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钢结构腐蚀防护现状和发展

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    张启富 郝晓东
    （钢铁研究总院新冶集团，北京100081）
    摘要：本文综述了钢结构腐蚀与防护发展现状，重点阐述了钢结构大气腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀的类型和机理，以及钢结构防腐蚀措施，指出了钢结构腐蚀防护的发展方向。
    关键词：钢结构；腐蚀；防护
    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
    据统计，每年由于腐蚀原因使全球大约损失10%～20%的金属，约合7000多亿美金[1]。若以我国2005年产粗钢3.494亿吨计算，则一年的最低腐蚀量为0.3494亿吨，相当于我国一家大型钢铁企业的年产量。同时，我国钢材消费主要集中在建筑、机械、汽车三大领域，占全部消费量的78%左右，其中建筑业用钢量占我国钢材消费总量的59%以上，2005年的消费量达到1.3924亿吨，预计2010年的消费量将会达到1.664亿吨，如图1、2所示。因此建筑用钢材的金属腐蚀造成的经济损失尤为巨大。
    　　钢结构作为建筑业用钢量最大的一种施工方式，具有自重轻、抗震性能好、节能效果好、工业化程度高等一系列优点[2-3]，随着我国政府对钢结构行业的政策从过去限制用钢到鼓励合理用钢的转变，钢结构取代钢筋混凝土或砖混结构作为当代建筑业的发展趋势，具有广阔的应用空间，钢结构的防腐蚀问题也随之变得愈加突出。
    因此，从节约有限资源和能源的角度出发，钢结构防腐蚀对国民经济的发展显得尤为重要。本文从介绍钢结构的腐蚀类型、腐蚀机理和影响因素出发，重点讨论了腐蚀防护技术，并对钢结构的腐蚀与防护发展及应用进行了总结。

    2 钢结构的类型
    按目前通常的分类，钢结构行业包括高层钢结构、轻型钢结构、空间钢结构、住宅钢结构、桥梁钢结构、公共设施用钢结构6大子类[2-5]。
    2.1高层钢结构
    高层钢结构一般指10层以上或18m以上，主要采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经连接、焊接而成的结构体系。有专家测算，小高层钢结构用钢量可控制在每平方米50公斤以下，其工程造价增幅即可控制在10％左右，但综合效益十分可观，并将推进住宅生产经营方式的变革，拉动住宅产业的发展。而随着体系化、产业化水平的提高，性能价格比也会提高，成本将会有所降低。同样超高层钢结构体系也具有明显的经济优势，符合未来建筑业的发展方向。
    2.2 轻钢结构
    轻型钢结构是指以彩涂钢板作为屋面和墙面，以薄壁型钢作檩条和圈梁，柱与梁以焊接H型钢为原料，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要结构的一种建筑体系。这种体系由工厂制作，现场按要求拼装形成，具有以下优点：①轻质高强，抗震性能好；②有利于环保，其回收率接近100%；③材料性能好，结构质量有保证；④工业化程度高，施工快，有利于实现产业化；⑤不可燃、不助燃、不开裂、不生霉菌、不蠕变、少维护、防火性能好。
    2.3空间钢结构
    空间钢结构主要是指网架、网壳结构及其组合结构和杂交结构。这是一类受力合理、刚度大、重量轻、杆件单一、制作安装方便的空间结构体系，在近一二十年来获得蓬勃发展，并在大跨度、大柱网的公共和工业建筑中得到广泛应用，例如我国国家体育馆、北京农展馆等。
    2.4住宅钢结构
