CN115386867A - 一种桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，包括：去除耐候钢表面氧化皮；配置耐候钢表面锈层稳定剂；将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入配好的稳定剂中，浸泡0.5h冲洗耐候钢表面，放置干湿循环箱12h，并且温度为25±3℃和湿度为60％‑70％RH，如此循环，每天稳定剂处理2次，共稳定化处理3天；配置耐候钢半透性涂层；在稳定化后的锈层表面涂覆80μm左右半透性涂层，然后在室温自然干燥24h。本发明结合稳定化+恒温恒湿处理技术，开发出一种新的耐候钢表面半透性涂层+稳定锈层快速形成方法，经该方法处理后的耐候钢表面加速形成稳定锈层的同时避免腐蚀初期锈液流挂与飞散污染大气环境的问题。

Description

一种桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法
技术领域
本发明属于钢材防腐技术领域，具体涉及一种适合工业大气环境中的桥梁耐候钢锈层稳定化处理方法。
背景技术
耐候钢最突出的优点是可以免涂装使用，避免涂装对环境造成的污染，降低后期的维护成本(约为建设费用的5％～15％)，其裸装使用的理念是“以锈防锈”，即在腐蚀性环境下表面形成致密锈层可防止腐蚀继续发生，但耐候钢在自然环境中形成稳定的锈层至少需要3～5年的时间，并且使用初期和普通桥梁钢一样会出现锈液流挂与飞散污染环境的现象。因此对耐候钢构件表面进行半透性涂层处理，不仅阻碍了腐蚀性离子的侵入，还减少不稳定疏松相的生成，促进致密稳定相的生成，使耐候钢表面快速形成保护性锈层，从而使耐候桥梁钢可在工业大气环境中长期使用。这一技术大大降低了耐候桥梁钢的建造和维护成本，对耐候桥梁钢在工业大气环境下使用具有重要的工程应用价值。
日本、美国学者于20世纪50年代便开始了对耐候钢表面处理技术的研究开发，目前，国外开展的耐候钢表面处理技术有耐候性涂膜技术、氧化物涂膜处理、带锈涂层氮化处理及新型表面处理剂，主要针对工业大气腐蚀环境和氯离子极低的大气环境。国内一些研究机构也在开展耐候钢表面稳定化处理技术的研究，但在关于工业大气环境中的半透性涂层+稳定化技术尚不成熟，还需继续研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种适合工业大气环境中的桥梁耐候钢锈层稳定化处理方法，加速稳定锈层形成的同时避免腐蚀初期锈液流挂与飞散污染大气环境的问题。
为了实现上述问题，本发明主要采用以下技术方案：
一种桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，包括如下步骤：
S1、去除耐候钢表面氧化皮；
S2、配置耐候钢表面锈层稳定剂；
S3、将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入所述耐候钢表面锈层稳定剂中进行稳定化处理；
S4、在稳定化处理后的表面涂覆半透性涂层，之后放置室温自然干燥。
作为优选，S1中，采用喷砂机除去耐候钢表面的氧化皮，再经过丙酮除油、干燥处理。
作为优选，S2中，按以下比例取CuSO4、Cr2(SO4)3、NaHSO3、Fe3O4、α-FeOOH和去离子水进行混合均匀，制成耐候钢表面锈层稳定剂；其中，所述比例如下：
CuSO4：0.5-1.5％，
Cr2(SO4)3：2-4％，
NaHSO3：0.3-1.5％，
Fe3O4：0.05-0.2％，
α-FeOOH：0.3-1.5％，
余量为去离子水。
作为优选，S3中，将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入所述耐候钢表面锈层稳定剂中，浸泡0.4～0.6h以冲洗耐候钢表面，然后放置干湿循环箱11～12h，并且温度为25±3℃和湿度为60％-70％RH，如此循环，每天稳定剂处理2次，共稳定化处理3天。
作为优选，S4中，所述半透性涂层为水性丙烯酸树脂或PVB和聚乙二醇1：2混合；所述半透性涂层厚度为10-100μm。
作为优选，S4中，所述室内自然干燥的时间为23～24h。
本发明还提供一种桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，包括如下步骤：
