鋼結(jié)構(gòu)腐蝕及長效防腐要使用哪些涂料

1.鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的特點及其影響

　　近年來我國城市建設(shè)發(fā)展迅速，大量大跨、高聳的民用及工業(yè)建筑都采用了鋼結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)高強輕質(zhì)、抗震性能好、工業(yè)化程度高、施工周期短等優(yōu)點。另外，輕鋼結(jié)構(gòu)體系用于住宅建筑，其綜合經(jīng)濟效益優(yōu)于一般住宅建筑體系。采用輕鋼結(jié)構(gòu)其使用面積可比磚混結(jié)構(gòu)提高5%左右，建造成本比混凝土結(jié)構(gòu)降低10%以上。在我國鋼材產(chǎn)量相當充裕的條件下，輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的建設(shè)是十分適宜的，且鋼結(jié)構(gòu)體系亦與可持續(xù)發(fā)展的理念相符。

　　但是在鋼結(jié)構(gòu)建筑的建造和使用中，鋼材易腐蝕的問題嚴重影響著鋼結(jié)構(gòu)的耐久應(yīng)用。鋼材的腐蝕可分為兩種。一種是化學(xué)腐蝕，即鋼材表面與周圍介質(zhì)直接起化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕，其腐蝕的程度隨時間和溫度的增加而增加。另一種是電化學(xué)腐蝕，即鋼材在存放和使用中與周圍介質(zhì)之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。鋼結(jié)構(gòu)腐蝕不僅僅是材料的銹蝕，還是一個復(fù)雜的化學(xué)物理過程，而它最終的表現(xiàn)在于結(jié)構(gòu)的可靠度及經(jīng)濟指標。其對鋼結(jié)構(gòu)建筑的影響可歸納為以下三個方面，第一，腐蝕造成大量鋼材的損耗。根據(jù) Battelle Columbus Labs的報告，在美國由于鋼結(jié)構(gòu)腐蝕而產(chǎn)生的損耗每年達到3千億美元，而其中很大一部分可由防腐方法加以避免。據(jù)有關(guān)方面統(tǒng)計，目前中國每年鋼材因腐蝕造成的損失占鋼產(chǎn)量的7% 。第二，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕后，會在構(gòu)件表面產(chǎn)生很多微觀裂縫，并且不斷地增長，從而減小構(gòu)件的截面。這將會嚴重影響結(jié)構(gòu)的承載能力。近來，一些學(xué)者對腐蝕后的鋼結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)性能的試驗研究，并取得了不少成果。我國臺灣學(xué)者Kwang-Lung Lin等采用濕熱試驗方法對鋼板進行了腐蝕后的力學(xué)性能試驗，結(jié)果表明在腐蝕缺陷處的應(yīng)力集中現(xiàn)象十分明顯，并且隨著距缺陷的距離增加而趨向平緩。日本學(xué)者 Y. Sakumoto等對輕鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕耐久性能進行了研究，采用的方法是鹽霧試驗方法，試驗證明腐蝕后的輕鋼結(jié)構(gòu)的滯回性能有明顯降低，如圖一所示。第三，腐蝕影響鋼結(jié)構(gòu)表面外觀，增加構(gòu)件表面涂裝的工程量。鋼結(jié)構(gòu)腐蝕后，由于表面特征的變化，也許程度很小，但也會對建筑物的使用者造成不必要的心理壓力。這一點在輕鋼住宅體系的表現(xiàn)會很明顯。另外，大部分的表面裝修或涂裝都要求對構(gòu)件進行表面處理，而銹蝕后的構(gòu)件表面將增加處理的成本。

2.鋼結(jié)構(gòu)腐蝕影響的研究和防腐方法

　　2.1自然環(huán)境下鋼腐蝕的規(guī)律性研究

　　大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)建筑都處于自然環(huán)境中，在選擇有效防腐體系之前，必須對自然環(huán)境下材料腐蝕的規(guī)律性作深入的了解。因此各個國家都十分重視對各種自然環(huán)境下腐蝕數(shù)據(jù)的積累與研究。它可以揭示自然環(huán)境下腐蝕行為的一些規(guī)律性，還可以為防腐體系的服務(wù)期限預(yù)測提供依據(jù)。ISO 曾組織十四個國家進行自然大氣環(huán)境下的腐蝕行為研究，并且基于低碳鋼的腐蝕速率提出了如表1所示的五種腐蝕地區(qū)的建議。

　　從1926起，美國材料試驗協(xié)會和其他一些機構(gòu)便開始收集在不同類型的大氣環(huán)境條件下鍍鋅涂層腐蝕表現(xiàn)的連續(xù)數(shù)據(jù)。鍍鋅涂層的大氣環(huán)境試驗在世界各地進行，從而得到了鋅在不同大氣環(huán)境下的腐蝕率。通過考慮各種影響因素，比如主導(dǎo)風向、大氣污染物的類型和密度、海水噴濺的數(shù)量、潮濕持續(xù)的時間等，得出的結(jié)論是鍍鋅的腐蝕率不會超過7.62微米/年，并且提出了鍍鋅厚度與服務(wù)年限的建議值。

