3 不同腐蚀程度下钢丝断裂形态图试件

(F20-d90-ε2000-1/2/3/4中F20代表第20个疲劳试件,d90代表腐蚀龄期为90天,ε2000表示应变水平为2000 με,1/2/3/4代表4个不同的应力范围)

Xu等基于腐蚀寿命逆等阶假设,考虑斜拉索的腐蚀及其变化,建立了平行钢丝斜拉索中钢丝连续失效过程的等效循环次数递推公式。通过分别对钢丝的腐蚀程度和疲劳寿命进行两次阶次统计,估算了斜拉索疲劳寿命累积分布函数(CDF)的界限,但没考虑未断丝的荷载重分布。基于Bai的腐蚀程度从0.18%到18.67%的腐蚀钢丝的腐蚀应力寿命模型,通过蒙特卡罗模拟获得了腐蚀及其变化对斜拉索疲劳寿命的影响。结果显示,斜拉索的疲劳寿命受腐蚀程度较大的钢丝影响,一旦考虑了腐蚀及其变异性,斜拉索应在5%的钢丝断裂时视为失效。此外,随着腐蚀程度和及其变异性的增加,斜拉索的疲劳寿命会急剧下降,而钢丝和斜拉索的疲劳寿命的变异性也会增加。

Yan等基于钢丝实验数据,确立了钢丝的均匀腐蚀深度的均值和标准偏差之间的关系,获得了拉索中钢丝的质量损失率的分布。随后基于Miner线性累积损伤准则和平行系统理论去计算考虑钢丝腐蚀变化的疲劳寿命。

Yu研究了腐蚀和活载共同作用下钢丝耐久性。通过钢丝断面形态和不同样本腐蚀特征去分析钢丝的每种类型的失效模式。研究发现,在低应力幅下,钢丝的疲劳寿命主要受环境的影响。但随着应力幅的增加,疲劳寿命由应力幅决定。钢丝断裂形态分为单源断裂和多源断裂(图4)。腐蚀程度低的钢丝裂纹起源于单个疲劳源,随着疲劳程度增加,腐蚀坑的深度增加,裂纹从不同的疲劳源扩展。随着钢丝严重腐蚀,扩展区减少,断裂区域增加。

图4 钢丝断裂形态
Xue等提出了弯曲特征长度的概念和空间纤维束模型分析平行钢丝的腐蚀疲劳。计算不同位置钢丝的腐蚀程度,并与重庆石门大桥进行对比验证了计算的正确性。实际桥梁结构中,平行钢丝索会经历多轴腐蚀疲劳破坏,沿平行钢丝索的不同位置会出现不同程度的腐蚀和应力。在实验加载过程中,偏心荷载影响的差异以及同层线材腐蚀的变化可能会导致实验中线材断裂的顺序与理论计算不同。
Zhang等研究了来自系杆拱桥不同位置的钢丝的腐蚀特征,提出了考虑电化学腐蚀过程的时变特性的腐蚀电流密度演变曲线。分析了考虑环境腐蚀,加载和腐蚀特征影响的拉索的腐蚀疲劳。研究结果显示,钢丝的接触方式不同,钢丝锚定区域的腐蚀分布比钢丝中间区域的腐蚀分布的更加均匀。盐雾腐蚀后的钢丝的腐蚀特性与锚固区域的钢丝腐蚀特征接近。考虑钢丝环境,加载和接触方式的影响的腐蚀疲劳模拟展示了钢丝的失效模式受加载影响很大,缆索和钢丝的寿命对环境腐蚀很敏感(图5);由于接触方式的不同,缆索的中间区域的寿命比锚定区域的寿命短30%。

图5 缆索寿命的PDF曲线:GroupⅠ缆索中部区域;GroupⅡ缆索锚固区域(Load Ⅰ小于Load Ⅱ)
Ma等提出一种基于Bayesian gaussian process的桥吊索腐蚀疲劳损伤评估框架。通过不同应力比下的腐蚀疲劳裂纹扩展试验获得疲劳寿命预测模型中的先验统计参数。基于疲劳裂纹扩展模型,应力集中因子和观察到的疲劳裂纹长度信息建立Bayesian network,通过Markov Chain Monte Carlo模拟获得Bayesian network中参数的后验分布。研究表明,该方法可以简化受腐蚀坑影响下应力集中系数的复杂建模过程,并能够有效更新模型参数,准确预测桥吊索的腐蚀疲劳裂纹。
Xue等通过实验和理论的研究阐述在腐蚀疲劳影响下高强钢丝的失效机理。提出Multi-Stage Competitive Assisting Theory,解释了腐蚀疲劳耦合影响,并通过实验数据验证了该理论的准确性。
Feng等采用了有限元方法分析研究腐蚀形貌对被腐蚀的Q235B和42GrMo钢疲劳寿命的影响,并且提出了疲劳寿命预测模型确定腐蚀钢材的疲劳寿命和暴露时间之间关系。结果表明,平均横截面积和厚度对Q235B和42CrMo钢的疲劳性能有显着影响,提出的预测模型可以准确预测被腐蚀的Q235B和42GrMo钢的疲劳寿命。
Guo等提出了一种基于预测机器学习的模型,探讨腐蚀程度、应力范围、加载比和加载频率等因素对腐蚀高强钢丝疲劳寿命的影响。基于包含323个腐蚀疲劳试验样本的数据库,利用自适应增强算法进行训练模型。采用网格搜索方法的交叉验证加速超参数的优化。提出模型的泛化能力优于两种常用的机器学习算法。通过对输入特征的权重分析,证明该模型的物理意义合理。应力范围、腐蚀速率和加载应力比是决定腐蚀高强度钢丝疲劳性能的主要因素。
Yu等为了评估腐蚀钢丝荷载承载力,预测剩余疲劳寿命和分析其失效模式,进行了相应的钢丝试验。对腐蚀导致的钢丝进行了力学评估,使用3D扫描技术分析了腐蚀属性和断裂表面形态。利用可靠性理论建立了模型估算不同腐蚀程度下钢丝的承载能力。通过疲劳测试探索其性能,并开发了一种预测剩余寿命的模型。研究结果表明,承载能力的可靠性系数逐渐下降,腐蚀钢丝的断裂形貌被分类为典型和多源裂纹,多源裂纹包括同一平面裂纹扩展子类型和阶梯状断裂型(图6)。所有类型的钢丝都表现出超过5.6 MPa·m1/2的裂纹阈值,随着腐蚀严重程度的增加,断裂强度逐渐下降。