S1、去除耐候钢表面氧化皮；
S2、按以下比例取CuSO4、Cr2(SO4)3、NaHSO3、Fe3O4、α-FeOOH和去离子水进行混合均匀，制成耐候钢表面锈层稳定剂；其中，所述比例如下：
CuSO4：1.0％，
Cr2(SO4)3：3.0％，
NaHSO3：0.6％，
Fe3O4：0.1％，
α-FeOOH：0.6％，
余量为去离子水；
S3、将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入所述耐候钢表面锈层稳定剂中，浸泡0.5h以冲洗耐候钢表面，然后放置干湿循环箱12h，并且温度为25±3℃和湿度为60％-70％RH，如此循环，每天稳定剂处理2次，共稳定化处理3天；
S4、在稳定化处理后的表面涂覆半透性涂层，之后放置室温自然干燥24h，其中，所述半透性涂层为水性丙烯酸树脂或PVB和聚乙二醇1：2混合；所述半透性涂层厚度为80μm。
作为优选，S1中，采用喷砂机除去耐候钢表面的氧化皮，再经过丙酮除油、干燥处理。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用适合工业大气环境中的桥梁耐候钢锈层半透性涂层+稳定化处理方法，由于“同质效应”，α-FeOOH的加入可以促进锈层中稳定物相α-FeOOH的生成，抑制γ-FeOOH、β-FeOOH等不稳定物相的生成，半透性树脂为可降解、无污染的树脂，可有效预防耐候钢的飞散、流挂现象。经过半透性涂层+稳定化处理后元素Cu在耐候钢表面富集，在模拟工业大气介质中的腐蚀速率大大降低，加速了稳定致密锈层的形成，同时半透性涂层避免了腐蚀初期锈液流挂与飞散等污染大气环境的问题。该操作方法简单，成本低，适用于工业发达的工业大气环境。
本发明结合稳定化+恒温恒湿处理技术，开发出一种新的耐候钢表面半透性涂层+稳定锈层快速形成方法，经该方法处理后的耐候钢表面形成的锈层更加致密均匀，半透性树脂可在腐蚀初期有效预防耐候钢锈液的飞散、流挂现象，同时氧气可渗入促进膜下稳定锈层的形成，形成稳定锈层后半透性树脂可无污染降解，使得耐候钢的耐蚀性和环境友好性更好。
附图说明
图1为耐候钢表面稳定化及其半透性涂层处理后在NaHSO3介质中腐蚀60天的X-射线衍射图谱；
图2为稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的微观形貌图；其中，图2中(a)、(c)是低倍下的表面微观形貌图，图2中(b)、(d)是高倍下的表面微观形貌图；
图3为裸样、稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的极化曲线；其中，图3中(a)为稳定化处理试样极化曲线，图3中(b)为半透性涂层+稳定化处理样极化曲线，图3中(c)为三种试样腐蚀30天后的极化曲线；
图4为裸样、稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的动力学曲线；其中，图4中(a)为腐蚀增重曲线，图4中(b)为腐蚀速率曲线；
图5为半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀不同时间的XRD图谱；
图6为裸样、稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的截面微观形貌；其中图6中(a)为裸样截面形貌，图6中(b)为稳定化处理样截面形貌，图6中(c)为半透性涂层+稳定化处理样截面形貌；
图7为裸样、稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的阻抗图谱；
图8为裸样、稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的宏观形貌；其中，图8中(a)为裸样，图8中(b)为稳定化处理样，图8中(c)为半透性涂层+稳定化处理样；
图9为稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的截面元素分布；其中，图9中(a)为裸钢试样，图9中(b)为稳定化处理样，图9中(c)为半透性涂层+稳定化处理样；
图10为半透性涂层+稳定化处理实施例和对比例两种方法在NaHSO3介质中腐蚀60天后的极化曲线；
