基于監(jiān)測的中小跨徑鋼箱梁箱內(nèi)涂層腐蝕可能性研究

朱志偉， 王 丹， 王文劍

(1.江蘇寧滬高速公路股份有限公司， 南京 210049； 2.中設設計集團股份有限公司， 南京 210014)

近年來，隨著我國公路交通建設的快速發(fā)展，中小跨徑鋼箱梁橋因方便施工、縮短工期、減小凈空限制等優(yōu)點在高速公路跨線橋、城市立交橋等建設中大量出現(xiàn)[1]。由于其箱梁內(nèi)一般未設檢修孔，長期處于相對密封狀態(tài)，普遍認為箱內(nèi)腐蝕可能性小[2]，當前橋梁防腐涂層的檢查主要針對箱外部，對鋼箱梁箱內(nèi)涂層腐蝕檢查極少。但實際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，箱內(nèi)存在積水及涂層腐蝕等現(xiàn)象，箱內(nèi)涂層腐蝕問題不容忽視。因此，本文依托實體工程對鋼箱梁箱內(nèi)關鍵環(huán)境參數(shù)[3-4]及涂層腐蝕情況進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果分析箱內(nèi)涂層腐蝕可能性，以期對管養(yǎng)單位在此類橋梁的養(yǎng)護工作方面提供參考。

1 研究方法

1.1 工程狀況

本文以上跨滬寧高速的某鋼箱梁橋為例，該橋跨徑組合為(16.83+2×30+19.38)m，于2004年建成通車，2016年、2017年通過新增檢修孔等方式多次對該橋鋼箱梁內(nèi)部進行了檢查，發(fā)現(xiàn)箱內(nèi)存在大量積水，涂層劣化、基底鋼材銹蝕嚴重，如圖1、圖2所示。2019年4月對該橋進行維修加固后，對箱內(nèi)外進行了重新涂裝。

圖1 鋼箱梁箱內(nèi)底板積水、銹蝕

圖2 鋼箱梁箱內(nèi)頂板結露、銹蝕

1.2 箱內(nèi)外涂裝劣化失效機制及影響因素分析

鋼箱梁內(nèi)部長期處于密封環(huán)境，其防腐涂層的失效偏重于涂層下鋼材的電化學腐蝕，涂層劣化速率主要受箱內(nèi)溫度、相對濕度和表面潤濕時間等影響，其中相對濕度及溫度主要通過影響鋼結構表面水膜的形成(即表面潤濕)時間實現(xiàn)。因此，表面潤濕時間是箱內(nèi)防腐涂層劣化最主要的影響因素[5-6]。箱外長期處于開放環(huán)境，易受雨水侵蝕、紫外線照射，其防腐涂層的失效更偏重于光降解老化和電化學腐蝕2種形式，其中鋼材的電化學腐蝕主要受表面潤濕時間影響，光降解老化主要受日照時間影響[8-10]。本文擬對箱內(nèi)外關鍵環(huán)境參數(shù)溫濕度、表面潤濕度及環(huán)境腐蝕性進行監(jiān)測。

1.3 環(huán)境腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

采用ICE集成腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)對重新涂裝后鋼箱梁箱內(nèi)外環(huán)境腐蝕因素進行持續(xù)監(jiān)測[11]。該系統(tǒng)由3個組合探頭(P1、P2和P3)、1個溫濕度探頭和1個傳感器數(shù)據(jù)采集箱組成，如圖3所示。其中，組合探頭均由1個表面濕度探頭和1個環(huán)境腐蝕性探頭組成。表面濕潤度探頭用于探測表面水分的存在及潤濕時長，環(huán)境腐蝕性探頭用于測量環(huán)境的腐蝕性，溫濕度探頭用于測量環(huán)境的溫度和相對濕度。

圖3 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

1.4 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)布置

在依托工程鋼箱梁內(nèi)、外部各布置了一套腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)進行對比分析，監(jiān)測系統(tǒng)布置時綜合箱內(nèi)外環(huán)境特點及依托工程前期涂層腐蝕特征，選擇涂層腐蝕可能性較高的區(qū)域進行布置。箱內(nèi)布置時綜合考慮積水、水汽冷凝、空氣交換的可能性，最終將3個傳感器組合探頭分別布置于封閉人孔附近的頂、底板位置及遠離人孔的底板；箱外布置時綜合考慮日照時間、雨水沖刷等因素，3個組合探頭最終布置于依托工程南幅南側的翼緣板、腹板以及底板等位置，箱內(nèi)外具體布置如圖4所示。