    近5年以来，以轻型框架和冷弯型钢骨架为主要承力构件的住宅钢结构逐渐在国内得到认可，由于其易于实现工业化生产，标准化制作，而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料，属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略，具有综合经济优势，因此钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展，直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途[4]。
    2.5桥梁钢结构
    研究表明，结构跨度越大，自动在全部载荷中所占比重也就越大，减轻自重可以获得明显的经济效果。因此，钢结构强度高而且质量轻的优点对于大跨桥梁特别突出[5]。近十年以来，我国建设的大跨度钢结构桥梁约20余座，用钢量很大。随着人们对于环保和钢铁资源循环利用等战略问题重要性越来越准确的认识，钢结构在桥梁建设方面会有非常广阔的空间。
    2.6城市交通、环保等公共设施用钢结构
    在“八五”、“九五”期间，公路建设迅速，每年增长约3000km，大量的城市交通立交桥、护栏得到广泛采用，年消耗钢材约20万-30万t。另外，我国内地近年来大量建造机场、会展中心、体育中心、文化中心等大型公共建筑，广泛采用各种形式的支承钢结构。例如浦东新区陆家嘴开发区的世界广场就是一座高标准、现代化的综合商办楼。其建筑面积约8万平方米，主体采用全钢骨结构，并采用轻钢龙骨石膏板作为内隔墙，外墙选用单元体式玻璃幕墙。
    3 钢结构腐蚀类型和机理
    虽然钢结构具有多种类型，不同类型又处于不同的腐蚀介质中，但是腐蚀类型归纳起来主要有大气腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀三种。
    3.1 大气腐蚀
    钢结构的大气腐蚀主要是由空气中的水和氧气等的化学和电化学作用引起的，是一种常见的腐蚀现象[1]。大气中水汽形成金属表层的电解液层，而空气中的氧溶于其中作为阴极去极剂，二者与钢构件形成了一个基本的腐蚀原电池。当大气腐蚀在钢构件表面形成锈层后，腐蚀产物会影响大气腐蚀的电极反应。
    3.2 局部腐蚀
    局部腐蚀是钢结构最常见的破坏形态，主要包括电偶腐蚀、缝隙腐蚀。电偶腐蚀主要发生在钢结构不同金属组合或者连接处，其中电位较负的金属腐蚀速度较大，而电位较正的金属受到保护，两种金属构成了腐蚀原电池。研究表明，接触金属的电位差为电偶腐蚀的驱动力，两种金属的电极电位差愈大，电偶腐蚀愈严重。
    当钢结构的不同结构件之间、钢构件与非金属的表面间存在缝隙，并有介质存在的时候就会发生局部腐蚀。所以腐蚀发生的条件：首先应存在一定具备腐蚀条件的缝隙，缝隙中必须有一定的液体；其次构件的缝隙宽度必须窄到可以使得液体在缝内停滞，钢结构的缝隙腐蚀最敏感的缝宽为0.025-0.1mm。钢结构最常见的缝隙腐蚀形式有铆接、衬垫和颗粒沉积等，由于这些连接中的缝隙在工程中是不可避免的，所以钢结构的缝隙腐蚀也是不可完全避免的，它的发生会导致钢结构整体强度降低，减少吻合程度。
    3.3 应力腐蚀
    由于钢结构既要承受拉伸、压缩、弯曲和扭转等各种应力的作用，又要受到腐蚀介质的作用，所以其采用的低碳钢、低合金钢、高强钢等在水介质、CO-CO2-H2O中极易发生应力腐蚀。在腐蚀环境中，钢结构受力作用会使腐蚀加速，即在某一特定的介质中，钢结构不受到应力作用时腐蚀甚微，但是受到拉伸应力后，经过一段时间构件会发生突然断裂。由于这种应力腐蚀断裂事先没有明显的征兆，所以往往造成灾难性后果，如桥梁坍塌、管道泄漏、建筑物倒塌等，带来巨大的经济和人员伤亡。
    钢结构应力腐蚀主要受到力学、电化学、构件材料三个方面的影响。环境因素和构件材料通过影响钢结构腐蚀的电化学行为决定了裂纹的形核、长大，并在应力的作用下导致构件失稳断裂。同时力学行为也受到构件材料和应力因素的影响，其对于裂纹的不同成长阶段都具有一定作用，并最终与电化学行为一同决定了构件的失稳断裂。
    4 钢结构防腐蚀措施
    在深入研究钢结构类型的基础上，针对钢结构腐蚀的类型和机理，腐蚀保护的措施主要包括三个方面：提高基材的耐蚀性能；使用有机、无机涂层和金属镀层；外加电流。