　　曹楚南院士等針對我國的典型大氣環(huán)境的腐蝕數(shù)據(jù)作了大量的積累，進行了腐蝕行為的規(guī)律研究工作。研究證明我國碳鋼和低合金鋼在我國大氣環(huán)境中，絕大部分土壤中，以及各海域的海水飛濺區(qū)和潮差區(qū)的腐蝕量（C）隨時間（t）的變化可以用冪函數(shù)規(guī)律表述為：C=Atn，A值相當于第一年的腐蝕深度，n值表征腐蝕的發(fā)展趨勢。

　　大量的研究工作為鋼結(jié)構(gòu)防腐體系的設(shè)計提供了指導(dǎo)，從而可以比較正確地確定材料的腐蝕率和采用何種防腐體系及其服務(wù)的期限。

　　2.2常用的防腐方法

　　目前的防腐體系可分為三大類型，一是表面涂裝防腐材料；二是采用陰極保護來防止腐蝕；三是依靠材料本身的防腐特性，即采用耐久材料。各種防腐類型都有其特點，并且各自適用于一定范圍。有些防腐體系是幾種類型的綜合，其目的是更好地起到防腐的作用。在選擇防腐體系時有一點十分重要，就是確保所選防腐體系的表面處理，大約百分之七十的防腐體系的早期失效由于不正確的或者不充分的表面處理所引起。不同的防腐體系對鋼材表面的處理有不同的要求，包括噴射或拋射除銹Sa、手工和動力除銹St、火焰除銹FI，如表2所示，具體可參閱我國現(xiàn)行GB50205―2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》及國家標準GB8923-88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹標準》。

3.建筑鋼結(jié)構(gòu)防腐體系

        建筑物的使用年限比較長，一般至少是50年。在建筑物使用期限內(nèi)，為了使建筑鋼結(jié)構(gòu)不發(fā)生腐蝕或把腐蝕控制在一定范圍內(nèi)，就需要選擇長效防腐體系，即在鋼結(jié)構(gòu)使用期限內(nèi)，所采用的防腐體系能夠起到良好的防腐效果，并且最少次數(shù)地進行維護或不維護。目前大多建筑鋼結(jié)構(gòu)都采用長效防腐體系，主要包括富鋅涂料體系、熱噴鋅（鋁）體系、熱浸鍍鋅體系三種。富鋅涂料體系的應(yīng)用可分兩個類型：無機富鋅涂料，以硅酸鹽作為粘結(jié)劑結(jié)合鋅粉；有機富鋅涂料，基于各種有機物載體（包括丙烯酸、氯化橡膠、乙烯基和環(huán)氧樹脂、氨基甲酯），其中以環(huán)氧樹脂應(yīng)用最廣。熱噴鋅（鋁）體系為多層次復(fù)合涂層，即復(fù)合涂層加上涂料，第一層為鋅層打底，第二層為鋁中間層，第三層為鋅涂層，通過噴射對鋁層封孔。再加上涂料封閉，組成多層次復(fù)合涂層，這樣的涂層防腐抗蝕能力很強。熱浸鍍鋅體系是通過酸洗和電鍍等工藝在鋼結(jié)構(gòu)表面形成一層鋅與鐵的合金層，從而達到很好的防腐目的。

　　以上三種防腐體系的原理基本相同，都是通過金屬層阻止環(huán)境中的濕氣及腐蝕物質(zhì)與鋼結(jié)構(gòu)表面的接觸，以達到防腐的目的。一旦金屬層出現(xiàn)裂縫或破壞（在鋼結(jié)構(gòu)運輸和安裝過程中很容易出現(xiàn)），鋅會提供陰極保護。在電鍍系列中，鋅比鐵活潑得多，一旦同時處于腐蝕環(huán)境中時，鋅會成為銹蝕循環(huán)中的陽極。當鋅發(fā)生銹蝕后，鋅的銹蝕產(chǎn)物基本是不溶的，可以密封涂層中的裂縫及任何孔隙，從而進一步阻止銹蝕的發(fā)生。根據(jù)已有資料顯示，這三種防腐體系的長效防腐效果都十分理想，一般都能超過40 年。其中，以熱浸鍍鋅體系最為突出，在澳大利亞，熱浸鍍鋅體系有記載的最長服務(wù)期限為110年。這對大多的建筑鋼結(jié)構(gòu)都是足夠的。 