图6 钢丝裂纹失效模式

叶华文等基于断裂力学所提的理论方法和疲劳S-N曲线,为腐蚀钢丝的疲劳强度和寿命评估提供参考。采用蚀坑最大深度表征钢丝腐蚀程度,以应力强度因子幅作为裂纹扩展驱动力指标,基于断裂力学的Paris公式建立受拉钢丝裂纹扩展理论模型,进而推导了腐蚀钢丝的疲劳S-N曲线。大量既有的腐蚀钢丝疲劳试验结果与理论预测值的比较验证了所提理论模型及疲劳S-N曲线的合理性和有效性。含多个蚀坑的钢丝裂纹扩展有限元模拟表明,等效单裂纹适用于多腐蚀坑钢丝疲劳寿命的简化分析。参数分析表明,蚀坑深度和腐蚀环境是腐蚀钢丝疲劳强度的关键影响因素,而应力比和疲劳加载频率影响较小。所提出的S-N曲线适用于评估钢丝常规服役条件下的剩余寿命,可得到合理预测结果。
王晓明等为研究点蚀效应对超高强钢丝疲劳性能的影响。采用能反映腐蚀电化学机理的元胞自动机模型模拟点蚀复杂形成过程,并基于盐雾试验标定演化参数,获得了超高强钢丝的表面点蚀坑模型;在ABAQUS中开发了基于连续损伤力学的UMAT子程序,实现了腐蚀钢丝的疲劳损伤演化与寿命预测,揭示了腐蚀程度、蚀坑形状参数对超高强钢丝的损伤演化规律和疲劳寿命的影响。结果表明,元胞自动机方法能够准确模拟钢丝点蚀过程,生成的模型很好地展现了真实的蚀坑形态和特征;在蚀坑处最早出现损伤,前中期损伤速率较慢,后期发展迅速;随着疲劳荷载的加载,蚀坑处应力重分布现象发生,蚀坑底部的应力逐渐降低,周边应力反而增加。在元胞自动机中以质量损失率表征钢丝腐蚀程度,当钢丝的质量损失率从0.1%增加到0.25%时,其疲劳寿命降低约36.8%;点蚀坑的深宽比越大,形状越尖锐,钢丝越容易发生疲劳破坏。

刘佳伟等为了评估在役满20年后拱桥吊杆钢丝的剩余疲劳寿命,基于某服役满20年拱桥更换下来的吊杆,以吊杆内部高强度钢丝为研究对象,对钢丝进行不同时间的加速腐蚀,获得不同腐蚀程度的钢丝试件。对试件钢丝进行表观检测、称重、疲劳实验和断口形貌分析,得到了不同腐蚀程度下钢丝的表面粗糙度、质量损失率、断裂机理和疲劳寿命。通过Weibull模型对疲劳寿命数据分析,得到了不同失效概率下吊杆钢丝的剩余疲劳寿命公式。研究结果表明,随着腐蚀程度的增加,吊杆钢丝表面粗糙度和质量损失率的数值不断增加,疲劳寿命降低且疲劳断口均为脆性破坏。打磨后的钢丝疲劳寿命有所提升;相同失效概率下,吊杆钢丝剩余疲劳寿命将随着应力比的增加或腐蚀程度的增加而减少。通过实验得到了在役满20年后拱桥吊杆钢丝的Pf-S-N曲线,为吊杆钢丝的服役状态和疲劳寿命预测提供了参考。

2.3

 钢桥连接腐蚀/腐蚀疲劳损伤

Zeng等研究提出了一种基于线弹性断裂力学的方法,用于预测考虑腐蚀影响的钢桥箱梁焊缝疲劳裂纹扩展寿命。该研究通过建立多尺度有限元模型,模拟裂纹扩展过程,分析箱梁横撑焊缝处的应力强度因子,并探讨了腐蚀环境、横撑间距、横撑厚度和箱顶板厚度等因素的影响。研究发现,随着横撑厚度从8 mm增加到14 mm,应力强度因子显著降低;但当厚度超过14 mm后,降低速率减缓。此外,箱顶板厚度的变化对应力强度因子影响较小。在潮湿高温环境下,腐蚀因子最高,约为29.88,比城市酸雨环境高近3个数量级。腐蚀会显著降低疲劳裂纹扩展寿命,约为无腐蚀情况的70.4%。
肖林等针对腐蚀环境中服役的钢-混组合桥梁,设计了一系列栓钉试件,分别进行了静力试验、疲劳试验和腐蚀-疲劳耦合试验,以探究栓钉在腐蚀和疲劳作用下的失效机理及力学性能退化规律。研究发现,腐蚀作用会显著降低了栓钉的抗剪刚度,并且腐蚀-疲劳耦合试件的变形大于腐蚀后疲劳试件(图7)。在腐蚀-疲劳耦合作用下,栓钉的疲劳寿命明显低于单纯腐蚀后的疲劳寿命。影响栓钉损伤发展速率的主要因素包括荷载比、腐蚀速率及腐蚀-疲劳耦合作用,其中腐蚀-疲劳耦合作用下栓钉的抗剪刚度退化速度大于单纯疲劳作用下。抗剪刚度退化包括快速退化和缓慢退化两个阶段,前一阶段约占栓钉腐蚀疲劳寿命的20%。
 