2 監(jiān)測分析

2.1 溫度

監(jiān)測期依托工程鋼箱梁箱內(nèi)外的溫度、溫差時程曲線如圖5、圖6所示。由圖5可知，箱內(nèi)外溫度每天隨時間變化趨勢大致相同，但由于箱內(nèi)近似處于密封狀態(tài)，空氣流動性差，外界升降溫對箱內(nèi)溫度的影響存在明顯滯后。由圖6可知，箱內(nèi)溫度高于箱外的時長占比高達78.1%，箱內(nèi)溫度整體高于箱外。由于箱內(nèi)空氣中存在水蒸汽，箱內(nèi)溫度高于箱外溫度時，在鋼箱梁結構內(nèi)表面易發(fā)生冷凝，冷凝水長期附著在涂層表面易誘發(fā)涂層基底鋼材腐蝕，對涂層和基底鋼材耐久性不利[4,12]。

(a) 箱內(nèi)

(b) 箱外

2.2 相對濕度

相對濕度指空氣中水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓的百分比，空氣相對濕度受多因素影響，主要包括空氣中水分含量和溫度。為分析鋼箱梁箱內(nèi)外相對濕度差異及其與溫度的關系，本監(jiān)測時段內(nèi)箱內(nèi)外相對濕度、溫度時程曲線如圖7所示。由圖7可知，箱內(nèi)外的相對濕度與溫度呈顯著的負相關，即溫度升高，相對濕度降低；溫度降低，相對濕度上升。但箱內(nèi)外相對濕度變化又存在明顯差異，箱外空氣中水分含量受氣壓、風、降水等影響較大，處于時刻變化狀態(tài)，其相對濕度受空氣水汽含量和溫度共同影響，以2019年4月20日為例，其多個時段的相對濕度升高至100%左右；箱內(nèi)由于水汽擴散受到鋼箱梁外部結構阻隔，水汽含量可近似為一定值，箱內(nèi)相對濕度僅受溫度影響。

2.3 表面濕潤度

表面濕潤度探頭用于探測表面水分的存在及潤濕時長，當探頭表面處于干燥狀態(tài)時，探頭所測阻抗值為2 MΩ(即電阻無窮大)；當探頭表面處于濕潤狀態(tài)時，阻抗值下降且濕潤度越高，則下降越多。監(jiān)測時段內(nèi)箱內(nèi)外各表面濕潤度探頭所測阻抗時程曲線如圖8所示。由圖8可知，由于降雨期間受到雨水沖刷，布置于箱外翼緣板的組合探頭P1、P2的電阻值在多個時間段內(nèi)大幅降低。布置于箱內(nèi)的組合探頭P1、P2、P3所測阻抗值在監(jiān)測時段內(nèi)均出現(xiàn)先大幅降低后逐漸恢復至2 MΩ的情況，分析認為應是箱內(nèi)水汽在涂層表面冷凝、蒸發(fā)導致，這與依托工程冬季頂板檢查到有大量水滴現(xiàn)象吻合，如圖9所示。表面濕潤度監(jiān)測結果說明，即使在箱內(nèi)密封條件良好的情況下，箱內(nèi)涂層表面可能有冷凝水，這為箱內(nèi)涂層腐蝕提供可能。

圖5 鋼箱梁箱內(nèi)外溫度時程曲線

圖6 箱內(nèi)外溫差時程曲線

(a) 箱外

(b) 箱內(nèi)

