11桥梁及其腐蚀与防护解析

1.1、桥梁的起源
后来，人们会用天然的植物藤蔓和人造 的麻绳开始造桥
原始索桥的大致结构
1.1、桥梁的起源
受到大自然天然结构的启发，加之石料 等材料的运用技术提高，人们开始自己 造拱桥，梁桥等各种桥梁。
1.2、桥梁的分类
按用途：铁路桥梁、公路桥梁、公铁两 用桥梁、立交桥、行人桥 按建材：钢桥、混凝土桥梁、结合梁桥、 混合梁桥、木桥（这里我们知道，建造 桥梁的材料主要为钢筋和混凝土） 按结构（最主要的分类方式）：梁桥、 拱桥、斜拉桥、悬索桥
湿和区/湿热区/亚湿区/亚干燥区/干燥区
乡村大气/工业大气/海洋大气
2.2、水介质腐蚀
一般情况下，桥墩所处的腐蚀环境之 一是水环境
2.2、水介质腐蚀
海水中，腐蚀机理如下：
阴极反应：O2+ H2O + 4e 阳极反应：Fe Fe2++2e 4OH-
其机理与大气腐蚀相同，但与大气腐蚀不同的是，这 种反应在海水环境中是没有阻滞性的。
3.1.1、涂料的防腐蚀特点
1、屏蔽作用 涂料被涂至钢结构件表面，并形成 一定厚度的涂层，直接将钢铁与腐蚀环 境隔开，形成一道防腐蚀保护屏障，推 迟腐蚀介质与钢铁相接触时间。 所有的涂层均具备这一性能。
3.1.1、涂料的防腐蚀特点
2、钝化缓蚀作用 在涂料家族中，有磷化底漆、铬酸 底漆和各类车间底漆等，它们在工序间 起到防锈或增加涂层底漆附着力和钝化 缓蚀作用。 其自身防腐效果较弱。
表面形态。
相对湿度：过高时，氧扩散困难；过低时，水膜难以形成；达到 某一临界值，腐蚀明显。 金属表面温度：金属表面温度比大气温度低时，表面才能凝结水 膜，即结露。所以气温高的地区和昼夜温差大的地区，腐蚀更严 重。 金属表面形态：粗糙的表面吸附性强，更易发生各种形态的腐蚀
2.1、大气腐蚀
设计防护方案时，往往根据环境条件来确定具 体方案： 热带/亚热带/温带/寒带
在混凝土的硅质集料中如果含有碱活性的物质, 如矿物蛋白石等,在潮湿的环境下，就有可能发 生碱-硅酸反应,在混凝土内部产生较大的膨胀应 力，从而引起混凝土开裂
3、桥梁的腐蚀防护
随着我国基础设施建设速度的加快, 大型钢结构桥梁不断涌现,钢桥防腐蚀 的重要性日益显现。防腐蚀是钢桥从设 计、施工、使用全过程必须优先考虑的 重要环节,通过广泛应用各种先进有效 的防腐蚀方法,完善对钢桥长效防腐蚀 处理,不仅可以节约大量的桥梁维护费 用,延长钢桥使用寿命,同时也产生巨大 的经济效益和社会效益。
2.1.3、大气腐蚀的影响因素
固体尘埃：
（1）本身具有腐蚀性 （2）本身无腐蚀性，但能吸附腐蚀性物质，如碳层会 吸收SO2和水气 （3）本身腐蚀性和吸附性都没有，但会在金属表面形 成缝隙而凝聚水分，形成氧浓差电池。如砂粒
2.1.3、大气腐蚀的影响因素
此外，影响大气腐蚀的因素还有相对湿度、金属表面温度、金属
2.2、水介质腐蚀
海水含盐量高达3.20%—3.75%，pH值在7.50— 8.60之间，溶有各种杂质，电化学反应非常活 泼；且海水流速较快，易发生冲刷腐蚀现象， 加速腐蚀现象的发生。所以说，海水腐蚀比大 气腐蚀要更为严重，也需要受到更高的重视。
2.3、土壤腐蚀
桥墩所处的另一种腐蚀环境是土壤环境
2、桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理
2001年，中国四川省的宜宾小南门金沙江大桥 发生断裂
2、桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理
据现场勘查人员的报告，发现坍塌断裂之处露 出一层薄薄的钢筋网，悬吊的承重钢管中露出 了锈迹斑斑的钢缆。正是因为吊索钢丝的锈蚀 折断，造成了桥梁断成三节。 另据现场工程人员说，让人不可思议
3.1.1、涂料的防腐蚀特点
3、阴极保护作用 防腐底漆中添加锌（铝）粉形成富锌 涂料，电流由锌流向钢铁，锌粉首先被 腐蚀从而就保护了钢铁。 锌粉在大气中的腐蚀产物为难溶碱式 盐，它们会添没涂层中的空隙，也具有 保护作用。
3.1.2、涂料的基本组成