图11为半透性涂层+稳定化处理实施例和对比例处理后的Q345qDNH钢在NaHSO3介质中腐蚀60天后的宏观形貌图；其中，图11中(a)为实施例，图11中(b)为对比例；
图12为本发明桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图12所示，本发明提供一种桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，包括如下步骤：
S1、去除耐候钢表面氧化皮；
S2、配置耐候钢表面锈层稳定剂；
S3、将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入所述耐候钢表面锈层稳定剂中进行稳定化处理；
S4、在稳定化处理后的表面涂覆半透性涂层，之后放置室温自然干燥。
作为本发明的一种实施方式，S1中，采用喷砂机除去耐候钢表面的氧化皮，再经过丙酮除油、干燥处理。
作为本发明的一种实施方式，S2中，按以下比例取CuSO4、Cr2(SO4)3、NaHSO3、Fe3O4、α-FeOOH和去离子水进行混合均匀，制成耐候钢表面锈层稳定剂；其中，所述比例如下：
CuSO4：0.5-1.5％，
Cr2(SO4)3：2-4％，
NaHSO3：0.3-1.5％，
Fe3O4：0.05-0.2％，
α-FeOOH：0.3-1.5％，
余量为去离子水。
作为本发明的一种实施方式，S3中，将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入所述耐候钢表面锈层稳定剂中，浸泡0.4～0.6h以冲洗耐候钢表面，然后放置干湿循环箱11～12h，并且温度为25±3℃和湿度为60％-70％RH，如此循环，每天稳定剂处理2次，共稳定化处理3天。
作为本发明的一种实施方式，S4中，所述半透性涂层为水性丙烯酸树脂或PVB和聚乙二醇1：2混合；所述半透性涂层厚度为10-100μm。
作为本发明的一种实施方式，S4中，所述室内自然干燥时间为23～24h。
最佳实施例：
试验采用Q345qNH桥梁耐候钢，通过线切割方式切成10mm×10mm×8mm大小，用喷砂机除去耐候钢表面的热轧氧化皮，再用600目和800目砂纸依次打磨耐候钢上表面至光滑平整，酒精擦洗，丙酮除油，然后放入真空干燥箱中干燥。
配置100g耐候钢表面锈层稳定化处理剂，分别称取重量百分比为1.0％的CuSO41g、3.0％的Cr2(SO4)33g、0.6％的NaHSO30.6g、0.1％的Fe3O40.1g和0.6％的α-FeOOH0.6g，以及94.7g的去离子水，将各种试剂与去离子水混合均匀后倒入容器中，得到耐候钢表面锈层稳定化处理剂(稳定剂)。
将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入配好的稳定剂中，浸泡0.5h(稳定化)→用去离子水冲洗耐候钢表面，保证表面无杂质→放置干湿循环箱12h，温度(25±3)℃，湿度(60～70)％RH，如此循环，每天稳定剂处理2次，共稳定化处理3天；在稳定化表面涂覆80μm左右半透性涂层，→室温自然干燥24h。
图1为耐候钢表面稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的X-射线衍射图谱，可以看到，经过稳定化及其半透性涂层处理后的耐候钢都有表面元素Cu富集，且半透性涂层处理后的试样Fe3O4、α-FeOOH物相峰值高于稳定化。Fe3O4、α-FeOOH为热力学稳定相，是致密内锈层的主要成分。
图2为稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的微观形貌图，其中(a)、(c)是低倍下的表面微观形貌图，(b)、(d)是高倍下的表面微观形貌图；由图可以看出，稳定化处理试样表面锈层破碎、疏松、凹凸不平，腐蚀产物以γ-FeOOH为主；经半透性涂层+稳定化处理后的耐候钢表面平整、光滑，且表面产物分布致密均匀，锈层结合紧密，树脂下分布有球状、团簇状的α-FeOOH。
图3为裸样、稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的极化曲线。其中(a)为稳定化处理试样极化曲线，(b)为半透性涂层+稳定化处理样极化曲线，(c)为三种试样腐蚀30天后的极化曲线。从图中可以看出，腐蚀30天后相较于裸样，稳定化和半透性涂层+稳定化试样比裸样有着更高的自腐蚀电位和更低的自腐蚀电流密度，代表两种试样其有着更低的耐腐蚀倾向和腐蚀速度，其中半透性涂层+稳定化试样自腐蚀电位最高，自腐蚀电流密度最低。