    4.1耐候钢
    耐腐蚀性能优于一般结构用钢的钢材称为耐候钢，其最早开发于20世纪初，最初发现的是铜（0.008%-0.49%）和磷（0.01%-0.12%）对钢的耐蚀性的显著效果[6]，以后就出现了著名的Corten钢和世界各国的耐大气腐蚀钢。工程实践中，耐候钢不涂装就可以使用，是极好的结构用材，并且可以将钢结构（如桥梁）寿命期内的总费用降到最低。在日本，耐候钢自60年代后期首次在桥梁上应用之后，迄今应用越来越多，在所有钢桥中其应用率已有5%～7%的水平。在美国，则大约高达45%的桥梁应用了耐候钢。例如New River Gorge Bridge，跨度为518ｍ，共动用1.9万吨耐候钢制作，裸露使用情况良好；East of Centralia Bridge，裸露使用8年，仍处于良好状态；美国芝加哥标志性建筑Chicago Civic Center，外层采用裸露耐候钢制作，使用情况良好。
    目前，我国现行生产的这类钢分为高耐候结构钢和焊接结构用耐候钢两类。高耐候结构钢耐腐蚀性要优于焊接结构钢，其按化学成分可以分为铜磷钢和铜磷铬镍钢，有Q295GNH、Q295GNHL、Q345GNH、Q345GNHL、Q390GNH五种牌号。焊接结构用耐候钢以保持钢材具有良好的焊接性能为特点，其适用厚度可达100mm[2，3]。
    锈层的截面在偏光显微镜下观察发现，耐候钢锈层呈现连续、致密的坚硬内锈层，而普碳钢呈现出不连续、疏松并有裂纹的锈层。从扫描电镜的照片（图3）可以看出，耐候钢锈层的断口形貌晶化程度比普碳钢的锈层差，但颗粒均匀细化；普碳钢的锈层结晶完整，颗粒较大，并有疏松和孔洞。研究表明，耐候钢中添加的Cu、P等元素会产生富集，内锈层形成的结晶程度降低、晶粒细化的Fe3O4连续致密锈层，它几乎能将阳极活性点覆盖起来。这层接近于非静态的稳定锈层，能阻碍有腐蚀性的气氛和介质向基体渗透，使氧在锈层中扩散反应速度慢，而且也抑制了阳极过程。在裂纹与缺陷的部位，由于合金元素富聚较多，使得该部位的电位由负变正，因而起到自身修补的作用。

    4.2热浸镀锌技术
    钢结构热浸镀锌是将表面净化处理后的钢构件浸入460℃-469℃左右融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，其厚度对5mm以下薄板不得小于65μm，对厚板不小于86μm。钢结构件采用这种保护方式具有耐蚀性好，使用寿命长，且基本不用维护等优点，因而其应用越来越广泛。目前，天线钢结构件表面防护、广播电视塔、输电铁架、城市交通标识杆、高速公路护栏、钢结构桥梁、矿井支架等均大量使用热镀锌钢结构件。热镀锌的机理是在钢结构件表面形成一层致密的锌的镀层，主要包括Γ(Fe5Zn21)、δ1、ζ和η等相。热浸镀锌时，最先形成Zn在α铁中的固溶体，达到饱和后通过元素的扩散作用形成Γ相。然后Fe以扩散形式通过Γ层，形成含Fe更少的δ1、ζ和η相，使得金属锌与基体具有良好的附着强度。
    热镀锌钢结构设计者和制造者应该注意以下要点：①对原料的表面处理，热浸锌的首道工序是酸洗除锈，然后是清洗。这两道工序不彻底均会给防腐蚀留下隐患，必须处理彻底；②需焊接的结构件必须注意清理镀锌过程的酸液从不焊接的部分向内部渗透，同时也需清理焊接时产生的飞溅物。另外，为防止产生难于清理的焊接熔渣，最好选择钛铁型焊条，或涂上飞溅物附着防止剂，然后再焊接；③构件形状复杂时，容易造成变形和破损，应当分成多个简单部件，分别进行镀锌，然后用螺栓连接为好。断面封闭的钢构件应当在两端留有开口以便锌液流入内部或从内部流出；④铸件由于其表面附着有型砂等硅酸盐杂质，进行镀锌前必须经过喷砂处理。同时，设计的铸件形状需要无喷砂死角、厚度均匀；⑤最后钢结构设计者要考虑镀锌前后机械强度的变化及镀锌后钢结构件的再处理等问题。
    4.3有机涂层钢板技术
