采用涂锈层稳定剂与水处理(84d)相结合的技术对Q500qENH耐候桥梁钢试样进行锈层稳定化处理，研究了试样表面锈层的微观形貌、物相组成和形成机理。结果表明：涂锈层稳定剂的耐候桥梁钢试样在水处理初期其表面腐蚀均匀，后期形成的锈层致密性较好且内部无明显裂纹；经过84d水处理后，涂锈层稳定剂和未涂锈层稳定剂的试样表面锈层主要均由α-FeOOH、γ-FeOOH和少量Fe3O4组成，α-FeOOH与γ-FeOOH的质量比分别为2.77和1.85，涂锈层稳定剂试样表面优先形成稳定锈层；锈层稳定剂可使耐候桥梁钢快速形成一层均匀的锈层，并加快锈层初始相γ-FeOOH的生成和转化，提高锈层稳定相α-FeOOH的含量，促进稳定锈层生成，缩短锈层稳定化周期。
1、试样制备与试验方法
试验材料为某钢厂生产的30mm厚Q500qENH耐候桥梁钢板，耐大气腐蚀性指数I达到6.62，均满足GB/T 714—2015标准要求。在试验钢板的上下表面取样，保留一个轧制表面，试样尺寸为100mm×50mm×5mm，其中长度方向为钢板轧制方向。对试样表面进行喷砂处理，使其表面状态接近桥面实际使用状态，处理后表面无氧化皮、污垢、腐蚀物等其他杂质。
采用涂锈层稳定剂与水处理相结合的方式对试验钢进行锈层稳定化处理。所使用的锈层稳定剂组成(质量分数)为0.5%~1.5%硫酸铜、0.5%~1.5%硫酸镍、2%~3%磷酸钾、4%~5%钼酸钠、1%~2%植酸，其中硫酸铜和硫酸镍为促进剂，磷酸钾和钼酸钠为缓蚀剂，植酸为钝化剂。将配制好的锈层稳定剂均匀地刷涂在试样表面，待试样表面自然干燥后，与未涂锈层稳定剂的试样一起，在工业大气环境中以挂片暴晒和喷淋的方式进行水处理(该过程也称为腐蚀)。试样架朝南，保证光照时间充裕，挂片不受遮挡，每日15时至16时喷淋一次，保证喷淋均匀，遇到雨水天气则不需要喷淋，连续喷淋56d后，放置28d，总周期为84d，其中试验用水为自来水，试验时白天平均温度约为30 ℃。观察水处理7，21，56，84d后试样表面锈层宏观形貌，并取样(尺寸为10mm×10mm×5mm)，使用场发射扫描电镜(SEM)观察锈层表面和截面微观形貌，表面微观形貌观察时试样不做处理，截面微观形貌观察时试样需进行镶样、研磨、抛光处理。将锈层刮下，研磨成粉，使用X射线衍射仪(XRD)进行物相分析及半定量计算。
2、试验结果与讨论
2.1 锈层表面宏观形貌
由图1可见，随着水处理时间的延长，涂锈层稳定剂试样的表面锈层颜色逐渐加深，锈层致密性逐渐提高。水处理21d后，锈层颜色为浅黄色，锈层表面较为疏松；水处理56d后，锈层颜色为黄褐色，锈层表面较为致密，可见颗粒状的锈胞均匀地堆垛在表面上；水处理84d后，锈层颜色为红褐色，锈层表面更为致密，堆垛在表面上的锈胞颗粒变得更加细小紧凑。与未涂锈层稳定剂试样表面锈层的宏观形貌对比发现：水处理7，21d时，涂锈层稳定剂的试样表面腐蚀均匀，未出现锈液流挂和飞散现象，而未涂锈层稳定剂的试样表面出现腐蚀不均匀及锈液流挂和飞散现象，水处理初期二者的锈层宏观形貌差异较大；水处理56，84d时，涂锈层稳定剂试样的表面锈层比未涂锈层稳定剂的锈层更均匀致密，除此之外,二者宏观形貌相差较小。由此可见，在相同的水处理条件下，锈层稳定剂可有效避免试验钢在表面锈层形成初期出现锈液流挂和飞散现象，同时有助于加速形成致密锈层。
2.2 锈层表面微观形貌