图4为裸样、稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的动力学曲线，(a)为腐蚀增重曲线，(b)为腐蚀速率曲线，从图中可以看出，稳定化和半透性涂层+稳定化处理试样相较于裸样腐蚀增量少、腐蚀速率低，其中稳定化腐蚀速率比裸钢试样降低了2.77倍，半透性涂层+稳定化腐蚀速率比裸钢试样降低了13倍，具有更好的耐腐蚀性。
图5为半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀不同时间的XRD图谱。从图中可以看出，随着腐蚀时间的延长，Fe3O4、单质元素Cu含量降低，稳定物相α-FeOOH含量增加，锈层稳定性物相增多。
图6为裸样、稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的截面微观形貌，其中(a)为裸样截面形貌，(b)为稳定化处理样截面形貌，(c)为半透性涂层+稳定化处理样截面形貌。从图中可以看出，稳定化和半透性涂层相较于裸样锈层截面较为紧密，裸钢试样锈层截面存在分层、孔洞裂纹等缺陷。且与稳定化样相比，经过半透性涂层+稳定化处理的试样腐蚀60天后的锈层截面较薄，锈层产物致密性更好，缺陷也更少。
图7为裸样、稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的阻抗图谱。从图中可以看出，三种带锈试样的Nyquist图高频区均由一个半圆容抗弧组成，高频电容回路由试样-溶液界面的电荷转移电阻引起，且高频区圆弧半径越大，锈层耐蚀性越好。其中，裸样高频区圆弧半径最小，稳定化处理试样次之，半透性涂层+稳定化处理试样半径最大，这表明经半透性涂层+稳定化处理后，锈层有着更高的电阻值，耐腐蚀性更强。
图8为裸样、稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的宏观形貌。(a)为裸样，(b)为稳定化处理样，(c)为半透性涂层+稳定化处理样，从图中可以看出，裸样表面锈层稀松、不平整，明显有锈泡存在，容易发生飞散、流挂等问题；稳定化锈层表面较裸样平整；半透性涂层+稳定化处理试样锈层表面平整且致密，呈现出良好的巧克力色泽。
图9为稳定化处理样和半透性涂层+稳定化处理样在NaHSO3介质中腐蚀60天后的截面元素分布.(a)为裸钢试样，(b)为稳定化处理样，(c)为半透性涂层+稳定化处理样，从图中可以看出，裸样试样锈层截面稀疏多孔，合金元素含量较稳定化和半透性涂层+稳定化处理试样少，且分布散乱。稳定化和半透性涂层+稳定化处理试样中合金元素Cu和Cr在锈层和基体界面以及锈层内部出现了明显的富集现象，且半透性涂层+稳定化处理试样中微量合金元素富集更多，这和XRD结果高度吻合。合金元素的存在能够改变锈层结构和组织，细化锈层晶粒，对提升锈层的保护性能有重要的作用。
对比例1：
对比例提供了一种耐候钢表面锈层稳定化的预处理液，预处理液中各化学组分及其质量分数为：1.0％的CuSO4、3.0％的Cr2(SO4)3、0.6％的NaHSO3和0.1％的Fe3O4，以及去离子水。
采用喷砂机除去耐候钢表面的氧化皮，再经过丙酮除油、干燥处理；
配置100g耐候钢表面锈层稳定化预处理液，分别称取重量百分比为1.0％的CuSO41g、3.0％的Cr2(SO4)33g、0.6％的NaHSO30.6g和0.1％的Fe3O40.1g，以及95.3g的去离子水。将各种试剂与去离子水混合均匀后倒入容器中，得到耐候钢表面锈层稳定化预处理液。
将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入配好的稳定剂中，浸泡0.5h(稳定化)→去离子水冲洗耐候钢表面(保证表面无杂质)→自然干燥(2.5～3)h→去离子水浸泡5min(水处理)→自然干燥(2.5～3)h→去离子水浸泡5min→自然干燥(2.5～3)h→稳定剂中浸泡0.5h→去离子水冲洗耐候钢表面→自然干燥，如此循环，一天稳定化处理两次，水处理两次，共循环重复处理7天。
