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鋼結構腐蝕防護現(xiàn)狀和發(fā)展

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    張啟富 郝曉東
    （鋼鐵研究總院新冶集團，北京100081）
    摘要：本文綜述了鋼結構腐蝕與防護發(fā)展現(xiàn)狀，重點闡述了鋼結構大氣腐蝕、局部腐蝕、應力腐蝕的類型和機理，以及鋼結構防腐蝕措施，指出了鋼結構腐蝕防護的發(fā)展方向。
    關鍵詞：鋼結構；腐蝕；防護
    A Review on Corrosion and Protection of Steel Constructions
    Zhang Qifu Hao Xiaodong
    (Central Iron & Steel Research Institute, Beijing100081, China)
    Abstract: This paper summarizes corrosion and protection of steel constructions, stressing on
    principles of atmospheric corrosion, selective corrosion and stress corrosion, also methods of
    corrosion protection and future development of it.
    Keywords: steel construction; corrosion; protection
    1 前言
    據(jù)統(tǒng)計，每年由于腐蝕原因使全球大約損失10%～20%的金屬，約合7000多億美金[1]。若以我國2005年產(chǎn)粗鋼3.494億噸計算，則一年的最低腐蝕量為0.3494億噸，相當于我國一家大型鋼鐵企業(yè)的年產(chǎn)量。同時，我國鋼材消費主要集中在建筑、機械、汽車三大領域，占全部消費量的78%左右，其中建筑業(yè)用鋼量占我國鋼材消費總量的59%以上，2005年的消費量達到1.3924億噸，預計2010年的消費量將會達到1.664億噸，如圖1、2所示。因此建筑用鋼材的金屬腐蝕造成的經(jīng)濟損失尤為巨大。
    　　鋼結構作為建筑業(yè)用鋼量最大的一種施工方式，具有自重輕、抗震性能好、節(jié)能效果好、工業(yè)化程度高等一系列優(yōu)點[2-3]，隨著我國政府對鋼結構行業(yè)的政策從過去限制用鋼到鼓勵合理用鋼的轉變，鋼結構取代鋼筋混凝土或磚混結構作為當代建筑業(yè)的發(fā)展趨勢，具有廣闊的應用空間，鋼結構的防腐蝕問題也隨之變得愈加突出。
    因此，從節(jié)約有限資源和能源的角度出發(fā)，鋼結構防腐蝕對國民經(jīng)濟的發(fā)展顯得尤為重要。本文從介紹鋼結構的腐蝕類型、腐蝕機理和影響因素出發(fā)，重點討論了腐蝕防護技術，并對鋼結構的腐蝕與防護發(fā)展及應用進行了總結。

    2 鋼結構的類型
    按目前通常的分類，鋼結構行業(yè)包括高層鋼結構、輕型鋼結構、空間鋼結構、住宅鋼結構、橋梁鋼結構、公共設施用鋼結構6大子類[2-5]。
    2.1高層鋼結構