a)腐蚀后疲劳试件

(b)腐蚀-疲劳耦合试件
图7 破坏后的栓钉变形形态

Jiang等研究了腐蚀对钢塔角焊缝的疲劳寿命的影响,并提出了一种基于断裂力学方法的非承载角焊缝疲劳寿命预测方法。研究考虑了初始裂纹处的点蚀、初始裂纹附近的点蚀和腐蚀疲劳裂纹扩展三种腐蚀效应,并定义了不同腐蚀环境下的轻度、中度和重度三种腐蚀等级。结果表明,当点蚀发生在角焊缝初始裂纹处时,疲劳寿命会随着腐蚀深度增加而降低。在中等和严重腐蚀水平下,疲劳性能不满足Eurocode 3(图8);当点蚀发生在初始裂缝附近时,由于点蚀降低了焊趾附近裂缝前端的拉应力,角焊缝的疲劳性能会有所提升。

 图8 疲劳寿命图
Wang等研究不同腐蚀程度的栓钉的组合梁在疲劳状态下的残余弯曲能力。基于疲劳残余强度理论和腐蚀剥蚀效应,得出了混凝土、钢梁和栓钉的损伤程度和残余强度,并建立了计算组合梁的残余抗弯承载力的模型。研究发现,栓钉腐蚀和梁疲劳共同作用显著组影响了组合梁的整体性能。当栓钉腐蚀率为9.1%的试验梁经过一百万次疲劳加载循环后,残余弯曲能力下降了15%。在一百万次疲劳荷载后,对组合梁进行单调荷载加载,由于锈蚀产物降低了混凝土的耐久性,随栓钉锈蚀率增大,破坏模式从栓钉剪切破坏变为跨中混凝土破坏(图9)。

(a) CFCB-1  (b) CFCB-2   (c) CFCB-3

图9 栓钉被腐蚀的实验梁的破坏模式
Shojai等研究了腐蚀对焊接构件疲劳强度的影响,包括海上支撑结构中的焊接构件。采用材料硬度和残余应力来量化腐蚀对材料的影响和焊接工艺的影响。研究发现,腐蚀对焊缝的几何形状有很大的影响。而且焊接试样的疲劳强度不仅取决于几何形状及其受腐蚀影响的退化程度,还更大程度上取决于腐蚀后残余应力。通过喷砂处理施加的残余压缩应力在一定程度上被腐蚀所解除。疲劳试验表明,经过清理喷砂后疲劳强度增加,然后由于腐蚀而减小。例如,角焊缝疲劳强度通过清理喷砂从焊接时的74 N/mm2增加到了158 N/mm2,但是由于腐蚀,疲劳强度减少到了98 N/mm2

Kuang等研究了腐蚀栓钉的疲劳性能,并根据疲劳裂纹扩展理论和腐蚀栓钉疲劳失效机理,提出了腐蚀栓钉疲劳寿命预测模型。研究发现,随着栓钉腐蚀率的增加,疲劳寿命迅速降低。当栓钉的腐蚀率从5%增加到50%时,栓钉的疲劳寿命分别从20%下降到90%(图10)。

图10 腐蚀速率对栓钉疲劳寿命的影响
Li等在模拟海洋环境中研究了Q690qE高强桥梁钢焊接接头的局部电化学和腐蚀疲劳开裂行为。发现在污染的海洋大气下,焊接接头容易发生疲劳失效,其腐蚀疲劳寿命远低于母材。微电流腐蚀是由各分区间电位变化引起的。粗晶粒和焊缝金属之间的微电流腐蚀效应在焊接接头的腐蚀疲劳失效中起主导作用,导致最终断裂大多发生在粗晶粒处。

Guo等研究了轴向受力的高强度螺栓在腐蚀后的疲劳性能,对螺栓进行长达300天的中性盐雾试验,以模拟长期腐蚀。基于螺栓的宏观形态和微观形态,揭示了螺栓螺纹及锈蚀成分的演化规律,并建立了腐蚀时间对腐蚀坑的期望和方差影响的量化公式,获得了螺栓剪坏和断裂的失效模式。此外,失效模式转变时的临界腐蚀时间为150天,平均质量损失率为7.12%。如果腐蚀时间短于临界时间时,螺栓断裂变得更加明显;否则,螺栓螺纹剪切会变得更明显(图11)。分别针对螺栓断裂和螺栓螺纹剪切失效模式建立了疲劳寿命和腐蚀周期之间的指数和线性关系。同时,在中性盐性喷雾环境下的S-N曲线被提出,为腐蚀螺栓的疲劳寿命预测奠定了基础。

