ayx爱游戏官网:日本桥梁学者的关注——耐候钢桥梁技术的研究动向

来源:爱游戏体育网页版登录 作者:ayx爱游戏体育平台 时间:2022-10-05 07:01:26

  桥梁耐候钢技术源于欧美,日本引进这一技术后发展较快,并针对应用过程中发现的问题开展了大量的研究工作。本文主要介绍日本在耐候钢桥梁方面的新技术,包括如何提高钢材的耐候性、耐候钢的开发方向、腐蚀环境评价新技术、修补补强技术的开发、剩余承载能力的评价等。

  日本于1955年左右开始从美国引进耐候钢技术,至今已60余年。虽然早在1969年日本就建成了第一座耐候钢桥,但在公路桥上线年开始,为建设省土木研究所、钢材俱乐部、日本桥梁建设协会的共同研究结果。1991年,日本编制了《无涂装耐候钢桥梁检查要领(草案)》;到2000年,日本已有7%的桥梁采用了耐候钢;2008年,日本有接近75%的耐候钢用于桥梁建设。

  然而,初期建设的耐候钢桥梁中,有一些桥梁的使用状态不佳,有的桥梁产生了异常腐蚀。与此同时,相关人员在使用中逐渐发现,耐候钢桥梁在使用若干年后,仍然会产生异常腐蚀。通过总结、研究有关耐候钢桥梁出现异常腐蚀病害后,日本学者认为,耐候钢桥梁也需要进行定期的检查和适当的维护管理。为提高耐候钢桥梁的耐久性,如何对腐蚀环境进行评价、发生腐蚀后剩余承载能力怎样、如何进行修补补强、如何提高钢材的耐候性等都有待进行深入的研究。

  在钢桥中,以降低生命周期成本为目标,耐候钢的利用也不断扩大。但是,到目前为止所使用的耐候钢,在高盐分含量环境条件下,不能发挥防腐性能作用。沿海地区或大量散布冻结防止剂地区,不能使用无涂装耐候钢。

  耐候钢的耐候性是由于钢材表面形成的锈蚀层发挥保护性作用。为此,从耐候钢开发的初期,锈蚀的构成或其构造的研究一直在持续进行。该研究主要利用断面偏光显微镜观察消光层的形成状况,据此来判断是否存在保护性锈蚀,包括X射线、红外线光谱、拉曼光谱、穆斯鲍尔效果等,各种分析方法都尝试过。1997年,日本腐蚀防腐协会、锈蚀科学研究会曾对耐候钢表面形成的保护性锈蚀进行过集中研究,得到以下见解:

  耐候钢表面生成锈蚀的种类由表1所示的成分组成。这些锈蚀的组成可以由锈蚀取样的X射线定量。保护锈蚀中,α-FeOOH和非晶质锈蚀的比例较高。鳞状锈蚀或层状剥离锈蚀中,α-FeOOH和非晶质锈蚀比例较低,在盐化物影响下,其特有的β-FeOOH或电传导性的Fe3O4的比例较高。到达可期待保护性的成熟锈蚀时,锈蚀层的组成随时间一起变化,其变化规律如图1所示。

  关于异常锈蚀,也可以从其构造弄清楚。在层状剥离锈蚀中,可分为漏水部位可看到的湿润型和海岸可看到的高盐分型。与鳞状锈蚀相比,前者主要是Fe3O4,后者主要是β-FeOOH。因此,应弄清保护性锈蚀和保护性锈蚀以外的锈蚀构成以及其生成机理,并据此提出耐腐蚀性改善方法,探明异常腐蚀原因和对策。

  为提高在高盐分环境下的耐候性,镍(Ni)系高耐候钢已达到了实用化程度。镍系高耐候钢以镍含量(1%~3%)为基本元素,还添加铜(Cu)、钼(Mo)、钛(Ti)等元素,表2为目前所用镍系高耐候钢的化学成分。

  图2所示是改变磷(P)、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)等添加量的钢材,在经过一年的盐水散布暴露试验条件下的腐蚀减少量测量结果。可知,随着镍添加量的减少,盐分环境影响增强。如果多添加铬(Cr),效果就较明显;如减少铬添加量,腐蚀量就会增大。根据这个研究成果,最早开发的可适应高盐分环境的耐候钢为A类钢。其次,根据镍与其他元素的组合效果,还开发了其他钢材。

  尽管各钢种的化学成分不完全相同,但都以镍作为主要成分。向钢材中增加镍的用量,可以改变内层锈蚀,促进钠离子(Na+)在内层锈蚀的浓化,使氯离子(Cl-)留在锈蚀外层(如图3)。