    高層鋼結構一般指10層以上或18m以上，主要采用型鋼、鋼板連接或焊接成構件，再經(jīng)連接、焊接而成的結構體系。有專家測算，小高層鋼結構用鋼量可控制在每平方米50公斤以下，其工程造價增幅即可控制在10％左右，但綜合效益十分可觀，并將推進住宅生產(chǎn)經(jīng)營方式的變革，拉動住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而隨著體系化、產(chǎn)業(yè)化水平的提高，性能價格比也會提高，成本將會有所降低。同樣超高層鋼結構體系也具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，符合未來建筑業(yè)的發(fā)展方向。
    2.2 輕鋼結構
    輕型鋼結構是指以彩涂鋼板作為屋面和墻面，以薄壁型鋼作檁條和圈梁，柱與梁以焊接H型鋼為原料，現(xiàn)場用螺栓或焊接拼接的門式剛架為主要結構的一種建筑體系。這種體系由工廠制作，現(xiàn)場按要求拼裝形成，具有以下優(yōu)點：①輕質高強，抗震性能好；②有利于環(huán)保，其回收率接近100%；③材料性能好，結構質量有保證；④工業(yè)化程度高，施工快，有利于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；⑤不可燃、不助燃、不開裂、不生霉菌、不蠕變、少維護、防火性能好。
    2.3空間鋼結構
    空間鋼結構主要是指網(wǎng)架、網(wǎng)殼結構及其組合結構和雜交結構。這是一類受力合理、剛度大、重量輕、桿件單一、制作安裝方便的空間結構體系，在近一二十年來獲得蓬勃發(fā)展，并在大跨度、大柱網(wǎng)的公共和工業(yè)建筑中得到廣泛應用，例如我國國家體育館、北京農(nóng)展館等。
    2.4住宅鋼結構
    近5年以來，以輕型框架和冷彎型鋼骨架為主要承力構件的住宅鋼結構逐漸在國內(nèi)得到認可，由于其易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，標準化制作，而與之相配套的墻體材料可以采用節(jié)能、環(huán)保的新型材料，屬綠色環(huán)保性建筑，可再生重復利用，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，具有綜合經(jīng)濟優(yōu)勢，因此鋼結構體系住宅成套技術的研究成果必將大大促進住宅產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展，直接影響著我國住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平和前途[4]。
    2.5橋梁鋼結構
    研究表明，結構跨度越大，自動在全部載荷中所占比重也就越大，減輕自重可以獲得明顯的經(jīng)濟效果。因此，鋼結構強度高而且質量輕的優(yōu)點對于大跨橋梁特別突出[5]。近十年以來，我國建設的大跨度鋼結構橋梁約20余座，用鋼量很大。隨著人們對于環(huán)保和鋼鐵資源循環(huán)利用等戰(zhàn)略問題重要性越來越準確的認識，鋼結構在橋梁建設方面會有非常廣闊的空間。
    2.6城市交通、環(huán)保等公共設施用鋼結構
    在“八五”、“九五”期間，公路建設迅速，每年增長約3000km，大量的城市交通立交橋、護欄得到廣泛采用，年消耗鋼材約20萬-30萬t。另外，我國內(nèi)地近年來大量建造機場、會展中心、體育中心、文化中心等大型公共建筑，廣泛采用各種形式的支承鋼結構。例如浦東新區(qū)陸家嘴開發(fā)區(qū)的世界廣場就是一座高標準、現(xiàn)代化的綜合商辦樓。其建筑面積約8萬平方米，主體采用全鋼骨結構，并采用輕鋼龍骨石膏板作為內(nèi)隔墻，外墻選用單元體式玻璃幕墻。