图11 高强度螺栓疲劳寿命与腐蚀时间的关系

匡亚川等采用恒定电流方法加速锈蚀试件中的栓钉,通过推出试件的恒福疲劳试验,研究分析了不同锈蚀程度下栓钉的疲劳寿命以及混凝土与钢梁界面的滑移性能。试验结果表明,在疲劳荷载作用下,所有推出试件的破坏模式均为栓钉剪切破坏,栓钉的疲劳断裂面可分成疲劳裂纹扩展区和静力破坏区两个特征明显不同的区域,其中疲劳裂纹扩展区形状类似月牙形。锈蚀会减少栓钉的截面积,当疲劳荷载幅值相同时会增大栓钉承受的剪应力幅值,此外,锈坑处的应力集中效应会加快疲劳裂纹的扩展速率,从而显著影响栓钉的疲劳寿命。栓钉的疲劳寿命随着锈蚀率的增大近似按指数规律衰减,当锈蚀率达到13%左右时,疲劳寿命减少了80%以上。混凝土与钢梁界面的塑性滑移曲线形式与栓钉的锈蚀程度直接相关,锈蚀率较小时,塑性滑移曲线可分成线性缓慢增长和指数快速增长两个阶段,而锈蚀率较大时,塑性滑移曲线呈单一的指数形式。锈蚀不仅会降低栓钉的抗剪刚度,还会加快抗剪刚度的退化速度。
杨俊芬为研究腐蚀对环槽铆钉剪切疲劳性能的影响,对5.8级LMY8环槽铆钉与同规格普通螺栓进行剪切疲劳试验、90天盐雾腐蚀处理后的剪切疲劳试验,并对腐蚀处理后的环槽铆钉进行表面形貌分析、能量色散X射线光谱分析和断口形貌分析。结果表明,由于套环和铆钉杆之间的过盈配合,使得环槽铆钉具有较好的抗腐蚀性能,腐蚀处理后环槽铆钉的疲劳寿命仅下降6.57%,相比经过腐蚀处理的螺栓疲劳寿命下降了74.47%。腐蚀处理后的环槽铆钉的光杆段腐蚀程度较轻,但光杆段表面出现较多腐蚀坑,这将影响环槽铆钉的力学性能;腐蚀处理后环槽铆钉的疲劳断口在疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区均发生变化,主要原因是铆钉杆的腐蚀坑使得疲劳过程表现出更明显的脆性,因此未作腐蚀处理的环槽铆钉可以观察到剪切唇,而经腐蚀处理的环槽铆钉断口较平整(图12)。

图12 环槽铆钉破坏形态

芦燕等对G20Mn5QT/Q355异种钢对接焊接接头在模拟海水环境下的腐蚀疲劳性能进行了研究,开展了其在NaCl溶液中腐蚀疲劳试验(图13),并对腐蚀疲劳断口进行了扫描电子显微镜试验,分析了其腐蚀疲劳失效机理。研究揭示了在较大应力水平(>220 MPa)下,母材缺陷及焊接缺陷是导致裂纹成核的主要原因;而在较小应力水平(≤220 MPa)下,表面蚀坑是导致裂纹成核的主要原因。对腐蚀疲劳试验数据分别采用Stromeyer公式与基于三参数威布尔分布模型建立了对接焊接接头的腐蚀疲劳寿命预测方法,结果表明采用三参数威布尔分布的腐蚀疲劳S-N曲线拟合精度更高。

图13 焊接流程及腐蚀疲劳试样示意图

马燕等为了给解决耐候钢桥在应用和发展中所面临的腐蚀问题提供理论方法与对策,针对耐候钢在大气环境中的腐蚀损伤演化特性,通过编制MATLAB程序,建立了基于三维元胞自动机技术的耐候钢焊接节点大气腐蚀经时演化模型。该模型根据耐候钢在大气腐蚀过程中发生的化学反应,将大气腐蚀系统中的关键元素抽象成4种元胞类型,并离散成元胞网格。对母材和焊缝分别定义了不同的元胞邻居类型,模拟了耐候钢焊接节点代表性体元在介观尺度上的腐蚀演化过程,并通过大气暴露试验验证了所提出方法的可行性和有效性,揭示了耐候钢焊接节点腐蚀动力学及蚀坑演化规律,分析了溶解氧浓度和溶解概率对腐蚀损伤的影响。在此基础上提出了耐候钢大气腐蚀经时演化预测方法。

研究结果表明,所提出的耐候钢焊接节点经时演化模型稳定可靠,演化规律合理,当时间尺度和空间尺度分别设置为0.2年和100 μm时,模拟结果与大气暴露试验数据吻合良好;耐候钢焊接节点的腐蚀损伤主要由溶解概率和溶解氧浓度决定,平均腐蚀深度随溶解概率和溶解氧浓度的增加而增大。所提出的耐候钢大气腐蚀演化预测方法能够较为准确地再现研究对象的大气腐蚀过程,描述和识别研究对象在大气中的腐蚀动力学、腐蚀形态和蚀坑分布特征,可为耐候钢及其焊接节点在长期大气腐蚀过程中的腐蚀行为连续预测提供依据。

 


腐蚀检测与评估

 

3.1

 桥梁钢构件腐蚀监测技术

目前全球范围内桥梁“老龄化”问题凸显,受腐蚀损害严重,桥梁的服役性能劣化及桥梁倒塌等灾祸在全球范围内出现了逐年上升的趋势。因此,加大桥梁养护和检测势在必行。目前检测桥梁腐蚀状况的检测技术主要是基于计算机视觉和机器学习的损伤识别方法和基于传感器检测技术的无损检测方法。

3.2

 基于计算机视觉和机器学习

的损伤识别方法

冯东明等为了实现悬索桥主缆的自动化、智能化检查,开展了基于无人机的主缆巡检路径规划和小样本数据下的主缆病害识别研究(图14)。首先,利用无人机倾斜摄影测量技术快速建立悬索桥的三维模型,提出主缆无人机自动巡检路径的规划方法;然后,采用Faster RCNN网络模型识别主缆图像中的表观病害;最后,采用基于图像融合的数据增强方法,提高小样本数据集下目标检测的准确率。在Faster RCNN网络模型训练过程中,随着训练轮次的增加,测试集中裂纹、锈蚀和划痕三类病害的平均精确率得到提升,并在第15个训练轮次后逐渐稳定,经过100个训练轮次后,测试集中所有类别的平均精确率为0.723。以小龙湾桥为研究对象,进行了主缆的现场检查试验。研究结果表明,基于悬索桥三维模型进行主缆无人机自动巡检路径规划具有实际可行性;基于Faster RCNN网络模型能较准确地识别主缆的裂纹、锈蚀和划痕病害;利用图像融合方法生成病害数据能有效克服数据样本少的问题,并提高识别的准确性。