图10为半透性涂层+稳定化处理实施例和对比例两种方法在NaHSO3介质中腐蚀60天后的极化曲线。从图中可以看出，在工业大气介质中，相同的电位下，经过半透性涂层+稳定化处理试样的电流密度都要小于对比例试样的电流密度，说明经过半透性涂层+稳定化处理得到的实施例的耐候钢的点蚀敏感性要低于对比例的。
图11为半透性涂层+稳定化处理实施例和对比例处理后的Q345qDNH钢在NaHSO3介质中腐蚀60天后的宏观形貌图，图(a)为实施例，图(b)为对比例。从图中可以看出，经实施例处理后得到的Q345qDNH钢在NaHSO3介质中腐蚀60天后表面锈层均匀不易脱落，颜色均一，呈红棕色，耐蚀性好；经对比例处理后得到的Q345qDNH钢在NaHSO3介质中腐蚀60天后表面锈层局部腐蚀严重，锈层生长不均匀，同时伴有起皮和锈胞生成，保护性较差。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、去除耐候钢表面氧化皮；
S2、配置耐候钢表面锈层稳定剂；
S3、将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入所述耐候钢表面锈层稳定剂中进行稳定化处理；
S4、在稳定化处理后的表面涂覆半透性涂层，之后放置室温自然干燥。
2.如权利要求1所述的桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，其特征在于，S1中，采用喷砂机除去耐候钢表面的氧化皮，再经过丙酮除油、干燥处理。
3.如权利要求2所述的桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，其特征在于，S2中，按以下比例取CuSO4、Cr2(SO4)3、NaHSO3、Fe3O4、α-FeOOH和去离子水进行混合均匀，制成耐候钢表面锈层稳定剂；其中，所述比例如下：
CuSO4：0.5-1.5％，
Cr2(SO4)3：2-4％，
NaHSO3：0.3-1.5％，
Fe3O4：0.05-0.2％，
α-FeOOH：0.3-1.5％，
余量为去离子水。
4.如权利要求3所述的桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，其特征在于，S3中，将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入所述耐候钢表面锈层稳定剂中，浸泡0.4～0.6h以冲洗耐候钢表面，然后放置干湿循环箱11～12h，并且温度为25±3℃和湿度为60％-70％RH，如此循环，每天稳定剂处理2次，共稳定化处理3天。
5.如权利要求4所述的桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，其特征在于，S4中，所述半透性涂层为水性丙烯酸树脂或PVB和聚乙二醇1：2混合；所述半透性涂层厚度为10-100μm。
6.如权利要求5所述的桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，其特征在于，S4中，所述室内自然干燥的时间为23～24h。
7.一种桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、去除耐候钢表面氧化皮；
S2、按以下比例取CuSO4、Cr2(SO4)3、NaHSO3、Fe3O4、α-FeOOH和去离子水进行混合均匀，制成耐候钢表面锈层稳定剂；其中，所述比例如下：
CuSO4：1.0％，
Cr2(SO4)3：3.0％，
NaHSO3：0.6％，
Fe3O4：0.1％，
α-FeOOH：0.6％，
余量为去离子水；
S3、将去除了表面氧化皮的耐候钢浸入所述耐候钢表面锈层稳定剂中，浸泡0.5h以冲洗耐候钢表面，然后放置干湿循环箱12h，并且温度为25±3℃和湿度为60％-70％RH，如此循环，每天稳定剂处理2次，共稳定化处理3天；
S4、在稳定化处理后的表面涂覆半透性涂层，之后放置室温自然干燥24h，其中，所述半透性涂层为水性丙烯酸树脂或PVB和聚乙二醇1：2混合；所述半透性涂层厚度为80μm。
8.如权利要求7所述的桥梁耐候钢锈层半透性涂层稳定化处理方法，其特征在于，S1中，采用喷砂机除去耐候钢表面的氧化皮，再经过丙酮除油、干燥处理。
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