美国耐候钢桥梁调研报告-交通运输部桥梁耐候钢性能.pdf

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资源描述
德克萨斯州交通运输部(德克萨斯州交通运输部(TxDOT)桥梁耐候钢性能)桥梁耐候钢性能 德克萨斯州交通运输部研究项目德克萨斯州交通运输部研究项目 项目项目 0-1818 TxDOT 结构中耐候钢的使用结构中耐候钢的使用 Bashar McDad David C.Laffrey Mickey Dammann Ronald D. Medlock, P.E. 2000 年年 6 月月 2 日日 北京创氪材料-耐候钢一站式专业服务 免责声明免责声明 本报告由北京创氪材料科技有限公司翻译。 本报告内容为作者观点, 作者为本报告中的事实和数据准确性负责。 内容不一定反映德 克萨斯州交通运输部的官方观点或政策。本报告不含任何标准、规范或规定。 Jon Holt, PE. 北京创氪材料科技有限公司简介北京创氪材料科技有限公司简介 北京创氪材料科技有限公司,于 2012 年由中国国际科技促进会发起,会同北京科技大 学科研团队相关成员成立的高新科技企业。 公司以推动我国耐候钢及其防腐蚀的研发和升级 为宗旨。公司品牌为北科耐候(网址:) 。北科耐候团队的科研人员 35% 以上拥有博士以上学历,并在此领域有 10 年以上的相关研究经历,目前拥有两项国家发明 专利。 “创氪”作为国内最专业的“耐候钢一站式服务”机构,致力于耐候钢钢结构设计、 咨询、钢材选择和采购、加工、表面锈蚀处理等专家级服务。耐候钢表面处理技术应用于国 家电网和平顶堡大桥等项目,且该技术已在我国西北地区获得大力推广。2015 年 9 月,北 科耐候的科研团队及技术曾被中国光华科技基金会作为优秀创新创业项目向苏州、 张家港等 地做重点推荐和推广。“创氪” 在未来会本着科学严谨的态度, 加大耐候钢相关技术的研发, 推动耐候钢在国内的应用,为节能减排的科研创新事业做出巨大贡献。 北京创氪材料-耐候钢一站式专业服务 致谢致谢 作者向休斯顿区项目总监 Jon Holt, P.E.、德克萨斯州钢铁质量委员会、TxDOT 设计部门的 桥梁检测与鉴定(BRINSAP)和桥梁设计科、所有 TxDOT 区以及 TxDOT 工程处的建设/ 维护部门和材料部门表示感谢。 北京创氪材料-耐候钢一站式专业服务 目录目录 第第 1 章章 简介简介 1 研究问题声明 保护性保护性锈层锈层形成(风化)过程形成(风化)过程 1 耐候钢历史耐候钢历史 2 早期应用 2 建筑应用 2 输电杆塔 3 护栏 3 桥梁结构中耐候钢的历史经验桥梁结构中耐候钢的历史经验 3 美国 3 爱达荷 6 路易斯安那州 7 密歇根 8 其他国家 9 第第 2 章章 研究任务研究任务 11 目标 11 活动 11 实施 12 第第 3 章章 任务成果和分析任务成果和分析 13 TxDOT 调查 13 谁决定使用耐候钢 13 其它发现 13 TxDOT 钢桥清单数据 14 天气状况 17 TxDOT 桥现场检查 17 保护性锈层 17 详情 17 耐候钢厚度测量值 18 锈层样本化学分析 20 取样和地点 20 检验结果 20 氯化物表面测试 20 耐候钢制备和清理 21 TxDOT 喷砂清理规范 21 SSPC 喷砂清理规范 22 经济分析 25 国家耐候钢调查 26 第第 4 章章 耐候钢耐候钢染色染色 27 问题 27 问题来源 27 防止或最小化染色的方法 28 防止或最小化设计阶段的染色 28 控制染色的主要方法 28 北京创氪材料-耐候钢一站式专业服务 滴流盘 28 滴流板 32 控制染色的次级方法 35 水槽 35 接头折减 35 止水缝 36 倾斜桥台、桥墩细节和排水沟 37 防止或最小化制造阶段的染色 38 防止或最小化施工阶段的染色 39 防止或最小化结构服务中的染色 40 滴流盘和滴流板的改装 40 涂层 43 防止或最小化检查和维护过程中的染色 43 检查 43 维护 44 其他染色 44 