建筑鋼材防腐方式探討

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本文作者：楊衛(wèi)忠、樊濬、董廣萍 單位：鄭州大學土木工程學院、河南省勘察設計注冊工程師管理委員會、河南省科學技術信息研究院

鋼結構腐蝕是一個復雜的化學物理過程，它不僅僅表現(xiàn)為材料的銹蝕，更重要的是使建筑結構的可靠度降低，從而影響建筑的安全和使用。腐蝕對鋼結構建筑的影響主要有以下3個方面，首先，鋼結構發(fā)生腐蝕后，在構件的表面會產生許多很細微的損傷，更為不利的是這些損傷會隨時間連續(xù)不斷地而發(fā)展，因而也就減小了構件的截面面積，直接導致建筑的結構性能和承載能力降低；其次，腐蝕造成了鋼材的大量損耗。根據有關方面的統(tǒng)計，美國由于鋼材腐蝕而產生的損失每年就達3千億美元，而中國每年鋼材因腐蝕造成的損失約占鋼產量的7%，這其中的大部分可通過恰當的防腐蝕方法加以避免；最后，腐蝕影響鋼結構表面外觀，大部分鋼結構建筑的表面裝修或涂裝都要求對構件表面進行處理，而銹蝕后的構件表面會形成凹凸不平，這樣，不僅增加了處理構件的成本，而且還要增大構件表面防腐涂料的涂裝工程量。此外，鋼構件產生腐蝕后，由于其表面特征的發(fā)生了明顯的改變，即使很輕微，但它也會對建筑物的使用者產生很大的心理壓力，從而影響他們的身體健康。

鋼結構建筑的防腐方法

鋼材的防腐方法主要有3類，一是在其表面涂刷防止腐蝕的材料，將鋼材與腐蝕介質隔離；二是采用陰極保護方法來防止鋼材腐蝕，使可能發(fā)生的腐蝕出現(xiàn)在預先設置的物體而不是鋼結構上；三是依靠材料本身的固有屬性來抵御腐蝕，即采用耐候鋼材來延緩腐蝕的發(fā)展。以上3類腐蝕防止方法都有各自的優(yōu)缺點，而且各自在某些范圍內最為有效。另外，還有些防腐體系是以上3種類型的綜合，其目的是為了更好地防止鋼結構的腐蝕發(fā)生。防腐體系中的關鍵是構件的表面處理，由于不充分的或不恰當的表面處理所引起的防腐體系失效約占失效總數的70%。采用不同的防腐體系，對鋼材表面的處理要求也有各不相同，而鋼材表面的處理方法主要有噴射或拋射除銹（Sa）和手工和動力除銹（St），每一種除銹方法則又可分為不同等級，對使用期內難以維修的承重構件，其除銹等級宜適當提高，各類構件所采用的除銹方法和等級可參考我國現(xiàn)行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》（GB50205）和《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹標準》（GB8923）。

按我國現(xiàn)行《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》的要求，除臨時性結構外，普通房屋和構筑物的設計使用年限為50年，而紀念性建筑和特別重要的建筑則要達到100年的使用年限，因此，在設計鋼結構建筑時就要考慮鋼材的腐蝕特性，使鋼結構建筑在設計使用年限內不發(fā)生腐蝕或把腐蝕程度控制在合理范圍之內，且不需要維護防腐體系或以較少次數地對防腐體系進行維護，這就需要鋼結構建筑中所采用的防腐體系能夠起到良好的防腐效果。一般而言，普通的防腐涂層較長效的防腐涂層價格低，但普通防腐的維護周期也短，綜合經濟效益不如長效的防腐涂層，所以，鋼結構建筑選擇長效的防腐體系較優(yōu)。目前，鋼結構建筑的長效防腐體系主要有富鋅涂料體系、熱噴鋅（鋁）體系和熱浸鍍鋅體系3類，其中，富鋅涂料體系又可分為兩類，即以硅酸鹽作為黏結劑結合鋅粉的無機富鋅涂料和基于各種有機物載體（包括環(huán)氧樹脂、丙烯酸、氯化橡膠、乙烯基和氨基甲酯）的有機富鋅涂料。熱噴鋅（鋁）體系為多層次復合涂層，即復合涂層加上涂料，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，組成多層次復合涂層，這樣的涂層防腐抗蝕能力很強。熱浸鍍鋅體系則是通過酸洗和鍍鋅等工藝在鋼構件表面形成一層鋅與鐵的合金層，從而達到防止腐蝕目的，但是，在酸性環(huán)境中，熱浸鍍鋅防腐層會很快腐蝕而影響其防腐效果，因而，一般不推薦在地下環(huán)境中使用。