4.熱浸鍍鋅防腐體系的特點與應(yīng)用

　　目前，隨著國際市場中鋅的價格持續(xù)的下降，以及電鍍廠家的增加，較大的電鍍槽不斷建成。熱浸鍍鋅作為一種良好的長效防腐體系，越來越被人們所重視。在美國已有可滿足超過24米長、3米寬構(gòu)件鍍鋅要求的電鍍槽。2003年美國堪薩斯州進行了重達約39噸的鋼構(gòu)件鍍鋅，電鍍槽為25×3.6×3（米），是世界上最大的熱浸鍍鋅工程之一。在我國電鍍企業(yè)已具有長16m、寬1.2m、深1.6m的電鍍槽，可滿足絕大部分建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。與其他的防腐體系相比較，熱浸鍍鋅防腐體系具有以下特點：
　　（1）防腐期限長，熱浸鍍鋅的防腐服務(wù)期限定義在25至50年是非常普遍的，大部分的服務(wù)期限都能超過40年。一般鍍鋅量為600g/m2的熱浸鍍鋅鋼材，其防腐使用年限可達50年以上。
　　（2） 沒有防腐體系維護問題。根據(jù)美國國家腐蝕工程協(xié)會（NACE）統(tǒng)計，涂料防腐方法大約11年左右就要重涂一次，即在鋼結(jié)構(gòu)使用年限內(nèi)，涂料防腐體系需要維護。而根據(jù)目前已有的研究資料顯示，熱浸鍍鋅防腐體系在其服務(wù)期限之內(nèi)是不需要維護的。這就從兩個方面體現(xiàn)了熱浸鍍鋅的優(yōu)勢。首先，對使用中的建筑重新噴涂防腐材料是不容易實施的，工程量非常大，而熱浸鍍鋅防腐在其服務(wù)期限內(nèi)是不需要維護的。其次，涂料防腐體系需要業(yè)主作長期的防腐維護的預(yù)算。大多數(shù)建筑物作預(yù)算時，增加初期投資比較容易，比較具體，業(yè)主也比較容易計劃，但作長期的維護預(yù)算就比較復(fù)雜，它會牽扯到一些不確定因素，包括若干年后的人工費用、涂料費用等。熱浸鍍鋅在初期投資會大一些，但是它不需要維護的預(yù)算，這一點越來越被業(yè)主和設(shè)計人員所青睞。
　　（3）工業(yè)化程度高。由于熱浸鍍鋅的工業(yè)化程度高，因此它的涂裝速度很快，一個全新無銹構(gòu)件的鍍鋅過程可在一個小時左右完成。對于急需投入使用的建筑來講，這一點是十分重要的。另外，由于其工業(yè)化程度高，所以表面處理和防腐層質(zhì)量是非常容易保證的，這是大多手工涂裝的防腐體系無法相比的。
　　（4）構(gòu)件的各個表面具有同樣的防腐保護。建筑用鋼構(gòu)件的開口截面形式有很多，由于尺寸的限制，對一些表面的防腐涂裝是十分困難的。而熱浸鍍鋅是把構(gòu)件浸入電鍍槽中鍍鋅，它對構(gòu)件各個表面的涂裝是相同的，這就很好解決了構(gòu)件較難涂裝所有表面的防腐問題。另外，熱浸鋅構(gòu)件在焊接連接及螺栓連接時無需特殊的處理，基本與無鍍鋅構(gòu)件相同。
　　（5）熱浸鍍鋅對環(huán)境是無害的。鋅是一種微量的營養(yǎng)元素，它對人類和其他物種都是有益的。相對于一些含有有機揮發(fā)物的涂層，熱浸鍍鋅對環(huán)境是無害的。這一點在21世紀的防腐工程中顯得更為重要。

　　當然，熱浸鍍鋅并非適用于所有環(huán)境，在酸及堿環(huán)境中，熱浸鍍鋅防腐層將很快腐蝕，一般也不推薦在地下環(huán)境使用。

　　由于熱浸鍍鋅體系良好的防腐性能，很多學(xué)者對其進行了研究，包括鋅浴中各種微量元素對其的影響，鍍鋅材料腐蝕狀態(tài)下的力學(xué)性能研究，以及鍍鋅體系防腐期限研究，等等，而這些研究更進一步推動了熱浸鍍鋅防腐體系的應(yīng)用。在國外它的應(yīng)用已非常廣泛，如一些大型鋼結(jié)構(gòu)公共建筑，大型鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑及鋼結(jié)構(gòu)住宅，如澳洲墨爾本市Albert公園的體育娛樂中心、美國新罕布什爾州曼徹斯特市的機場停車庫等。目前國內(nèi)的一些大型公共鋼結(jié)構(gòu)也采用了此種方法，比如首都機場，北京東方廣場，上海八萬人體育館，浦東國際機場和黑龍江電視塔（龍塔）等。作為一種性能優(yōu)良的長效防腐體系，熱浸鍍鋅體系在建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。