2.4 環(huán)境腐蝕性

各環(huán)境腐蝕探頭監(jiān)測結果如圖10所示。布置于鋼箱梁室外腹板和底板的環(huán)境腐蝕探頭、箱內(nèi)全部環(huán)境腐蝕探頭所測阻抗值在監(jiān)測時段內(nèi)始終保持為0.2 MΩ，表明此處環(huán)境腐蝕性較穩(wěn)定，未出現(xiàn)環(huán)境腐蝕性突增的情況。布置于箱外翼緣板的P1阻抗值在多個時段陡降，表明在該時段該處環(huán)境腐蝕性突增，可能是由于雨水中夾雜著一些腐蝕性物質(zhì)造成的。對比P1處腐蝕性探頭和表面濕潤探頭監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)，在多個時段P1處于濕潤狀態(tài)，但對應時刻的環(huán)境腐蝕性并未增加，表明表面濕潤僅為腐蝕發(fā)生的一個先決條件，腐蝕的發(fā)生需要多種環(huán)境因素的共同作用[13]。

3 基于監(jiān)測的箱內(nèi)外涂層腐蝕可能性分析

箱內(nèi)外涂層腐蝕形式多樣，影響因素較多，涂層腐蝕過程緩慢，而既有監(jiān)測數(shù)據(jù)受時間限制未能反映涂層腐蝕的發(fā)展規(guī)律。根據(jù)前文分析結果，涂層表面潤濕時長是箱內(nèi)外涂層腐蝕的重要影響因素。在箱內(nèi)外環(huán)境腐蝕性監(jiān)測結果的基礎上，結合橋梁所在地2018年環(huán)境參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，對箱內(nèi)外涂層表面年潤濕時長進行預測。箱外涂層濕潤主要受降雨及水汽冷凝影響，而箱內(nèi)涂層濕潤僅受水汽冷凝影響。經(jīng)過查閱丹陽市2018年逐小時天氣數(shù)據(jù)，得到了該地2018年的降雨、溫度和相對濕度數(shù)據(jù)。根據(jù)所得的歷史溫度、相對濕度數(shù)據(jù)及2019年箱內(nèi)外的溫度、相對濕度的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了計算箱內(nèi)外涂層表面考慮冷凝的年累積潤濕時長的方法，具體步驟如下。

(a) 箱外

(b) 箱內(nèi)

圖9 依托工程冬季鋼箱梁箱內(nèi)水汽冷凝

3.1 箱內(nèi)溫度計算

根據(jù)監(jiān)測結果，預測實際年箱內(nèi)溫度時作以下假設：

1) 箱內(nèi)密封性不隨時間變化；2) 既有箱內(nèi)外監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示每天箱內(nèi)溫度達到最大值的時間要比箱外滯后1.86 h，箱內(nèi)日最高溫要比箱外高2.16 ℃；3) 每天箱內(nèi)溫度達到最小值的時間要比箱外滯后1.62 h，箱內(nèi)日最低溫要比箱外高1.96 ℃；4) 在其余時間段，箱內(nèi)溫度隨時間線性變化。

(a) 箱外

(b) 箱內(nèi)

基于箱外2018年逐小時溫度數(shù)據(jù)及以上假設，利用Matlab編程按以下步驟計算實際年箱內(nèi)的溫度。

3.2 箱外冷凝時長計算

1) 根據(jù)2018年丹陽市歷史溫度、相對濕度數(shù)據(jù)，計算得到各時刻的箱外水汽壓值E外；2) 根據(jù)2018年箱內(nèi)溫度計算值，假設鋼箱梁外部結構涂層溫度與箱內(nèi)溫度相同，計算箱外涂層表面發(fā)生冷凝時箱外逐小時最低蒸汽壓Es外；3) 比較E外和Es外，若E外≥Es外，箱外涂層表面發(fā)生冷凝；若E外

3.3 箱內(nèi)冷凝時長計算

1) 根據(jù)實測2019年箱內(nèi)絕對濕度數(shù)據(jù)，假定箱內(nèi)絕對濕度為一定值(取最大概率值14.0 g/m3)；2) 根據(jù)計算得到的2018年箱內(nèi)逐小時溫度數(shù)據(jù)，計算箱內(nèi)逐小時蒸汽壓值E內(nèi)；3) 根據(jù)丹陽市2018年歷史逐小時溫度數(shù)據(jù)，假設鋼箱梁箱內(nèi)涂層溫度與箱外溫度相同，計算箱內(nèi)涂層發(fā)生冷凝時箱內(nèi)逐小時最低蒸汽壓Es內(nèi)；3) 比較E內(nèi)和Es內(nèi)，若E內(nèi)≥Es內(nèi)，箱內(nèi)涂層表面發(fā)生冷凝；若E內(nèi)