    3 鋼結構腐蝕類型和機理
    雖然鋼結構具有多種類型，不同類型又處于不同的腐蝕介質中，但是腐蝕類型歸納起來主要有大氣腐蝕、局部腐蝕和應力腐蝕三種。
    3.1 大氣腐蝕
    鋼結構的大氣腐蝕主要是由空氣中的水和氧氣等的化學和電化學作用引起的，是一種常見的腐蝕現(xiàn)象[1]。大氣中水汽形成金屬表層的電解液層，而空氣中的氧溶于其中作為陰極去極劑，二者與鋼構件形成了一個基本的腐蝕原電池。當大氣腐蝕在鋼構件表面形成銹層后，腐蝕產(chǎn)物會影響大氣腐蝕的電極反應。
    3.2 局部腐蝕
    局部腐蝕是鋼結構最常見的破壞形態(tài)，主要包括電偶腐蝕、縫隙腐蝕。電偶腐蝕主要發(fā)生在鋼結構不同金屬組合或者連接處，其中電位較負的金屬腐蝕速度較大，而電位較正的金屬受到保護，兩種金屬構成了腐蝕原電池。研究表明，接觸金屬的電位差為電偶腐蝕的驅動力，兩種金屬的電極電位差愈大，電偶腐蝕愈嚴重。
    當鋼結構的不同結構件之間、鋼構件與非金屬的表面間存在縫隙，并有介質存在的時候就會發(fā)生局部腐蝕。所以腐蝕發(fā)生的條件：首先應存在一定具備腐蝕條件的縫隙，縫隙中必須有一定的液體；其次構件的縫隙寬度必須窄到可以使得液體在縫內(nèi)停滯，鋼結構的縫隙腐蝕最敏感的縫寬為0.025-0.1mm。鋼結構最常見的縫隙腐蝕形式有鉚接、襯墊和顆粒沉積等，由于這些連接中的縫隙在工程中是不可避免的，所以鋼結構的縫隙腐蝕也是不可完全避免的，它的發(fā)生會導致鋼結構整體強度降低，減少吻合程度。
    3.3 應力腐蝕
    由于鋼結構既要承受拉伸、壓縮、彎曲和扭轉等各種應力的作用，又要受到腐蝕介質的作用，所以其采用的低碳鋼、低合金鋼、高強鋼等在水介質、CO-CO2-H2O中極易發(fā)生應力腐蝕。在腐蝕環(huán)境中，鋼結構受力作用會使腐蝕加速，即在某一特定的介質中，鋼結構不受到應力作用時腐蝕甚微，但是受到拉伸應力后，經(jīng)過一段時間構件會發(fā)生突然斷裂。由于這種應力腐蝕斷裂事先沒有明顯的征兆，所以往往造成災難性后果，如橋梁坍塌、管道泄漏、建筑物倒塌等，帶來巨大的經(jīng)濟和人員傷亡。
    鋼結構應力腐蝕主要受到力學、電化學、構件材料三個方面的影響。環(huán)境因素和構件材料通過影響鋼結構腐蝕的電化學行為決定了裂紋的形核、長大，并在應力的作用下導致構件失穩(wěn)斷裂。同時力學行為也受到構件材料和應力因素的影響，其對于裂紋的不同成長階段都具有一定作用，并最終與電化學行為一同決定了構件的失穩(wěn)斷裂。
    4 鋼結構防腐蝕措施
    在深入研究鋼結構類型的基礎上，針對鋼結構腐蝕的類型和機理，腐蝕保護的措施主要包括三個方面：提高基材的耐蝕性能；使用有機、無機涂層和金屬鍍層；外加電流。
    4.1耐候鋼
    耐腐蝕性能優(yōu)于一般結構用鋼的鋼材稱為耐候鋼，其最早開發(fā)于20世紀初，最初發(fā)現(xiàn)的是銅（0.008%-0.49%）和磷（0.01%-0.12%）對鋼的耐蝕性的顯著效果[6]，以后就出現(xiàn)了著名的Corten鋼和世界各國的耐大氣腐蝕鋼。工程實踐中，耐候鋼不涂裝就可以使用，是極好的結構用材，并且可以將鋼結構（如橋梁）壽命期內(nèi)的總費用降到最低。在日本，耐候鋼自60年代后期首次在橋梁上應用之后，迄今應用越來越多，在所有鋼橋中其應用率已有5%～7%的水平。在美國，則大約高達45%的橋梁應用了耐候鋼。例如New River Gorge Bridge，跨度為518ｍ，共動用1.9萬噸耐候鋼制作，裸露使用情況良好；East of Centralia Bridge，裸露使用8年，仍處于良好狀態(tài)；美國芝加哥標志性建筑Chicago Civic Center，外層采用裸露耐候鋼制作，使用情況良好。