上述介紹的幾種長效防腐體系的原理基本相同，都是通過金屬鋅層來阻止環(huán)境中的濕氣及腐蝕物質與鋼材表面的接觸，從而達到防止或減輕鋼材腐蝕的目的。一旦鋅金屬層出現(xiàn)損壞或裂縫（通常在鋼構件的運輸和安裝過程中容易發(fā)生），鋅就會起陰極保護作用而阻力鋼材腐蝕的發(fā)生，而在電鍍鋅的防腐體系中，鋅比鐵活潑的多，一旦同時處于腐蝕環(huán)境中時，鋅就成為銹蝕循環(huán)中的陽極而先于鋼材發(fā)生腐蝕，而當鋅產生銹蝕后，鋅銹蝕反應的生成物不僅是不溶體，而且還可以起到密封涂層中的裂縫及已有的裂隙，從而進一步阻止銹蝕的發(fā)生。已有資料表明，以上3種防腐體系的長效防腐效果均較為理想，一般能達40年以上。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期限為110年，能滿足絕大多數的鋼結構建筑的防腐要求。

鋼結構建筑防腐設計和施工注意點

鋼結構建筑工程設計中，應有防銹涂裝設計的內容，并嚴格遵守現(xiàn)行國家標準《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》（GB50046）的相關規(guī)定。鋼結構的防腐設計應綜合考慮建筑結構的重要性、設計使用壽命、環(huán)境介質條件、維護條件、施工水平及綜合工程造價等因素，合理確定鋼材表面的初始銹蝕等級、除銹方法與等級，根據建筑所處位置、相對濕度、周圍環(huán)境等因素來確定鋼結構建筑的環(huán)境侵蝕作用類別，從而采用不同的防腐設計要求。此外，進行鋼結構建筑設計和防腐施工時，下列事項應予以重視。當鋼結構處于弱蝕侵蝕性及中等強度侵蝕性環(huán)境中，以及重要的承重結構和使用中難以維護的承重結構，不應使用表面原始銹蝕等級低于B級的鋼材。在中等強度侵蝕性環(huán)境中的承重結構，應盡量選用質量與表面積比較大的管形封閉截面，以及簡單、規(guī)則而易于涂裝和圍護的實腹式截面，節(jié)點及連接構造應避免形成易于積灰、積濕的死角，連接零件之間一般應留有不小于120mm的凈空供檢查和維護。鋼柱腳埋入地下部分應采用強度等級不低于C10的混凝土包裹，其保護厚度不小于50mm，并包出地面150mm，柱埋入部分的表面應做除銹處理，可不做涂料涂裝。經過表面處理并檢查合格后的鋼構件，應在規(guī)定的時間內及時涂裝，以免影響防腐材料的效果。需做防火涂層的鋼構件表面，可在表面除銹后僅刷底層涂料。

展望

隨著鋼結構建筑的不斷升溫，鋼結構的防腐也越來越受到更多學者的關注。就目前常用的防腐方法中，涂料防腐體系的初期投資小，大約10年左右就要在鋼構件表面再涂一次，即在鋼結構建筑使用年限內，涂料防腐體系需要維護，而熱浸鍍鋅防腐體系的初期投資要大，但在其服務期限之內通常不需要維護。隨著熱浸鍍鋅廠家的增加以及較大尺寸鍍鋅槽的不斷建成，采用具有較高工業(yè)化程度的熱浸鍍鋅防腐體系來作為鋼結構建筑的長效防腐體系將越來越被工程設計人員和建筑業(yè)主所青睞，也必將在鋼結構建筑領域中得到越來越廣泛的應用。