混凝土污染移除 45 第第 5 章章 结论与建议结论与建议 47 观测总结 47 保护性锈层的出现 47 染色 49 详情 49 使用厚度测量值评估耐候钢性能 51 结论 52 建议 52 设计 52 制造和建设 53 配套措施 53 服务 54 何时不使用耐候钢 54 推荐的未来研究 54 参考文献参考文献 55 附录附录 57 A-密歇根耐候钢护栏经验 59 B-原始调查表格副本 63 C-BRINSAP 耐候钢桥梁清单 67 D-国家气象服务表 73 E-TxDOT 桥现场检查 81 F-SSPC 数据 93 北京创氪材料-耐候钢一站式专业服务 表目录表目录 表 1-1 国家交通运输部不再使用耐候钢 5 表 1-2 提高耐候钢性能的方法 6 表 3-1 TxDOT 区耐候钢批准数据 14 表 3-2 TxDOT 耐候钢使用数据 14 表 3-3 BRINSAP 桥梁上部结构状态评级准则 15 表 3-4 TxDOT 耐候钢桥梁状态评级 16 表 3-5 TxDOT 耐候钢桥梁评级分布 16 表 3-6 桥梁钢板厚度测量值(UT) 19 北京创氪材料-耐候钢一站式专业服务 第第 1 章章-前言前言 研究问题声明研究问题声明 在桥梁中使用耐候钢材料会在提高耐用性和降低建设和维护成本方面为TxDOT提供大 量潜在优点。 然而,在 TxDOT 中也有关于材料性能到底有多好的不同观点。一些观点认为耐候钢材 料在大多数环境下性能很好, 其他观点则认为该材料根本没有用处, 但这两种观点都几乎没 有科学根据。本研究的目的在于以 TxDOT 耐候钢桥梁现场评估为基础,确定耐候钢在什么 环境(如有)下性能很好,并为实现这些桥梁的良好性能提供建议。 保护性保护性锈层锈层形成(形成(稳定化稳定化)过程)过程 存在水分时,钢铁和氧气通常会结合并形成锈层。在大多数碳素钢上,锈层形成一种松 散的晶体结构,使更多水和空气进入并腐蚀钢铁深处,从而形成更多锈层并削弱基底金属。 然而,耐候钢在裸露成熟状态下具有一层独一无二的锈层,有时称其为“铜绿”。将该层 称为“保护性锈层”更为合适,其厚度等于一层厚涂漆的厚度。保护性锈层紧紧附着于耐候钢 上,颗粒细腻且密集,相对不受进一步大气腐蚀的影响,从而密封基底金属使其不受空气和 进一步腐蚀。比起碳素钢上的锈层来说,按照结构年龄、空气污染物、当地天气状况或结构 中钢铁的位置,保护性锈层从暗红褐色到紫灰色,呈不同颜色。 4. 保护性锈层的外表、质地、成熟度和预期效用取决于几个因素。主要因素为服役年限、 暴露程度和环境4: 锈层从锈橘红色变为暗紫褐色需要一段时间。 随着涂层的成熟, 中度锈蚀质地会变 得更加明显。根据其他因素,这一稳定化过程会持续延长一段时间。 暴露程度对稳定化过程有强烈的影响。 暴露于雨水、 太阳和风中的钢铁比掩蔽场所 的钢铁稳定化速度更快。掩蔽表面的氧化物更加粗糙、稀疏和不统一。 降雨和/或露水以及风和阳光造成的频繁干湿循环是影响保护性锈层形成的重要因 素4,6。通常在中度工业环境中,耐候钢成熟速度最快并达到最暗色调。 在农村地区,保护性锈层发育地更慢且通常色调更浅4。 耐候钢历史耐候钢历史 首次记录耐候钢的使用过程是在美国革命战争期间, 那时制枪匠用一层薄薄的氧化铁保 护步枪和手枪管的表面。 被称作“褐变”的这一过程涉及到使用化学品处理暴露的钢铁表面以形成一层耐腐蚀层。 耐候钢的发展工作在本质上是循序渐进的,且一部分源于 D.M.Buck 对含铜钢的创始工 作。D.M.Buck 在 1910 年报告称,含有 0.2%铜(Cu)的碳素钢的耐大气腐蚀性是含有残留 铜1的碳素钢的1.5到4倍。 重度工业大气中发现了最显著的区别。 农村大气中的改善最小。 各研究者的后续研究指出了含有 2%或更少的某种常见合金元素的有益效果。磷(P) 、 硅(Si) 、镍(Ni)和铬(Cr)似乎能够为碳素钢1提供耐大气腐蚀性。 早期应用早期应用 耐候钢的首次重大商业应用是在 1933 年被用于建造煤炭漏斗车。 将这些车的外部涂漆。 