成膜物质主要基础物质，有天然油脂、天然树脂、
3.1.4、涂料的成膜机理
一、物理干燥
2、聚合物粒子凝聚成膜 （1）一定温度下具有可逆性 （2）对溶剂的敏感性 （3）漆膜成型有温度依赖性 （4）热塑性 （5）重涂性能比较好
坏
2.3.3、混凝土的土壤腐蚀
盐类物质除了与Ca(OH)2 发生反应对混凝土造 成破坏外，还会发生膨胀性腐蚀。
混凝土结构多孔隙→渗入可溶性盐类→ 干湿交替，结晶析出→晶体体积膨胀→ 混凝土开裂，疏松，粉化→结构强度和 对钢筋的保护作用均受损
2018/10/6
2.3.3、混凝土的土壤腐蚀
补充：混凝土的碱集料反应（混凝土的癌症）
2H+ + 2e → H2
SO42- + 4H2O + 8e → S2- + 8OH-
由于氧在土壤中扩散速度受到土壤结构，松紧程度，
湿度，深度等综合影响，土壤中阴极过程受氧输送所 控制，阴极过程为主要控制步骤。
2.3.3、混凝土的土壤腐蚀
混凝土中，对其中包裹钢筋进行保护的物质主 要是Ca(OH)2,使混凝土具有强碱性(pH>12.6), 使其内部钢筋处于钝化状态。
桥梁的腐蚀与防护
目录
1、桥梁简介 2、桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理 3、桥梁的腐蚀防护
1、桥梁简介
桥梁是铁路、公路、管线或渠道跨 越河流、海峡、山谷或其他障碍的空中 建筑物。即空中的道路，是整个道路系 统中的重要节点。
1.1、桥梁的起源
远古时期开始，人类活动的地方就有了 桥梁
独木桥
天然石桥
的是，那承重钢缆是装在钢管中且加 了防锈油的，怎么会生锈？
2、桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理
桥梁工程中的腐蚀问题主要是指钢铁构件和混 凝土的腐蚀,其中混凝土的腐蚀又包括混凝土 中钢筋的腐蚀及混凝土材料本身的腐蚀,混凝 土中钢筋的腐蚀与其它钢铁构件的腐蚀在机理 上是一致的。
2.1、大气腐蚀
一般情况下，桥梁的桥身，桥面所处的
2.3.1、土壤腐蚀的特点
多相性，多孔性 含有多种有机物和无机物 不均匀性 有微生物腐蚀发生 不仅对金属造成破坏，也会对混凝土造成破坏 土壤组成, 结构, 物理化学的差异, 易造成各种不同 的宏观或微观腐蚀电池，形成局部腐蚀。
2.3.2、wk.baidu.com属的土壤腐蚀
阳极过程：
阳极：
Fe + nH2O
Fe2+·nH2O + 2e
阴极反应实质为锈层内Fe3+→Fe2+的锈层还原反应。 硫化物，盐雾，酸雨及尘埃颗粒的存在，增强了水膜 电解质的导电性，加速了大气腐蚀
2.1.2、大气腐蚀的主要破坏形态
均匀腐蚀 缝隙腐蚀 应力腐蚀
2.1.3、大气腐蚀的影响因素
一、成分
大气的主要成分几乎是不变的，但不同地域的大气中 还含有一定量的二氧化硫，一氧化碳，硫化氢，盐雾 等物质。
1.2、桥梁的分类
悬索桥：指的是以通过索塔悬挂并锚固于桥两 端的缆索（或钢链）作为上部结构主要承重构 件的桥梁。从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住， 在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成 组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。
2、桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理
自古至今，人们建造了无数的桥梁，它 们一方面给人类提供方便，另一方面自 身也经受巨大的损坏，需要进行维修， 甚至报废重建。
2.3.3、混凝土的土壤腐蚀
Cl-对混凝土的腐蚀：
2Cl- + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2OH-
破坏混凝土高碱性钢筋钝化膜，引起钢筋锈蚀 后体积膨胀，导致其开裂失效。
2.3.3、混凝土的土壤腐蚀
硫酸盐对混凝土的腐蚀
SO42- + Ca（OH）2 → CaSO4·2H2O
反应后混凝土体积增大数倍，使其内部 产生很大的应力，导致其强度降低而破
碱、中性介质：Fe2+
氧的作用：
+ 2OH—
Fe(OH)2
2Fe(OH)3
2Fe(OH)2 + 1/ 2 O2
表面腐蚀产物与粘土结合, 覆盖在表面， 可阻碍 腐蚀的阳极过程。
2.3.2、金属的土壤腐蚀
阴极过程：
阴极：
O2 + 2H2O + 4e
4OH—
在酸性很强的土壤中会发生放氢过程；在硫酸盐还原菌丰富的土壤中，硫酸根的 还原反应液参与土壤腐蚀的阴极过程：
3、桥梁的腐蚀防护
对桥梁进行腐蚀防护，其中最常用的方 法有两种，涂料防护和阴极防护
3.1、桥梁的涂料防护
钢铁的大敌就是腐蚀，而涂料正 是钢铁桥梁防腐蚀的最方便有效的 方法之一。比如悉尼港口大桥在建 设时的涂装工作量就相当繁重，每 道漆约有8000L，涂装面积相当于 60个足球场那么大。 钢结构桥梁的表面需要兼具装饰 和防腐蚀两种功能的涂料。