图14 基于图像融合的主缆病害数据生成
吴乐谋等针对钢结构桥梁实桥腐蚀图像往往由于光照条件较差或光照不均匀导致腐蚀区域检测困难的问题,提出了一种融合自适应光照预处理方法和深度学习的钢桥腐蚀检测方法。首先,采用Global and Local Fusion(GLF)对比度增强算法结合KinD++低光增强模型的方法,对图像进行预处理;其次,采用粗标注结合K-means算法标注腐蚀区域得到分割标签;最后,采用原始图像和预处理后图像分别对UNet++网络进行了训练和测试。

图15表明,所提出的自适应光照预处理方法有效改善了实桥腐蚀图像的光照不均和低光照问题,修复和增强了细节和纹理特征信息,颜色保真度较高;所提出的数据标注方法能够精准标注腐蚀区域,减少边缘描绘工作;与原始图像相比,该方法预处理后的图像训练的模型在准确率、精确率、召回率、F1-score、交并比IoU和AUC上分别提高了5.2%、2.7%、22.5%、19.4%、25.4%和10.5%;对于光照良好的均匀腐蚀图像,预处理对分割精度提高有限,对于点蚀图像,分割精度有较大的提高,对于低光照或光照均匀性较差的图像,分割精度得到了大幅提高。

图15 部分图像测试结果

Gao等采用了基于视觉图像特征的准确检测方法。无人机技术用于收集钢桥的腐蚀图像。考虑到图像的复杂性,利用深度神经网络对图像进行卷积运算。根据锈迹图像的明显特征构建了一个深度神经网络模型。监督学习的深度神经网络与无监督学习的稀疏自编码相结合,通过无监督学习的稀疏自编码对深度神经网络进行自编码来减少重构偏差。在此基础上,实现了对锈蚀状态的准确检测。

彭卫兵等提出了一种基于深度学习的钢桥病害检智能识别方法。利用无人机在图像采集方面的优势,采集大量高清病害图像,经图像增强、标注后建立钢桥病害图像库,用于模型的训练和测试;引入掩膜区域卷积神经网络构建钢桥病害识别模型,实现钢桥病害的自动识别;并通过更换骨干网络的方式进一步提升模型性能。图16和17表明,将骨干网络由传统的ResNet101替换为VoVNet后模型性能显著提升,交并比阈值为0.5与0.5∶0.95时,优化后模型的识别平均精确率分别为0.84与0.59;相同交并比阈值下较之优化前有约10%的提升。将改进的模型应用于上莘桥表观病害检测,其对涂层锈蚀、螺栓锈蚀与螺栓脱落的识别准确率分别达到了89.3%、85.7%、73.1%。

图16 病害识别结果

图17 组合病害识别结

3.3

 基于传感器检测技术的

无损检测方法

吴彬林等应用MsS超声导波检测系统在桥梁缆索检测中。而MsS超声导波检测技术作为一种可以快速发现构件内部存在截面损失的磁致伸缩超声导波检测方法,可实现大面积快速扫查,一次可以检测上百米的距离;检测灵敏度高,最高检测灵敏度能够达到截面积损失率的1%,可靠检测灵敏度能够达到截面积损失率的5%,当进行在线腐蚀检测与长期状态监测时,灵敏度能够达到截面积损失率的0.6%。

 

 

 

 

 耐腐蚀材料

 

对钢材本身进行防腐处理是提高桥梁耐久性和安全性的有效手段。耐候钢,作为一类特殊钢材,通过在低碳钢中融入铜、镍等金属元素,能够在其表面生成一层致密且附着力强的保护膜。这层保护膜的作用是阻止锈蚀向钢材内部的扩散,从而保护基体免受腐蚀,显著降低腐蚀速率。

陈继林采用腐蚀失重法、宏观形貌观察、扫描扫描电子显微镜、X射线衍射及电化学测试,对耐候冷镦钢在模拟海洋大气环境中的腐蚀行为进行了研究。图18显示,在模拟海洋大气腐蚀环境下,耐候钢表面锈层随腐蚀时间由浅黄色依次向棕黄色、红棕色转变;锈层截面形貌从薄而疏松、不连续演变为厚而致密、均匀分布;锈层微观形貌显示,表面锈层存在相对平滑、不规则圆形花状结构、闭环的环形巢结构、毛绒状结构等4个演变状态,但致密的毛绒状结构锈层对基体的保护能力明显提高;腐蚀产物主要由Fe3O4、γ-FeOOH、α-FeOOH组成,腐蚀初期主要是致密的Fe3O4,腐蚀中期开始形成γ-FeOOH,腐蚀后期γ-FeOOH逐渐溶解并还原形成稳定的α-FeOOH,对基体提供良好的保护作用;电化学分析显示,腐蚀24~72 h,耐候钢的阴极电流密度呈线性增大,且趋于稳定。耐候钢的腐蚀深度损失与腐蚀时间呈幂函数关系;受腐蚀过程不同腐蚀产物的影响,腐蚀速率呈现先增长后下降的变化规律。

图18 耐候钢锈层转变示意图

张宇等考虑免涂装耐候钢桥面临着腐蚀环境的巨大挑战,基于ISO规范对环境腐蚀的分类,回顾和讨论金属材料和耐候钢腐蚀评价方法。依据我国《桥梁用结构钢》和《耐候结构钢》的规定,采用指数线性模型得到《桥梁用结构钢》规定耐候钢腐蚀上限模型。对比结果表明,我国耐候钢具有较好的抗腐蚀性能,并且在各环境腐蚀等级中,抗腐蚀性能与欧洲耐候钢基本相当。通过耐候钢腐蚀试验数据验证了腐蚀模型的准确性,表明基于耐候钢腐蚀上限模型可作为免涂装耐候钢桥梁的设计依据。结合《铁路桥梁钢结构设计规范》与《公路钢结构桥梁设计规范》,提出基于腐蚀量模型的免涂装耐候钢桥梁强度和稳定设计方法,为我国免涂装耐候钢桥梁设计提供理论依据。为简化设计,还提出容许腐蚀厚度设计方法用于超低,低和中度腐蚀环境,其中,超低和低腐蚀环境容许腐蚀厚度取500 μm,中度腐蚀环境容许腐蚀厚度取1000 μm。