    目前，我國現(xiàn)行生產(chǎn)的這類鋼分為高耐候結構鋼和焊接結構用耐候鋼兩類。高耐候結構鋼耐腐蝕性要優(yōu)于焊接結構鋼，其按化學成分可以分為銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼，有Q295GNH、Q295GNHL、Q345GNH、Q345GNHL、Q390GNH五種牌號。焊接結構用耐候鋼以保持鋼材具有良好的焊接性能為特點，其適用厚度可達100mm[2，3]。
    銹層的截面在偏光顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，耐候鋼銹層呈現(xiàn)連續(xù)、致密的堅硬內(nèi)銹層，而普碳鋼呈現(xiàn)出不連續(xù)、疏松并有裂紋的銹層。從掃描電鏡的照片（圖3）可以看出，耐候鋼銹層的斷口形貌晶化程度比普碳鋼的銹層差，但顆粒均勻細化；普碳鋼的銹層結晶完整，顆粒較大，并有疏松和孔洞。研究表明，耐候鋼中添加的Cu、P等元素會產(chǎn)生富集，內(nèi)銹層形成的結晶程度降低、晶粒細化的Fe3O4連續(xù)致密銹層，它幾乎能將陽極活性點覆蓋起來。這層接近于非靜態(tài)的穩(wěn)定銹層，能阻礙有腐蝕性的氣氛和介質向基體滲透，使氧在銹層中擴散反應速度慢，而且也抑制了陽極過程。在裂紋與缺陷的部位，由于合金元素富聚較多，使得該部位的電位由負變正，因而起到自身修補的作用。

    4.2熱浸鍍鋅技術
    鋼結構熱浸鍍鋅是將表面凈化處理后的鋼構件浸入460℃-469℃左右融化的鋅液中，使鋼構件表面附著鋅層，其厚度對5mm以下薄板不得小于65μm，對厚板不小于86μm。鋼結構件采用這種保護方式具有耐蝕性好，使用壽命長，且基本不用維護等優(yōu)點，因而其應用越來越廣泛。目前，天線鋼結構件表面防護、廣播電視塔、輸電鐵架、城市交通標識桿、高速公路護欄、鋼結構橋梁、礦井支架等均大量使用熱鍍鋅鋼結構件。熱鍍鋅的機理是在鋼結構件表面形成一層致密的鋅的鍍層，主要包括Γ(Fe5Zn21)、δ1、ζ和η等相。熱浸鍍鋅時，最先形成Zn在α鐵中的固溶體，達到飽和后通過元素的擴散作用形成Γ相。然后Fe以擴散形式通過Γ層，形成含F(xiàn)e更少的δ1、ζ和η相，使得金屬鋅與基體具有良好的附著強度。
    熱鍍鋅鋼結構設計者和制造者應該注意以下要點：①對原料的表面處理，熱浸鋅的首道工序是酸洗除銹，然后是清洗。這兩道工序不徹底均會給防腐蝕留下隱患，必須處理徹底；②需焊接的結構件必須注意清理鍍鋅過程的酸液從不焊接的部分向內(nèi)部滲透，同時也需清理焊接時產(chǎn)生的飛濺物。另外，為防止產(chǎn)生難于清理的焊接熔渣，最好選擇鈦鐵型焊條，或涂上飛濺物附著防止劑，然后再焊接；③構件形狀復雜時，容易造成變形和破損，應當分成多個簡單部件，分別進行鍍鋅，然后用螺栓連接為好。斷面封閉的鋼構件應當在兩端留有開口以便鋅液流入內(nèi)部或從內(nèi)部流出；④鑄件由于其表面附著有型砂等硅酸鹽雜質，進行鍍鋅前必須經(jīng)過噴砂處理。同時，設計的鑄件形狀需要無噴砂死角、厚度均勻；⑤最后鋼結構設計者要考慮鍍鋅前后機械強度的變化及鍍鋅后鋼結構件的再處理等問題。