  耐候钢中含有的铬(Cr),在盐分含量相对少的环境中,具有形成保护性锈蚀的作用,可控制腐蚀发展;在盐分含量较高的环境下,促进腐蚀界面的低PH化,大气腐蚀被加速。

  这种钢材在开发之初,被称为有高耐盐分特点的海滨、海岸耐候钢。但是,对于海上、海岸线附近的极端盐分环境条件,不能抑制腐蚀的发展。海岸附近的耐候钢使用无涂装规格时要充分注意,即使是镍系高耐候钢,目前也没有实现在极端盐分环境条件下采用裸涂装耐候钢。

  到目前为止,以镍系高耐候钢为首的各种耐候钢,已经被应用于工程之中。为了实现经济性、耐久性,适当反映这些钢材特性的利用最适化是很重要的。为了实现这种想法,相关人员正在研发评价耐候钢耐候性能的统一方法。如式(1)所示的耐候性合金指标(υ值),它是根据耐候钢含有化学成分计算的指标,数值越大表示耐候性越高。

  图4表示钢材在海岸边进行的长期暴露试验结果。不难看出,随着υ值的提高,高盐分环境下的腐蚀损耗量逐渐减少。这也验证了该指标的妥当性。

  伴随着镍系高耐候钢的实用化,耐候钢的应用可能性也在增大。为了提高耐候性,有必要增量添加铜(Cu)、镍(Ni)等稀少合金元素,同时也要考虑价格的因素。因此,研究人员现在考虑的是,如何在不损坏耐盐分机能的前提下,提供价格更便宜的耐候钢,同时实现资源的有效利用及再循环。

  在日本实施的超钢铁研发计划中,相关人员分析计算了钢材表面形成锈蚀的组成,结果发现,添加铝(Al)、硅(Si)元素是较有效的。

  耐候钢桥的防腐性能不仅受钢材自身的耐候性影响,还很大程度受到其所在环境的影响。在研究腐蚀环境条件对耐候钢腐蚀损耗中,若能准确测定被暴露环境对耐候钢的影响,可较精确地评价防腐性能以及变化趋势。

  钢材表面附着盐分的多少,对发生异常腐蚀的影响很大。因此,相关人员已开始针对桥梁建设位置大环境、撒布冻结防止剂的局部环境、桥梁各不同部位微小环境等,对盐分分布进行仿真分析。例如,针对盐分颗粒在风作用下的移动状态,可以采用适当模型的数值流体解析手法进行数值仿真分析。

  在大环境分析中,可针对从海上飞来的海盐颗粒分布进行仿真分析。其中,海岸线到桥梁建设地点之间的地形为主要因素,风向、风速等作为参数。

  在局部环境分析中,可针对冻结防止剂的撒布和在桥梁的附着情况,进行仿真分析,考察盐分附着倾向的不同。

  在微小环境,由于风的作用,盐分被移动并附着在桥梁上。对这一问题进行仿真分析,再加上数值分析、风洞试验等,可以得出桥梁四周的盐分颗粒的运动模型(见图5)。

  仿真分析结果显示,在风作用下,桥梁内部存在盐分易附着部位和不易附着部位,由此可定量分析易腐蚀部位和不易腐蚀部位。

  在这一研究基础上,通过改善环境,可提高耐候钢桥的耐久性。例如,针对处于盐分环境严峻的铁路桥,可以把箱梁底部设计成船底形或圆弧形断面,充分利用雨水的洗净效果减少盐分附着。此外,采用这种技术,可定量评价由断面形状导致盐分的附着情况。在耐候钢桥中,梁之间的腐蚀环境最严峻。为防止盐分向梁内部流入、改善腐蚀环境,可以在梁之间设置防护板。

  影响耐候钢腐蚀的主要原因是盐分,此外,润湿时间(TOW)、风、温度等也是重要原因。到目前为止,由于受到监测手段的制约,主要把盐分含量作为环境评价指标。若能够把飞来盐分以外的因素也一并考虑,将会大幅度降低异常腐蚀的危险。

  为实现监测多种影响因素,相关人员开发了一种新型的监测腐蚀的传感器ACM(Atmospheric Corrosion Monitor),如图6所示。ACM传感器是由钢材和电池构成的金属物,以表面润湿作为监测对象,可监测环境因素引起的电器化学发生的金属腐蚀电流。图7所示为ACM传感器的腐蚀电流输出随时间变化的例子。

  利用ACM传感器,可以测量被监测部位的诸多腐蚀环境因子,特别是可以直接测量对钢材腐蚀发展影响较大的润湿时间。

  根据ACM传感器的测量结果,输入各种环境因素,便可推测耐候钢的腐蚀量。由于这种传感器的开发,根据在桥梁现场直接测量的环境因素特性数据,可以判断耐候钢是否适用,或判断异常腐蚀的原因,并采取相应对策。