    有机涂层钢板（即彩涂板）具有轻质、美观等特点及良好的耐腐蚀性能和物理屏障性能，良好的弯、压等可加工性，同时又具有造型可随意性和可回收性[7]，因而在钢结构领域越来越被广泛应用，市场前景十分广阔。彩涂板主要有聚酯、硅改性聚酯、环氧树脂、氟碳、丙烯酸树脂、塑料溶胶和家电聚酯及表面贴膜、压花等产品，用于生产瓦楞板、夹心板、门窗等。住宅和门窗需要的彩板厚度规格为0.7mm和0.8mm两种；活动房和厂房需要的彩板厚度规格为0.4mm、0.5mm、0.6mm等。从市场需求看，2003年我国共消费彩涂板242万吨，其中进口110万吨，占消费的比重为45.5％；2004年消费彩涂板245万吨，其中进口49万吨，占消费的比重减少到20.2％。预计2010年彩涂板总需求量约900万吨。消费彩板中约95%用于建筑上，其中钢结构用占很大一部分[8]。
    在工业建筑中，有机涂层钢板的应用，形成了轻型钢结构体系。与传统建材相比，有机涂层钢板有着突出的优点：①每平方米钢结构覆盖用材特别轻，一般为6-12kg/m2；②减少了建筑结构的用材量，建筑物承重可采用轻型结构；③减少施工工序和施工工作量；④有利于抗震；⑤它可以集保温、隔热、防水、装修为一体，一般不用作防水层和装饰层。
    遵循节能、降耗、高效的方针，钢结构用彩涂板发展的方向为开发高耐蚀性、高成型性、高强度彩涂钢，研究具有自润滑功能、抗菌功能等的特殊性能彩涂板。比如应用高性能聚酯为原料，对一般的聚酯、聚偏氟乙烯(PVDF)和塑料溶胶等涂料系统进行改良，从而获得超级颜色重现性，更好的抗紫外线、抗SO2、抗污染性，提高抗腐蚀性、抗划伤性， 以获得超级耐环境腐蚀性能。另外，国外近年还推荐使用水基液态涂料，以改善环保[9]。
    4.4 防腐涂料技术
    据统计，2004年我国防腐涂料总产量近60万吨，销售额超过130亿人民币，估计到2010年，其产量将突破100万吨大关，其中钢结构防腐用涂料占很大一部分。防腐涂料作为钢结构最常用的防腐蚀原料，具有一次成本低、工艺简单、场地要求不严格等优点，但是其防腐蚀性一般不如长效防腐蚀技术，用于户外时维护成本偏高。
    该技术的关键是除锈和涂料的选择。优质的涂层依赖于彻底的表面预处理，在相同的涂层防护条件下有效期涂层的使用寿命相差将近一半。因此一般多用喷砂喷丸除锈，钢构件表面必须露出金属的光泽，并且除去所有的锈迹和油污，现场施工的涂层可用手工除锈。选择涂料应考虑钢构件表面的预处理情况、最终外观（光泽或者颜色）、单层还是多层涂装、使用温度、表面现状及其类型等。
    防腐涂料未来发展主要呈现以下趋势：①遵循环境友好方针，进行无公害或低公害防腐蚀涂料的开发与应用；②降低防腐涂料的使用成本，开发适用于不同地域、不同环境的高性能多用途的防腐涂料；③降低涂料对于钢结构表面粗糙度和清洁度的要求，开发低处理表面用防腐底漆；④解决不同的涂料之间有相容的问题，提高前后选用不同涂料时的相容性等。目前国内已经开始在铁路桥梁用漆上进行了尝试，由过去大多用红丹底漆逐渐向高性能富锌底漆、特别是高模数硅酸钾IC531为基础的水性硅酸锌加环氧中间层和聚氨酯面漆配套过渡，或者以高性能环氧为基础的其它品种配套。
    4.5热喷涂防腐技术
    热喷涂是在对钢构件表面作喷砂除锈，使其表面露出金属光泽并打毛的基础上，采用燃烧火焰、电弧等作为热源，将喷涂材料加热到塑态和熔融状态，并用压缩空气将材料呈雾化的颗粒束吹附到基体表面上，随之激冷并不断层积而形成涂层的工艺方法。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强，构件形状尺寸几乎不受限制，同时其热影响区是局部的，热变形较小，但是表面喷涂质量受人为因素、环境因素影响大。
    该防腐技术是保护钢构件的一种非常有效的方式，尤其是镀液为锌的时候。近几年来，在水工钢闸门上得到了广泛的推广与应用。一些水闸、水库、水电站、扬水站及船闸钢门上的锌镀层经受了淡水、海水以及工业污水的考验，都显示了良好的效果[10]。例如，长江三峡大桥枢纽工程中的下牢溪大桥和黄柏河大桥均采用了热喷涂长效防腐蚀技术。另外，2001年中国首条磁悬浮列车的轨道梁采用了电弧喷涂稀土铝合金（Ac铝）复合涂层进行防腐处理，取得了良好的防护效果[11]。