    4.3有機涂層鋼板技術
    有機涂層鋼板（即彩涂板）具有輕質、美觀等特點及良好的耐腐蝕性能和物理屏障性能，良好的彎、壓等可加工性，同時又具有造型可隨意性和可回收性[7]，因而在鋼結構領域越來越被廣泛應用，市場前景十分廣闊。彩涂板主要有聚酯、硅改性聚酯、環(huán)氧樹脂、氟碳、丙烯酸樹脂、塑料溶膠和家電聚酯及表面貼膜、壓花等產(chǎn)品，用于生產(chǎn)瓦楞板、夾心板、門窗等。住宅和門窗需要的彩板厚度規(guī)格為0.7mm和0.8mm兩種；活動房和廠房需要的彩板厚度規(guī)格為0.4mm、0.5mm、0.6mm等。從市場需求看，2003年我國共消費彩涂板242萬噸，其中進口110萬噸，占消費的比重為45.5％；2004年消費彩涂板245萬噸，其中進口49萬噸，占消費的比重減少到20.2％。預計2010年彩涂板總需求量約900萬噸。消費彩板中約95%用于建筑上，其中鋼結構用占很大一部分[8]。
    在工業(yè)建筑中，有機涂層鋼板的應用，形成了輕型鋼結構體系。與傳統(tǒng)建材相比，有機涂層鋼板有著突出的優(yōu)點：①每平方米鋼結構覆蓋用材特別輕，一般為6-12kg/m2；②減少了建筑結構的用材量，建筑物承重可采用輕型結構；③減少施工工序和施工工作量；④有利于抗震；⑤它可以集保溫、隔熱、防水、裝修為一體，一般不用作防水層和裝飾層。
    遵循節(jié)能、降耗、高效的方針，鋼結構用彩涂板發(fā)展的方向為開發(fā)高耐蝕性、高成型性、高強度彩涂鋼，研究具有自潤滑功能、抗菌功能等的特殊性能彩涂板。比如應用高性能聚酯為原料，對一般的聚酯、聚偏氟乙烯(PVDF)和塑料溶膠等涂料系統(tǒng)進行改良，從而獲得超級顏色重現(xiàn)性，更好的抗紫外線、抗SO2、抗污染性，提高抗腐蝕性、抗劃傷性， 以獲得超級耐環(huán)境腐蝕性能。另外，國外近年還推薦使用水基液態(tài)涂料，以改善環(huán)保[9]。
    4.4 防腐涂料技術
    據(jù)統(tǒng)計，2004年我國防腐涂料總產(chǎn)量近60萬噸，銷售額超過130億人民幣，估計到2010年，其產(chǎn)量將突破100萬噸大關，其中鋼結構防腐用涂料占很大一部分。防腐涂料作為鋼結構最常用的防腐蝕原料，具有一次成本低、工藝簡單、場地要求不嚴格等優(yōu)點，但是其防腐蝕性一般不如長效防腐蝕技術，用于戶外時維護成本偏高。
    該技術的關鍵是除銹和涂料的選擇。優(yōu)質的涂層依賴于徹底的表面預處理，在相同的涂層防護條件下有效期涂層的使用壽命相差將近一半。因此一般多用噴砂噴丸除銹，鋼構件表面必須露出金屬的光澤，并且除去所有的銹跡和油污，現(xiàn)場施工的涂層可用手工除銹。選擇涂料應考慮鋼構件表面的預處理情況、最終外觀（光澤或者顏色）、單層還是多層涂裝、使用溫度、表面現(xiàn)狀及其類型等。
    防腐涂料未來發(fā)展主要呈現(xiàn)以下趨勢：①遵循環(huán)境友好方針，進行無公害或低公害防腐蝕涂料的開發(fā)與應用；②降低防腐涂料的使用成本，開發(fā)適用于不同地域、不同環(huán)境的高性能多用途的防腐涂料；③降低涂料對于鋼結構表面粗糙度和清潔度的要求，開發(fā)低處理表面用防腐底漆；④解決不同的涂料之間有相容的問題，提高前后選用不同涂料時的相容性等。目前國內(nèi)已經(jīng)開始在鐵路橋梁用漆上進行了嘗試，由過去大多用紅丹底漆逐漸向高性能富鋅底漆、特別是高模數(shù)硅酸鉀IC531為基礎的水性硅酸鋅加環(huán)氧中間層和聚氨酯面漆配套過渡，或者以高性能環(huán)氧為基礎的其它品種配套。