  最近几年,基础设施的长寿命化已成为重要课题,相关的技术开发也在积极进行中。随着耐候钢桥数量的增加以及使用时间的增长,有必要确定适当的修补、补强技术。

  对耐候钢桥进行修补、补强时,预测异常锈蚀的发展状况、尽早采取有效措施,是很有必要的。然而,目前针对承载能力的评测还停留在外观目视检查。为了进行正确的判断,定量地把握锈蚀状态,然后结合外观目视进行综合判断是很有必要的。

  客观评价耐候钢锈蚀的技术包括:查锈蚀被膜表面缺陷的金属覆盖层孔隙率试验、利用点位测量判断腐蚀状态的电位法等定性方法;离子透过抵抗测定法等定量评价方法。

  离子透过抵抗测定法,是通过测定装置(Rust State Tester)测定微量电流在钢材表面形成的锈蚀或被膜流过时发生的离子移动抵抗值,评价锈蚀被环境隔断的能力。利用离子透过抵抗和电磁膜厚度仪量测的锈蚀厚度数据绘成图形如图8所示。图中根据不同部位,按锈蚀状态分类,分为I-1到I-5。

  根据离子透过抵抗值的大小,可以较详细地预测腐蚀未来的发展速率。由于本方法是适用于钢材表面被膜的方法,所以不仅适用于免涂装耐候钢,也适用于耐候钢有表面处理(涂装)的状态评定。

  作为维持发生异常锈蚀的耐候钢防腐性能的修补方法,采用修补涂装的例子较多,但成果较少。所以,确定耐候钢的修补涂装规格是当务之急。进行修补时,其耐久性受基底打磨的影响较大。为此,日本在《公路钢桥防腐便览》中明确要求,在修补涂装中须通过喷砂进行基底打磨,把Rc-I涂装体系作为标准,基底调整面的盐分附着量控制在50mg/m2以下。

  对耐候钢进行涂装时,基底打磨的重要性与普通钢完全相同,但是当耐候钢发生异常锈蚀时,绣迹可能会固定在钢板上,用喷砂或常用的电动工具很难除锈。并且,锈迹下面有盐分侵入,残留的盐分较多。因此,仅用喷砂除去盐分是比较困难的,所以要用喷砂和高压水反复冲洗,使其满足除锈要求。当桥梁部位或周边环境受到限制不能采用喷砂除锈时,可采用带金刚石不锈钢制电动回转基底打磨工具。这种工具不仅除锈效果好,还可以大幅度降低喷砂处理时的粉尘和噪音。

  由于异常腐蚀使耐候钢板厚显著减薄,进行承载力性能评价时,应根据需要采取增加垫板的办法,对断面进行补强或对杆件进行更换。但是,由于异常腐蚀发生在局部,其发生的位置、面积、深度各不相同,所以正确的评价承载能力不是一件简单的事。对耐候钢桥进行详细评价时,往往是进行FEM解析,或在不得已时做荷载试验。

  在这种状态下,只有尽可能地利用简易量测的指标,进行承载能力评价。例如,由于异常锈蚀导致腐蚀严重的桥,通常是就梁部详细调查由于腐蚀引起板厚减少量的分布、进行抗剪荷载试验。在这类研究中,可列出腹板腐蚀的几种形式(图案),盐分附着的倾向分为四类,如图9所示。以由于腐蚀容易发生损伤的钢板梁的梁端部为对象,以腹板腐蚀损耗量为模型参数,进行抗剪荷载试验和解析分析,将梁端部应该注意的腹板腐蚀形式如图10所示。

  此外,与之相关联的还有高强度螺栓的腐蚀。为了评价由于腐蚀引起的性能降低,可从螺栓头部腐蚀损伤形状及损伤量,推测螺栓剩余轴力。

  从1955年左右开始,日本从美国引进耐候钢技术,至今已60余年。在此期间,日本建设了为数不少的耐候钢桥,并在高性能桥梁用钢方面不断进行研究。我国在上世纪60年代开始研制含铜钢,80年代初正式试制和使用耐候钢,1984年制定了高耐候性结构钢及焊接结构用耐候钢标准,2008年重新进行了修订。在此期间,铁路桥梁率先尝试使用了耐候钢,并于1991年建成了京广铁路巡司河桥。目前,我国的公路、铁路桥梁中已有部分采用了耐候钢,还有一些桥梁正在准备采用耐候钢。如沈阳后丁香大桥、大连普湾十六号跨海大桥、拉林铁路雅鲁藏布江大桥等。此外,潍莱铁路和郑济铁路上也有一些桥梁采用了耐候钢。据悉,为配合川藏铁路建设,有关部门、单位正在开展川藏铁路桥梁耐候钢的研究与设计工作。预计在不久的将来,川藏铁路上将会建成多座耐候钢桥梁。



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