    热喷镀技术作为长效防腐蚀措施，重点强调在产品设计和制作中采用镀锌、喷铝复合涂层进行长效防护，已成功应用领域遍及国民经济的各个部门。目前研究主要集中在钢结构用新型耐蚀用喷涂材料，电弧喷涂大截面线材，新型喷涂设备等方面，同时制作与完善热喷涂标准，建立翔实的喷涂数据库[12]。
    4.6阴极保护技术
    对于需要在水下或地下使用的钢结构，一般采用阴极保护的防腐蚀方式，共分外加电流式和牺牲阳极式两种形式：外加电流措施是对于裸露的钢构件实施外加电流，需要消耗大量的保护电能，这对于整个系统是不经济的[13]；牺牲阳极措施主要利用比钢材的电位更负的金属和合金制成牺牲性的阳极，从而使钢结构本身免遭腐蚀。研究表明，阴极保护技术是海工钢结构行之有效的防腐蚀措施，经采取该措施后的钢结构腐蚀速度可大大减少，仅为未保护钢结构的5%～10%。
    我国在海工钢结构中大量采用了阴极保护技术。例如天津港南疆石化码头钢管桩的2号墩改建工程及最近的三突堤码头改建工程，集装箱公司27号泊位改造工程钢管桩防腐蚀中，均采用了牺牲阳极法阴极保护，具有施工简便、工期短、不需专人维护管理等优点，有效地抑制了钢构件的腐蚀，保护率达90% 以上，取得了良好的效益[14]。
    国内在大型钢结构实施时，阴极保护技术常与涂料保护联合应用。外加电流从根本上保证防止钢结构腐蚀，涂料保证在覆盖裸露的钢铁表面，将保护电流降低到最小的程度，二者相辅相成。但是，由于钢构件所处水质变化范围较大、水污染日趋严重，如何保证防腐的质量成为阴极保护的技术难点。
    5 结语
    钢结构以其优良的物理、机械及施工性能，在国内的工程中得到了越来越广泛的应用，但是钢结构腐蚀不仅会造成金属资源的巨大浪费，还会影响正常的生产运营。因此，通过建筑行业和腐蚀行业相联合，在深入研究钢结构大气腐蚀、局部腐蚀、应力腐蚀类型和机理的基础上，积极开发新的防腐蚀措施，必将会在未来的钢结构防腐工程中发挥更大的作用。

    参考文献:
    [1] 杨德钧，沈卓身.金属腐蚀学[M].北京：冶金工业出版社，1999.
    [2] 沈祖英，黄文忠，沈德洪.钢结构制作安装手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2002.
    [3] 中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册[M].北京：中国计划出版社,2004.
    [4] 弓晓芸.低层住宅轻型钢结构体系[C].2005年全国建筑钢结构行业大会论文集[C].2005：224-229
    [5] 陈绍藩，顾强，钢结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.
    [6] Estimating of the atmospheric corrosion resistance of low-alloy steels [J].ASTM standard G101,1995.
    [7] 胡先耘.中国彩涂板发展趋势分析[A].第20次全国涂料技术发展研讨会（年会）暨国际卷材[C].2003：6-8.
    [8] 张启富，黄建中.有机涂层钢板[M].北京：化学工业出版社，2003.
    [9] 范世儒，孙长田.彩涂板生产工艺[J].鞍钢技术, 2004（4）：7-12.
    [10] 管敦怡,孙崇杰.喷锌保护在水工钢闸门中的应用[J].367-269.
    [11] 黄源芳,王忠诚.表面技术在机电和金结工程中的应用与展望[J].中国三峡建设，1999（9）.
    [12] 张忠礼.钢结构热喷涂防腐蚀技术[M].北京：化学工业出版社，2004.
    [13] 赵广生, 任亮, 王建军, 王林.论水工钢结构防腐蚀技术[J].内蒙古水利,2005 (3)：103-105.
    [14] 周德勤.阴极保护技术在海工钢结构中的应用[J].中国港湾建设,2000(3)：28-32.

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