鋼結構腐蝕及長效防腐要使用哪些涂料

1.鋼結構腐蝕的特點及其影響

　　近年來我國城市建設發展迅速，大量大跨、高聳的民用及工業建筑都采用了鋼結構，充分發揮了鋼結構高強輕質、抗震性能好、工業化程度高、施工周期短等優點。另外，輕鋼結構體系用于住宅建筑，其綜合經濟效益優于一般住宅建筑體系。采用輕鋼結構其使用面積可比磚混結構提高5%左右，建造成本比混凝土結構降低10%以上。在我國鋼材產量相當充裕的條件下，輕鋼結構住宅的建設是十分適宜的，且鋼結構體系亦與可持續發展的理念相符。

　　但是在鋼結構建筑的建造和使用中，鋼材易腐蝕的問題嚴重影響著鋼結構的耐久應用。鋼材的腐蝕可分為兩種。一種是化學腐蝕，即鋼材表面與周圍介質直接起化學反應而產生的腐蝕，其腐蝕的程度隨時間和溫度的增加而增加。另一種是電化學腐蝕，即鋼材在存放和使用中與周圍介質之間發生氧化還原反應而產生的腐蝕。鋼結構腐蝕不僅僅是材料的銹蝕，還是一個復雜的化學物理過程，而它最終的表現在于結構的可靠度及經濟指標。其對鋼結構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 Battelle Columbus Labs的報告，在美國由于鋼結構腐蝕而產生的損耗每年達到3千億美元，而其中很大一部分可由防腐方法加以避免。據有關方面統計，目前中國每年鋼材因腐蝕造成的損失占鋼產量的7% 。第二，鋼結構發生腐蝕后，會在構件表面產生很多微觀裂縫，并且不斷地增長，從而減小構件的截面。這將會嚴重影響結構的承載能力。近來，一些學者對腐蝕后的鋼結構進行了相關性能的試驗研究，并取得了不少成果。我國臺灣學者Kwang-Lung Lin等采用濕熱試驗方法對鋼板進行了腐蝕后的力學性能試驗，結果表明在腐蝕缺陷處的應力集中現象十分明顯，并且隨著距缺陷的距離增加而趨向平緩。日本學者 Y. Sakumoto等對輕鋼結構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構的滯回性能有明顯降低，如圖一所示。第三，腐蝕影響鋼結構表面外觀，增加構件表面涂裝的工程量。鋼結構腐蝕后，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會很明顯。另外，大部分的表面裝修或涂裝都要求對構件進行表面處理，而銹蝕后的構件表面將增加處理的成本。

2.鋼結構腐蝕影響的研究和防腐方法

　　2.1自然環境下鋼腐蝕的規律性研究

　　大多數鋼結構建筑都處于自然環境中，在選擇有效防腐體系之前，必須對自然環境下材料腐蝕的規律性作深入的了解。因此各個國家都十分重視對各種自然環境下腐蝕數據的積累與研究。它可以揭示自然環境下腐蝕行為的一些規律性，還可以為防腐體系的服務期限預測提供依據。ISO 曾組織十四個國家進行自然大氣環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的建議。

　　從1926起，美國材料試驗協會和其他一些機構便開始收集在不同類型的大氣環境條件下鍍鋅涂層腐蝕表現的連續數據。鍍鋅涂層的大氣環境試驗在世界各地進行，從而得到了鋅在不同大氣環境下的腐蝕率。通過考慮各種影響因素，比如主導風向、大氣污染物的類型和密度、海水噴濺的數量、潮濕持續的時間等，得出的結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年限的建議值。

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

　　大量的研究工作為鋼結構防腐體系的設計提供了指導，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，具體可參閱我國現行GB50205―2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》及國家標準GB8923-88《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹標準》。

3.建筑鋼結構防腐體系

        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，為了使建筑鋼結構不發生腐蝕或把腐蝕控制在一定范圍內，就需要選擇長效防腐體系，即在鋼結構使用期限內，所采用的防腐體系能夠起到良好的防腐效果，并且最少次數地進行維護或不維護。目前大多建筑鋼結構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。富鋅涂料體系的應用可分兩個類型：無機富鋅涂料，以硅酸鹽作為粘結劑結合鋅粉；有機富鋅涂料，基于各種有機物載體（包括丙烯酸、氯化橡膠、乙烯基和環氧樹脂、氨基甲酯），其中以環氧樹脂應用最廣。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。熱浸鍍鋅體系是通過酸洗和電鍍等工藝在鋼結構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境中的濕氣及腐蝕物質與鋼結構表面的接觸，以達到防腐的目的。一旦金屬層出現裂縫或破壞（在鋼結構運輸和安裝過程中很容易出現），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境中時，鋅會成為銹蝕循環中的陽極。當鋅發生銹蝕后，鋅的銹蝕產物基本是不溶的，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生。根據已有資料顯示，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期限為110年。這對大多的建筑鋼結構都是足夠的。 

4.熱浸鍍鋅防腐體系的特點與應用

　　目前，隨著國際市場中鋅的價格持續的下降，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構構件。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期限定義在25至50年是非常普遍的，大部分的服務期限都能超過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。根據美國國家腐蝕工程協會（NACE）統計，涂料防腐方法大約11年左右就要重涂一次，即在鋼結構使用年限內，涂料防腐體系需要維護。而根據目前已有的研究資料顯示，熱浸鍍鋅防腐體系在其服務期限之內是不需要維護的。這就從兩個方面體現了熱浸鍍鋅的優勢。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期限內是不需要維護的。其次，涂料防腐體系需要業主作長期的防腐維護的預算。大多數建筑物作預算時，增加初期投資比較容易，比較具體，業主也比較容易計劃，但作長期的維護預算就比較復雜，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算，這一點越來越被業主和設計人員所青睞。
　　（3）工業化程度高。由于熱浸鍍鋅的工業化程度高，因此它的涂裝速度很快，一個全新無銹構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，由于其工業化程度高，所以表面處理和防腐層質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）構件的各個表面具有同樣的防腐保護。建筑用鋼構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。而熱浸鍍鋅是把構件浸入電鍍槽中鍍鋅，它對構件各個表面的涂裝是相同的，這就很好解決了構件較難涂裝所有表面的防腐問題。另外，熱浸鋅構件在焊接連接及螺栓連接時無需特殊的處理，基本與無鍍鋅構件相同。
　　（5）熱浸鍍鋅對環境是無害的。鋅是一種微量的營養元素，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物的涂層，熱浸鍍鋅對環境是無害的。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境，在酸及堿環境中，熱浸鍍鋅防腐層將很快腐蝕，一般也不推薦在地下環境使用。

　　由于熱浸鍍鋅體系良好的防腐性能，很多學者對其進行了研究，包括鋅浴中各種微量元素對其的影響，鍍鋅材料腐蝕狀態下的力學性能研究，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用。在國外它的應用已非常廣泛，如一些大型鋼結構公共建筑，大型鋼結構工業建筑及鋼結構住宅，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。目前國內的一些大型公共鋼結構也采用了此種方法，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。作為一種性能優良的長效防腐體系，熱浸鍍鋅體系在建筑鋼結構領域中必將得到越來越廣泛的應用。