由图2可见：涂锈层稳定剂的试样在水处理7d后，其表面已形成一层均匀完整的锈层，锈层中生成少量针片状腐蚀产物，并存在大量的裂纹和孔洞；水处理21d后，锈层中出现大量针片状腐蚀产物，同时伴有少量团絮状腐蚀产物生成，裂纹和孔洞减少；水处理56d后，锈层中的针片状腐蚀产物已逐渐转化为团絮状腐蚀产物，晶体团间堆垛紧凑，裂纹和孔洞进一步减少；水处理84d后，锈层中的团絮状腐蚀产物被进一步细化，晶体团间堆垛致密，只存在少量的微裂纹。未涂锈层稳定剂的试样在水处理7d后，其表面未形成均匀完整的锈层，锈层表面凹凸不平，存在大量的裂纹和孔洞；随着水处理时间的延长，未涂锈层稳定剂试样与涂锈层稳定剂试样一样，其锈层中不断生成针片状腐蚀产物，并逐渐转化为团絮状腐蚀产物，且逐渐发生细化，锈层中的裂纹和孔洞逐渐减少。
经过84d水处理后，涂锈层稳定剂和未涂锈层稳定剂试样的表面锈层均由α-FeOOH、γ-FeOOH和少量Fe3O4组成，如图3所示。结合图2和图3分析可知：试样表面锈层中的针片状腐蚀产物为初始相γ-FeOOH，团絮状腐蚀产物为稳定相α-FeOOH。γ-FeOOH稳定性差，水处理过程中容易向其他腐蚀产物转变，不具有保护性；α-FeOOH稳定性好，不易再反应形成别的物质，具有良好的致密性和附着力。在相同的水处理时间下，未涂锈层稳定剂的试样与涂锈层稳定剂的试样相比，其表面锈层中γ-FeOOH腐蚀产物的转化速率较慢，导致锈层中裂纹和孔洞的修复愈合速率也较慢，因此水处理84d后的锈层不够平整致密。
2.3 锈层截面微观形貌
由图4可见，涂锈层稳定剂试样表面形成的锈层致密性较好，锈层内部无明显裂纹，内外锈层颗粒间堆垛紧实，其中靠近基体的内锈层平整光滑，几乎看不见孔洞，与基体结合得很好；未涂锈层稳定剂试样表面所形成的锈层致密性较差，锈层内部存在许多纵横交错的裂纹，个别裂纹甚至贯穿整个锈层内部，内外锈层颗粒间堆垛松散，存在较多狭缝和孔洞。这表明在相同的水处理条件下，锈层稳定剂可加速修复和愈合水处理初期产生的裂纹和孔洞，提高锈层的致密性。致密锈层的存在可以有效阻止腐蚀性离子向钢基体内部渗透，起到保护基体的作用。
2.4 锈层稳定化分析
研究表明，锈层各物相因稳定性不同而对耐候钢的保护能力各异。对于工业大气环境，YAMASHITA等以传统的XRD方法检测耐候钢锈层的物相，发现随着水处理时间的延长，α-FeOOH与γ-FeOOH的质量比逐渐增大，腐蚀速率逐渐降低，并认为α-FeOOH与γ-FeOOH质量比大于2时锈层达到稳定，具备保护钢基体的能力。
由图5计算得出，经过84d水处理后，涂锈层稳定剂和未涂锈层稳定剂形成的锈层中的α-FeOOH与γ-FeOOH的质量比分别为2.77和1.85。涂锈层稳定剂试样表面锈层中的α-FeOOH与γ-FeOOH的质量比大于2，根据文献，锈层达到稳定，具备保护钢基体的能力。可见在相同的水处理条件下，锈层稳定剂可加快锈层中初始相γ-FeOOH向稳定相α-FeOOH的转化，提高锈层中稳定相α-FeOOH的含量，从而加快具有良好稳定性和致密性的保护性锈层的生成。
3、结 论
(1) 未涂锈层稳定剂的Q500qENH耐候桥梁钢在水处理初期其表面出现腐蚀不均匀及锈液流挂和飞散现象，水处理后期形成的锈层致密性较差并存在许多纵横交错的裂纹；涂锈层稳定剂的Q500qENH耐候桥梁钢在水处理初期其表面腐蚀均匀，水处理后期形成的锈层致密性较好且内部无明显裂纹。
(2) 经过84d水处理后，涂锈层稳定剂和未涂锈层稳定剂的Q500qENH耐候桥梁钢表面锈层均由α-FeOOH、γ-FeOOH和少量Fe3O4组成，α-FeOOH与γ-FeOOH的质量比分别为2.77和1.85，涂锈层稳定剂的耐候桥梁钢优先形成稳定锈层。
(3) 采用涂锈层稳定剂与水处理相结合的锈层稳定化处理技术可使耐候桥梁钢在水处理初期快速形成一层均匀的锈层，并加快锈层初始相γ-FeOOH的生成和转化，提高锈层稳定相α-FeOOH的含量，促进稳定锈层生成，缩短锈层稳定化周期。