朱桂琴以Q500Qenh钢为基材,利用二氧化碳气体保护焊方法,制作了两种含不同耐候元素的焊接接头试样(图19)。利用干湿交替加速腐蚀试验考察了两种试样的耐蚀性及其元素富集情况。结果表明,相比于2号焊接接头试样,耐候元素含量较多的1号焊接接头试样经腐蚀后,锈层更加致密、稳定,且耐候元素出现明显富集,腐蚀率与腐蚀深度均较低。

图19 试样详述和经过110 h干湿循环腐蚀试验后的表面宏观形貌

李伟伟等采用中性盐雾加速腐蚀试验,使试件处于较高浓度的氯离子环境中,模拟钢材在海洋大气环境中的长期腐蚀行为,对Q355NH,Q355钢的腐蚀形貌,以及腐蚀后的力学性能进行了研究分析。得出了Q355NH钢和Q355钢的均匀腐蚀厚度、蚀坑深度与质量损失率的幂函数定量关系。相比Q355钢,Q355NH钢在腐蚀早期的腐蚀速率更大,但在长期腐蚀作用下,Q355NH钢的耐腐蚀性更好。

林鹏飞以硫酸铬作为促进剂,聚乙烯醇缩丁醛酯作为成膜剂,制备了一种耐候钢表面锈层稳定剂。通过周期浸润腐蚀试验和电化学测试,研究了该稳定剂对耐候钢表面锈层结构、成分和耐蚀性的影响。图20表明,锈层稳定剂能够避免锈液流挂现象,降低耐候钢的腐蚀速率,促使Cr元素在内锈层与基体结合处发生聚集,细化锈层晶粒,增大了锈层电阻,提高了耐候钢的耐蚀性。

图20 裸钢试样和涂层试样经周期侵润腐蚀不同时间后的宏观形貌
王季文等采用主要成分为NaHSO3、FeSO4、CuSO4、NiSO4和Na2HPO4的稳定化处理剂对Q420NH钢表面进行稳定化处理,通过干/湿交替循环腐蚀实验,并借助扫描扫描电子显微镜、能量分散光谱和X射线衍射等分析测试手段,对比研究了Q420NH钢稳定化处理与未稳定化处理后表面锈层的显微结构及形成机理。图21表明,在64周期的腐蚀实验中,稳定化处理试样的瞬时腐蚀速率高于未稳定化处理试样;稳定化处理试样锈层主要成分为α-FeOOH、γ-FeOOH、β-FeOOH和Fe3O4/γ-Fe2O3,在64周期时,稳定化处理试样锈层中α-FeOOH的含量为28%,较未处理试样增加了50%;稳定化处理的耐候钢试样锈层中,Cr、Ni元素在锈层与基体结合处及锈层内部均有明显富集,锈层的自腐蚀电位由未处理试样的-0.619 V提高到稳定化处理后的-0.530 V,锈层电阻由172 Ω·cm2提高到365 Ω·cm2。因此,稳定化处理对促进耐候钢表面保护性锈层的形成具有显著的效果。

图21 未稳定化处理和稳定化处理的Q420NH钢的锈层截面元素分布图

 

 

 

 

 防腐技术

 

桥梁中钢结构的防腐技术涉及多个层面,包括使用专门的防腐涂料来隔绝腐蚀介质、采用阴极保护等电化学方法来减缓腐蚀、依据环境特点设计合理的涂层体系、进行严格的表面处理以增强涂层附着力、执行定期的检查和必要的维护工作、控制腐蚀环境的温湿度、应用耐候钢以提高耐大气腐蚀性能、遵循防腐涂装养护技术指南和标准,以及在设计和施工阶段就综合考虑防腐措施。这些技术的综合应用有助于延长桥梁钢结构的使用寿命,确保桥梁的安全性和耐久性。

任玉苓等采用平板、切口、划线、杯突、折弯等不同制样方式,对不同种类锌铝镁镀层彩涂钢板在连续盐雾试验中的涂层起泡等级、切口和划线扩蚀宽度、不同试样部位的红锈出现时间等进行检测,获得了不同锌铝镁镀层种类、不同镀层质量、不同涂层种类、不同加工方式彩涂钢板的耐盐雾性能。同时与锌铝镁镀层盐雾试验数据进行对比,找到了涂镀层钢板耐盐雾性能的规律,为评估不同镀层彩涂产品耐蚀性能奠定基础。

张泽灵等采用基于硫氰酸铵溶液的试验和电化学方法,研究了强度等级和表面质量对热镀钢丝应力腐蚀敏感性的影响,并分析了应力腐蚀断口形貌。图22表明,1860 MPa级和2060 MPa级桥梁缆索用热镀钢丝的应力腐蚀断裂时间相当,但2060 MPa级钢丝的应力腐蚀时间更加离散;钢丝表面越粗糙,应力腐蚀敏感性越强;2060 MPa级钢丝表面采用800目砂纸打磨后,应力腐蚀断裂时间明显缩短。应力腐蚀断口形貌分为裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区,裂纹主要起源于表面。