助剂改善涂料的施工工艺性能，用量少、效果大，
3.1.3、常用的防腐蚀涂料
油脂涂料 醇酸涂料 氯化橡胶涂料 环氧涂料 丙烯酸树脂涂料 聚氨酯涂料

3.1.4、涂料的成膜机理
一、物理干燥
1、溶剂的挥发成膜 （1）可逆性 （2）溶剂敏感性 （3）漆膜成型不依赖温度，无化学反应 （4）热塑性，高温变软
2.1.1、大气腐蚀的机理
实际中，由于腐蚀开始后有锈蚀产物的存在， 它对锈层下基体钢材的离子化起氧化剂的作用， 在湿润大气下电化学腐蚀反应机理大致如下：
阴极反应发生在Fe3O4/FeOOH界面： 6FeOOH + 2e→2Fe3O4 + 2H2O + 2OH阳极反应发生在金属/Fe3O4界面： Fe Fe2++2e
腐蚀环境是大气环境
2.1.1、大气腐蚀的机理
大气腐蚀是金属处于表面水膜层下的电化学腐 蚀过程，表面水膜是空气中水分在金属表面吸 附凝聚而形成的。
阴极反应（中性碱性水膜中）：O2+ H2O + 4e 4OH— 阴极反应（弱酸性水膜，酸雨中）：O2 + 4H++ 4e 2H2O 阳极反应：Fe Fe2++2e（或写成金属离子水化物的形式）
2、桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理
损坏的原因主要归结为下列几点： 自然灾害 各类交通事故 桥梁材料的腐蚀 材料的制作不良
2、桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理
日本曾统计过104所悬索断桥事故，其中 有23例与钢材的质量与腐蚀问题有关
事故原因
载荷及交 通事故 37
自然灾害
腐蚀
材料不良
其他
数量
35
19
4
9
2、桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理
桥梁承受着交变载荷,长期暴露在自然环 境中,桥梁的钢结构及混凝土结构都会受 到环境介质的腐蚀。
2、桥梁的腐蚀环境和腐蚀机理

特别是在一些环境质量恶劣的地区,如 大气污染严重的地区、水污染严重的地 区以及滨海、海洋环境中SO2,CO2,Cl-等 腐蚀性物质含量增大,都会造成桥梁的 严重腐蚀,影响桥梁的结构安全性及使 用寿命。因此,桥梁的腐蚀与防护问题 已经成为桥梁工程及腐蚀与防护领域的 重要研究课题。
其主要的影响因素有： CO2；Cl-；硫酸盐
2.3.3、混凝土的土壤腐蚀
CO2对混凝土的腐蚀：
大气中的CO2、SO2、NO2,酸雨与酸性水、酸性土等,均能与混
凝土直接起反应,中和混凝土中的碱[Ca(OH)2] CO2 + Ca（OH）2 → CaCO3 + H2O 随着混凝土表面的碳化，碱含量减少，其内部的[Ca(OH)2] 向表面渗透，引起其强度降低，直至完全破坏。
1.2、桥梁的分类
梁桥：以受弯为主的主梁作为承重构件的桥梁。 其构造简单，制造、架设和维修均较方便，广 泛用于中、小跨度桥梁，但在材料利用上不够 经济
1.2、桥梁的分类
拱桥：指的是在竖直平面内以拱作为结构主要 承重构件的桥梁，承重结构主要承受轴向力， 没有弯矩或弯矩很小
1.2、桥梁的分类
斜拉桥：是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上 的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯 的梁体组合起来的一种结构体系。其可使梁体 内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量， 节省了材料。
2.1.3、大气腐蚀的影响因素
SO2： （1）SO2 → SO3 → H2SO4 （2）与Fe作用 → FeSO4（易溶于水）→ H2SO4
Cl-：
氯离子随氯化物颗粒沉积在金属表面的水膜中，同时
其也具有吸湿作用，会将大气中的湿气吸纳与金属表
面，大大增强表面水膜电解质导电性。同时，氯离子 自身对钢铁和混凝土的侵蚀性也非常高。
各类合成树脂等
溶剂使涂料保持良好的溶解和稀释状态，由于严格
要求控制涂料有机挥发物VOC总量，现在发展纯溶 性和水性等多种溶剂。 有一定的功能，主要有红丹、氧化铁红、富锌涂料 中的锌粉等。 如改善颜料在涂料中的分散性的表面活性剂和防沉 淀剂，还有润湿剂、消泡剂、紫外线吸收剂等。

颜料使涂膜呈现一定的色彩，形成一定的厚度，具