耐候钢性能更优越,使用期限高达 25 年的车几乎没有出现腐蚀性恶化。 第一次在建筑中使用板材是在 1939 年, 在公路桥中使用是在 1935 年, 在河流驳船中使 用是在 1937 年。 从二十世纪四十年代早期开始,在美国材料与试验协会(ASTM)的赞助下开展了广泛 的大气腐蚀研究。这些研究肯定了总量为 2%到 3%的单一或组合 Cu、Cr、Si、P 和 Ni 元素 对暴露于各种大气 (包括干旱、 农村、 工业和海洋环境) 中的低合金钢腐蚀作用的有益效果。 从而确立了最初的 ASTM A242“耐候钢”。 建筑应用建筑应用 北京创氪材料-耐候钢一站式专业服务 获得公众对耐候钢出现认可的首要举措出现在 1956 年,建筑师 Eero Saarinen 选择了耐 候钢作为约翰迪尔公司和伊利诺斯州莫林市公司行政大楼的建筑材料。 然而, 直到二十世纪 五十年代后期,高强度/低合金钢才得到了开发并引起了建筑工业的兴趣。从那时起,耐候 钢就被用于其他著名建筑,包括芝加哥市政府中心和宾夕法尼亚州匹兹堡的 64 层 USX 塔。 随后,建造了数以百计的未上漆建筑。 输电杆塔输电杆塔 耐候钢在电力传输塔中的第一次测试应用是在二十世纪六十年代的印第安纳州盖瑞的 美国钢铁公司工厂和印第安纳州勃恩港的伯利恒钢铁公司工厂。 由于必须断电来保证安全上 漆,所以为电力传输塔上漆既昂贵又不方便。因此,这些早期耐候钢应用开发了一个大型市 场。弗吉尼亚电力和照明公司拥有 8000 多个耐候钢塔,性能令人满意且服务时间长达 25 年1。 护栏护栏 在二十世纪六十年代早期,密歇根州就开始将未上漆耐候钢用作护栏(WSG) 。1978 年对这一应用的粗略调查显示搭接接头受到腐蚀产物的内部压力而向外膨胀。 超声测厚仪测 量值结果表明,接头的一些部分的厚度最多比其原有厚度减少 40%。15 年后,农村/城市地 区的耐候钢护栏厚度减少了 20%。仅 4 年后8,“隧道”高速公路上更具腐蚀性的环境使耐 候钢护栏的厚度减少了 11%。 本研究的细节见附件 A。 鉴于耐候钢护栏在高度腐蚀性环境中 的厚度折减四倍以上,因此认为该材料不适合“隧道”高速公路和其他高度腐蚀性的环境。 桥梁结构中耐候钢的历史经验桥梁结构中耐候钢的历史经验 耐候钢在建筑施工和传输塔的成功应用使人们考虑将其用于桥梁来避免涂漆以及交通 流量导致的重新涂漆的后续干扰。由于这些原因,在二十世纪六十年代中期,桥梁成为了无 涂层耐候钢的最大市场。 美国美国 1964 年在纽泽西收费高速公路上建造了第一座耐候钢桥梁。不久,在爱荷华州和俄亥 俄州建造了耐候钢桥梁, 其他州紧随其后也建造了耐候钢桥梁。 纽泽西对该桥梁的性能感到 满意2。 在 1965 年初,密歇根公路管理处(今密歇根运输部MiDOT)开始在底特律的 10 号美 国国道上的八英里大道十字路口建造四座无涂层耐候钢桥梁5。 MiDOT 使用无涂层钢做 出重要贡献是在 1970 年。然而,密歇根发现该材料性能不好,尤其是在底特律大都市区。 该材料在底特律的性能表现并不好,这导致当时领先使用耐候钢的密歇根州在 1979 年宣布 暂停将耐候钢用于公路桥梁。1980 年,MiDOT 对其桥梁进行广泛评估之后,禁止在所有州 公路系统使用未涂漆的耐候钢。MiDOT 发现交通喷洒出的被盐污染的径流水严重腐蚀农村 和城市地区的桥梁。MiDOT 建议对所有耐候钢桥梁结构6进行涂漆维护。 其他州都没有完全禁止使用耐候钢, 但很多州开始怀疑耐候钢对公路桥梁建设的适用性。 对无涂层钢桥梁长期性能的关注使美国钢铁协会(AISI)在 1982 年15组织了调查专案小 组。该专案小组检查了位于伊利诺斯州、马里兰州、密歇根州、纽约州、北卡罗来纳州、威 斯康辛州、纽泽西州的 49 座耐候钢桥梁,并在三段式报告中展示了调查结果。他们发现在 所有地区中,30%的受调查桥梁性能良好;一些地区中,58%的受调查桥梁呈现中度腐蚀; 一些地区中,12%的受调查桥梁呈现重度
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