    4.5熱噴涂防腐技術
    熱噴涂是在對鋼構件表面作噴砂除銹，使其表面露出金屬光澤并打毛的基礎上，采用燃燒火焰、電弧等作為熱源，將噴涂材料加熱到塑態(tài)和熔融狀態(tài)，并用壓縮空氣將材料呈霧化的顆粒束吹附到基體表面上，隨之激冷并不斷層積而形成涂層的工藝方法。這種工藝的優(yōu)點是對構件尺寸適應性強，構件形狀尺寸幾乎不受限制，同時其熱影響區(qū)是局部的，熱變形較小，但是表面噴涂質量受人為因素、環(huán)境因素影響大。
    該防腐技術是保護鋼構件的一種非常有效的方式，尤其是鍍液為鋅的時候。近幾年來，在水工鋼閘門上得到了廣泛的推廣與應用。一些水閘、水庫、水電站、揚水站及船閘鋼門上的鋅鍍層經(jīng)受了淡水、海水以及工業(yè)污水的考驗，都顯示了良好的效果[10]。例如，長江三峽大橋樞紐工程中的下牢溪大橋和黃柏河大橋均采用了熱噴涂長效防腐蝕技術。另外，2001年中國首條磁懸浮列車的軌道梁采用了電弧噴涂稀土鋁合金（Ac鋁）復合涂層進行防腐處理，取得了良好的防護效果[11]。
    熱噴鍍技術作為長效防腐蝕措施，重點強調在產(chǎn)品設計和制作中采用鍍鋅、噴鋁復合涂層進行長效防護，已成功應用領域遍及國民經(jīng)濟的各個部門。目前研究主要集中在鋼結構用新型耐蝕用噴涂材料，電弧噴涂大截面線材，新型噴涂設備等方面，同時制作與完善熱噴涂標準，建立翔實的噴涂數(shù)據(jù)庫[12]。
    4.6陰極保護技術
    對于需要在水下或地下使用的鋼結構，一般采用陰極保護的防腐蝕方式，共分外加電流式和犧牲陽極式兩種形式：外加電流措施是對于裸露的鋼構件實施外加電流，需要消耗大量的保護電能，這對于整個系統(tǒng)是不經(jīng)濟的[13]；犧牲陽極措施主要利用比鋼材的電位更負的金屬和合金制成犧牲性的陽極，從而使鋼結構本身免遭腐蝕。研究表明，陰極保護技術是海工鋼結構行之有效的防腐蝕措施，經(jīng)采取該措施后的鋼結構腐蝕速度可大大減少，僅為未保護鋼結構的5%～10%。
    我國在海工鋼結構中大量采用了陰極保護技術。例如天津港南疆石化碼頭鋼管樁的2號墩改建工程及最近的三突堤碼頭改建工程，集裝箱公司27號泊位改造工程鋼管樁防腐蝕中，均采用了犧牲陽極法陰極保護，具有施工簡便、工期短、不需專人維護管理等優(yōu)點，有效地抑制了鋼構件的腐蝕，保護率達90% 以上，取得了良好的效益[14]。
    國內(nèi)在大型鋼結構實施時，陰極保護技術常與涂料保護聯(lián)合應用。外加電流從根本上保證防止鋼結構腐蝕，涂料保證在覆蓋裸露的鋼鐵表面，將保護電流降低到最小的程度，二者相輔相成。但是，由于鋼構件所處水質變化范圍較大、水污染日趨嚴重，如何保證防腐的質量成為陰極保護的技術難點。
    5 結語
    鋼結構以其優(yōu)良的物理、機械及施工性能，在國內(nèi)的工程中得到了越來越廣泛的應用，但是鋼結構腐蝕不僅會造成金屬資源的巨大浪費，還會影響正常的生產(chǎn)運營。因此，通過建筑行業(yè)和腐蝕行業(yè)相聯(lián)合，在深入研究鋼結構大氣腐蝕、局部腐蝕、應力腐蝕類型和機理的基礎上，積極開發(fā)新的防腐蝕措施，必將會在未來的鋼結構防腐工程中發(fā)揮更大的作用。

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