图22 桥梁缆索用热镀钢丝的应力腐蚀开裂断口形貌

卢道胜等使用3种钝化工艺对9Cr1Mo钢进行表面钝化处理,通过电化学测试、FeCl3腐蚀试验、盐雾腐蚀试验、高温高压腐蚀试验测试3钝化工艺对9Cr1Mo合金耐腐蚀性能的提升。结果表明,通过钝化处理,在9Cr1Mo钢表面形成保护性好的钝化膜,可有效降低钢基体的腐蚀速率使得耐电化学腐蚀性能和耐盐雾腐蚀性能显著提升。在高温高压腐蚀试验中未钝化和钝化后的9Cr1Mo钢的腐蚀过程由CO2和H2S腐蚀共同控制,钝化处理有利于钢基体发生更为均匀的腐蚀,对9Cr1Mo钢表面腐蚀膜的形成过程产生一定影响,但不会改变其腐蚀机理。

徐攀等采用电镀锌和热镀锌铝对Ф4.3 mm SWRS82B钢丝进行表面处理,对电镀锌和热镀锌铝钢丝在0.1 mol/L HCl溶液中进行耐腐蚀性能研究,对腐蚀后的形貌进行观察并分析腐蚀机理。结果表明,电镀锌后钢丝表面粗糙度Ra=1.024 μm,热镀锌铝后钢丝表面粗糙度Ra=0.637 μm,热镀锌铝试样表面粗糙度明显小于电镀锌试样;电镀锌的锌层厚度约为15 μm,扩散层为35 μm,热镀锌铝合金的镀锌层约为24 μm,扩散层为50 μm,热镀锌铝试样的耐腐蚀性能明显优于电镀锌试样。

王海洋等为提高大桥主缆防腐效果,开发研制了S形精密热镀锌钢丝。选用可加工性强的低碳钢盘条,对酸洗、开坯、连续冷轧、热镀、精整等工序进行优化,完成产品尺寸精度和表面质量的控制(图23)。试验结果满足预期的性能指标要求:S形热镀锌钢丝抗拉强度650~700 Mpa,扭转20次以上,弯曲8~12次,锌层面质量300~330 g/m2,缠绕试验8圈不断,钢丝表面锌镀层平整光滑,缠丝应用良好。

图23 S形钢丝轧制工艺示意图
何晓宇等基于桥梁全寿命周期考虑,通过对包覆防腐、涂层防腐、密封胶与涂层联合防腐等常用防腐技术的防腐材料、施工工艺和防腐时效等进行了综合经济对比分析,得出氧化聚合型包覆防腐蚀技术具备防腐蚀材料先进性、施工质量可控性等优点,是桥梁钢构件连接螺栓的最优腐蚀防护方案(图24和25)。

图24 温州东欧大桥吊杆防水套包覆防腐方案效果

图25 舟山官山大桥吊杆防水套包覆防腐方案效果

叶剑平等研究了市区跨江桥梁钢结构,发现其具有性能良好的铝锌底涂层,但复合涂装中的中漆层和面漆层老化。经过分析研究、试验段验证,得出最佳的维修涂装方案,既保护原有铝锌底涂层,又恢复桥梁钢结构的防腐性能。
淦邦等研究了3种外防腐涂层体系的防腐蚀性和耐老化性,评估了其在沿海工业大气环境中用于钢结构防腐的可行性。结果表明,在沿海工业大气环境中,由含石墨烯的环氧富锌底漆、传统环氧中涂漆和聚氨酯面漆组成的配套体系在涂层破损和完好的情况下均能起到较好的防腐蚀作用。聚硅氧烷涂层具有更好的耐老化性能,在没有破损的情况下,表现出良好的防腐性能。
史魏等针对传统Zn-15Al钢结构合金防腐涂层在恶劣服役条件下耐腐蚀性能减弱,服役寿命降低的问题,提出一种新型Zn-50Al合金材料的制备,并对新型合金材料的耐蚀性能和机理进行分析(图26)。试验结果表明,新型Zn-50Al合金涂层颜色光亮,表面光滑平整,没有明显缺陷存在,孔隙率和结合强度分别为10%和5.8 MPa,可与钢结构基质紧密结合。经过70天长时间腐蚀后,虽然有腐蚀物出现,但仍旧具备一定的耐腐蚀能力。其耐腐蚀机理为,新型Zn-50Al合金涂层结构均匀,经过腐蚀后,得到结构致密的氢氧化铝,自腐蚀电流和折算系数均明显低于传统Zn-15Al合金涂层,具备较好的耐腐蚀性。


Zn-15Al

Zn-50Al

图26 盐雾腐蚀后宏观形貌
卢伟娜等为研究建筑钢结构用锌-铝合金涂层的耐蚀性,用铝粉与锌粉为主要材料,混合辅料,制备涂层浆液,用浸涂工艺在建筑钢结构上涂覆锌-铝合金浆料。以氯化钠溶液为腐蚀介质,测试铝粉质量分数分别为15%、25%、35%、45%时,该涂层的腐蚀微观、宏观形貌及质量损失;测试不同浓度氯化钠溶液与温度下涂层的耐蚀性(图27)。结果表明,铝粉质量分数为45%时制备的锌-铝合金涂层,微观形貌更致密,宏观腐蚀形貌未出现明显黄锈,且该铝粉用量下涂层腐蚀后质量损失最小。氯化钠溶液质量分数为10%且温度较高时,锌-铝合金涂层的耐蚀性最好。

 图27 不同铝含量的腐蚀微观形貌

姚迪等依托某海港LNG码头工程,从分析海水腐蚀环境出发,结合码头结构耐久性要求,介绍了钢管桩牺牲阳极阴极保护系统(图28)的设计过程、牺牲阳极材料及类型的选取、各参数的计算方法、施工工艺流程、焊接施工质量检验及系统保护效果检测。阐述了通过减小牺牲阳极与被保护钢结构之间的距离、适当增加小规格牺牲阳极重量的设计优化方式,达到满足设计年限要求、节省工程投资、方便安全施工的目的。