3.4 潤濕時長計算結果分析

依據(jù)上述潤濕時長計算過程，分析了依托工程全年箱內(nèi)外水蒸汽冷凝情況，如圖11、圖12所示。由圖11、圖12可知，箱內(nèi)冷凝的可能性明顯高于箱外且冷凝時間集中于秋冬季節(jié)，這是由于全年時段箱內(nèi)的溫度高于箱外的可能性較大，且秋冬季溫度低，飽和蒸汽壓隨著溫度降低而降低，因此秋冬季更容易發(fā)生冷凝。

圖11 2018年箱外蒸汽壓與飽和蒸汽壓差值時程曲線

圖12 2018年箱內(nèi)蒸汽壓與飽和蒸汽壓差值時程曲線

箱內(nèi)密封條件較好時，箱內(nèi)各處涂層實際年潤濕時長為冷凝時長，即4 042 h。與箱內(nèi)不同，箱外涂層潤濕時長不僅包含水汽冷凝時長，還包含降雨時長，不同位置的涂層年實際潤濕時長存在較大差異。比如，直接受到雨水沖刷的翼緣板等位置全年潤濕時長為降雨時長，統(tǒng)計丹陽市2018年全年的降雨時長約841 h，而完全接觸不到雨水的箱梁底板等位置，全年潤濕時長僅考慮冷凝時長，為41 h。單從潤濕時長來看，箱內(nèi)潤濕時長遠大于箱外，涂層下鋼材發(fā)生電化學腐蝕可能性較高[3]，與通常認為鋼箱梁箱內(nèi)環(huán)境密閉無空氣流通，鋼材發(fā)生銹蝕的可能性很小的認識存在較大差異，因而建議管養(yǎng)單位在后期的養(yǎng)護過程中應重視箱內(nèi)部養(yǎng)護維修工作。

雖然依據(jù)潤濕時長計算結果可判定涂層下鋼材發(fā)生電化學腐蝕可能性較高，但鋼材表面水膜的存在僅是鋼材電化學腐蝕的一個先決條件，實際鋼材電化學腐蝕的發(fā)生與否還與涂層微觀缺陷及大氣環(huán)境的腐蝕性等因素有關。相比箱內(nèi)，箱外大氣環(huán)境腐蝕性較為惡劣，涂層受到雨水沖刷，加大了涂層微觀損傷，從而加快了涂層下鋼材的電化學腐蝕速率；另外，箱外涂層長期受太陽照射，紫外線的照射可加速涂層的腐蝕[9]，因此，實際情況是箱外涂層劣化往往比箱內(nèi)涂層劣化更為嚴重。

4 結論

本文針對某中小跨徑鋼箱梁箱內(nèi)外涂層腐蝕特點對該橋進行了腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)設計，并基于監(jiān)測數(shù)據(jù)提出了年潤濕時長的估算方法，實現(xiàn)了對鋼箱梁橋涂層腐蝕可能性的定量分析，結論表明：

1) 箱內(nèi)由于空氣流動性差，箱內(nèi)溫度高于箱外的時長占比高達78.1%，即使箱內(nèi)密封條件良好，箱內(nèi)涂層表面仍可能附著冷凝水，這為箱內(nèi)涂層腐蝕提供可能。

2) 根據(jù)本文提出的年潤濕時長計算方法，箱內(nèi)有冷凝水附著的時長是箱外的100倍左右，箱內(nèi)冷凝集中發(fā)生于秋冬季節(jié)。但鋼材表面冷凝水的存在僅是鋼材電化學腐蝕的一個先決條件，實際鋼材電化學腐蝕的發(fā)生與否還與涂層微觀缺陷及大氣環(huán)境的腐蝕性等因素有關。

3) 建議管養(yǎng)單位應重視鋼箱梁箱內(nèi)的養(yǎng)護維修工作，相關除濕工作宜安排在秋冬季節(jié)。