图28 海洋工程设施用牺牲阳极结构图
张一晗等开展新型干湿交替环境牺牲阳极电化学性能测试,评价材料的阴极保护效果。采用高温熔炼方法,制备Al-Zn-Sn-Ce低电位牺牲阳极试样,进行不同浸水率下(干湿态环境时间比为1:1、3:1和7:1)的干湿交替环境牺牲阳极电化学性能试验、电化学表征测试及腐蚀微观形貌表征(图29)。通过对比试验数据和材料形貌表征结果,综合分析铝合金牺牲阳极在干湿交替环境下的电化学性能,探究干湿交替环境因素对阳极溶解行为的影响。结果发现,Al-Zn-Sn-Ce牺牲阳极在多种试验环境下的工作电位为-0.70~-0.81 V(vs. SCE),符合高强钢阴极保护电位需求,阳极表面溶解形貌相对均匀,表面阴阳极电化学微区分布均匀。随着干湿态试验环境时间比的增加,阳极工作电位出现正移,干态环境下表面腐蚀产物的沉积和结壳导致阳极活化溶解能力下降,而干湿态环境时间比最大时,阳极自腐蚀反应得到一定的抑制,阳极电流效率均保持在75%以上。结论表明,随着干湿态试验环境时间比的增加,牺牲阳极在干湿交替试验环境中的工作电位出现正移。由于干态环境下表面腐蚀产物的沉积和结壳,导致阳极活化溶解能力下降,但自腐蚀反应得到抑制。Al-0.7Zn-0.1Sn-0.1Ce低电位牺牲阳极在复杂干湿交替环境中表现出良好的阴极保护性能。

图29 不同干湿态时间比下牺牲阳极的活化溶解形貌

 

 

 

 

结论与展望

 

随着桥梁钢结构在各种环境条件下的广泛应用,其面临的腐蚀问题日益突出,对桥梁的安全运营和耐久性构成了严重威胁。腐蚀环境显著影响桥梁钢结构的疲劳寿命,而腐蚀与疲劳的耦合作用会进一步加速结构损伤的进程。为了应对这些挑战,研究人员已经开展了多方面的研究工作,包括腐蚀疲劳损伤机理的深入分析、腐蚀监测技术的创新、以及耐候钢和其他耐腐蚀材料的开发与应用等。此外,智能监测技术的应用、基于数据驱动的维护策略的提出,以及综合防腐措施的实施,都表明了桥梁钢结构防腐技术正朝着更加智能化、系统化和环保化的方向发展。对2023年桥梁钢结构腐蚀进展总结与展望如下:

(1)研究发现腐蚀环境对钢桥的疲劳寿命和性能有显著影响,腐蚀疲劳耦合作用下,结构的损伤发展速率加快,疲劳寿命降低。研究者们通过建立模型、进行实验和理论分析,提出了不同的预测和评估方法,以提高钢桥的耐腐蚀性能和延长其使用寿命。未来的研究可进一步探索和完善腐蚀疲劳损伤的预测模型,以更准确地预测钢桥在不同环境和载荷条件下的使用寿命。此外考虑到实际应用中腐蚀环境的复杂性,未来的研究还应包括多因素耦合作用下的腐蚀疲劳行为,如温度、湿度、盐分等环境因素与多载荷的交互影响。

(2)桥梁的腐蚀监测技术主要是采用基于计算机视觉和机器学习的损伤识别方法,以及基于传感器的无损检测技术。利用无人机技术结合三维模型自动规划巡检路径,并通过深度学习模型来识别桥梁主缆的病害。此外,尤其是在光照条件不佳的情况下,可以通过自适应光照预处理结合深度学习的方法可以改善腐蚀区域检测的难题。结合无人机采集的高清图像和深度学习网络,能够有效地建立钢桥病害图像库,实现病害的自动识别。在无损检测方面,MsS超声导波检测系统能够快速检测桥梁缆索的内部损伤,具有较高的检测灵敏度和效率。在未来应该继续优化深度学习和机器学习算法,以提高病害识别的准确性;结合物联网(IoT)技术,实现桥梁状态的实时监测和数据收集,为桥梁管理和维护提供更准确的信息;在数据分析方面,开发更复杂的数据处理和模式识别算法,以便从大量监测数据中提取有用信息,预测桥梁的腐蚀趋势和潜在风险。

(3)耐候钢的研究集中在理解其腐蚀行为、锈层结构与性能、表面处理技术、焊接技术、腐蚀疲劳性能,以及在设计方法与规范、免涂装桥梁设计、全寿命周期评估、新材料开发和智能监测等方面的应用。未来应该给予更多关注在耐候钢性能提升和在复杂环境下耐候钢的开发。并进一步对钢材中添加金属元素含量的改良,逐步提高耐候钢的防腐性能指标。

(4)桥梁钢结构的主要防腐方法包括使用防腐涂料隔绝腐蚀介质、阴极保护等电化学方法减缓腐蚀、设计合理的涂层体系、进行表面处理以增强涂层附着力、执行定期检查和维护、控制腐蚀环境的温湿度、遵循防腐涂装养护技术指南和标准,以及在设计和施工阶段综合考虑防腐措施。在未来应该深入探索和开发先进的防腐材料与技术,以实现更高效和持久的腐蚀防护效果;其次,开发和优化新型环保防腐涂料和合金材料,以提高桥梁钢构件的耐久性;此外,研究应更多地考虑耐久性设计,通过标准化施工工艺和高质量的表面处理技术来增强涂层的附着力和防腐性能;最后,探索不同环境条件下的防腐技术,并开发适应这些环境的高性能防腐系统。

 

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