学文网摘 要： 近年来我国钢结构建筑发展迅速，充分利用了钢结构的长处。但是，易腐蚀是钢结构的不足之处，影响了钢结构的耐久性应用。本文从腐蚀对钢结构的影响、自然环境下钢的腐蚀规律、钢结构常用防腐方法以及热浸镀锌特点及应用等方面对长效防腐体系进行了综合的阐述，为钢结构的长效防腐体系的选择提供了参考。
关键词： 钢结构 防腐体系 热浸镀锌
1.钢结构腐蚀的特点及其影响
近年来我国城市建设发展迅速，大量大跨、高耸的民用及工业建筑都采用了钢结构，充分发挥了钢结构高强轻质、抗震性能好、工业化程度高、施工周期短等优点。另外，轻钢结构体系用于住宅建筑，其综合经济效益优于一般住宅建筑体系。采用轻钢结构其使用面积可比砖混结构提高5%左右，建造成本比混凝土结构降低10%以上。在我国钢材产量相当充裕的条件下，轻钢结构住宅的建设是十分适宜的，且钢结构体系亦与可持续发展的理念相符。
但是在钢结构建筑的建造和使用中，钢材易腐蚀的问题严重影响着钢结构的耐久应用。钢材的腐蚀可分为两种。一种是化学腐蚀，即钢材表面与周围介质直接起化学反应而产生的腐蚀，其腐蚀的程度随时间和温度的增加而增加。另一种是电化学腐蚀，即钢材在存放和使用中与周围介质之间发生氧化还原反应而产生的腐蚀。钢结构腐蚀不仅仅是材料的锈蚀，还是一个复杂的化学物理过程，而它最终的表现在于结构的可靠度及经济指标。其对钢结构建筑的影响可归纳为以下三个方面，第一，腐蚀造成大量钢材的损耗。根据 Battelle Columbus Labs［１］的报告，在美国由于钢结构腐蚀而产生的损耗每年达到3千亿美元，而其中很大一部分可由防腐方法加以避免。据有关方面统计，目前中国每年钢材因腐蚀造成的损失占钢产量的7%［２］ 。第二，钢结构发生腐蚀后，会在构件表面产生很多微观裂缝，并且不断地增长，从而减小构件的截面。这将会严重影响结构的承载能力。近来，一些学者对腐蚀后的钢结构进行了相关性能的试验研究，并取得了不少成果。我国台湾学者Kwang-Lung Lin等［３］采用湿热试验方法对钢板进行了腐蚀后的力学性能试验，结果表明在腐蚀缺陷处的应力集中现象十分明显，并且随着距缺陷的距离增加而趋向平缓。日本学者 Y. Sakumoto等［４］对轻钢结构的腐蚀耐久性能进行了研究，采用的方法是盐雾试验方法，试验证明腐蚀后的轻钢结构的滞回性能有明显降低，如***一所示。第三，腐蚀影响钢结构表面外观，增加构件表面涂装的工程量。钢结构腐蚀后，由于表面特征的变化，也许程度很小，但也会对建筑物的使用者造成不必要的心理压力。这一点在轻钢住宅体系的表现会很明显。另外，大部分的表面装修或涂装都要求对构件进行表面处理，而锈蚀后的构件表面将增加处理的成本。
***一 钢结构腐蚀前后滞回性能比较
2.钢结构腐蚀影响的研究和防腐方法
2.1自然环境下钢腐蚀的规律性研究
大多数钢结构建筑都处于自然环境中，在选择有效防腐体系之前，必须对自然环境下材料腐蚀的规律性作深入的了解。因此各个国家都十分重视对各种自然环境下腐蚀数据的积累与研究。它可以揭示自然环境下腐蚀行为的一些规律性，还可以为防腐体系的服务期限预测提供依据。ISO 曾组织十四个国家进行自然大气环境下的腐蚀行为研究，并且基于低碳钢的腐蚀速率提出了如表1所示的五种腐蚀地区的建议［５］。
表1 低碳钢腐蚀率建议值
从1926起，美国材料试验协会和其他一些机构便开始收集在不同类型的大气环境条件下镀锌涂层腐蚀表现的连续数据。镀锌涂层的大气环境试验在世界各地进行，从而得到了锌在不同大气环境下的腐蚀率。通过考虑各种影响因素，比如主导风向、大气污染物的类型和密度、海水喷溅的数量、潮湿持续的时间等，得出的结论是镀锌的腐蚀率不会超过7.62微米/年，并且提出了镀锌厚度与服务年限的建议值［１］。
曹楚南院士等针对我国的典型大气环境的腐蚀数据作了大量的积累，进行了腐蚀行为的规律研究工作［６］。研究证明我国碳钢和低合金钢在我国大气环境中，绝大部分土壤中，以及各海域的海水飞溅区和潮差区的腐蚀量（C）随时间（t）的变化可以用幂函数规律表述为：C=Atn，A值相当于第一年的腐蚀深度，n值表征腐蚀的发展趋势。
大量的研究工作为钢结构防腐体系的设计提供了指导，从而可以比较正确地确定材料的腐蚀率和采用何种防腐体系及其服务的期限。
2.2常用的防腐方法
目前的防腐体系可分为三大类型［７］，一是表面涂装防腐材料；二是采用阴极保护来防止腐蚀；三是依靠材料本身的防腐特性，即采用耐久材料。各种防腐类型都有其特点，并且各自适用于一定范围。有些防腐体系是几种类型的综合，其目的是更好地起到防腐的作用。在选择防腐体系时有一点十分重要，就是确保所选防腐体系的表面处理，大约百分之七十的防腐体系的早期失效由于不正确的或者不充分的表面处理所引起［９］。不同的防腐体系对钢材表面的处理有不同的要求，包括喷射或抛射除锈Sa、手工和动力除锈St、火焰除锈FI，如表2所示，具体可参阅我国现行GB50205―2001《钢结构工程施工质量验收规范》及国家标准GB8923-88《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈标准》。
表2 各种底漆或防锈漆要求最低的除锈等级
3.建筑钢结构防腐体系
建筑物的使用年限比较长，一般至少是50年。在建筑物使用期限内，为了使建筑钢结构不发生腐蚀或把腐蚀控制在一定范围内，就需要选择长效防腐体系，即在钢结构使用期限内，所采用的防腐体系能够起到良好的防腐效果，并且最少次数地进行维护或不维护。目前大多建筑钢结构都采用长效防腐体系，主要包括富锌涂料体系、热喷锌（铝）体系、热浸镀锌体系三种。富锌涂料体系的应用可分两个类型：无机富锌涂料，以硅酸盐作为粘结剂结合锌粉；有机富锌涂料，基于各种有机物载体（包括丙烯酸、氯化橡胶、乙烯基和环氧树脂、氨基甲酯），其中以环氧树脂应用最广。热喷锌（铝）体系为多层次复合涂层，即复合涂层加上涂料，第一层为锌层打底，第二层为铝中间层，第三层为锌涂层，通过喷射对铝层封孔。再加上涂料封闭，组成多层次复合涂层，这样的涂层防腐抗蚀能力很强。热浸镀锌体系是通过酸洗和电镀等工艺在钢结构表面形成一层锌与铁的合金层，从而达到很好的防腐目的。
以上三种防腐体系的原理基本相同，都是通过金属层阻止环境中的湿气及腐蚀物质与钢结构表面的接触，以达到防腐的目的。一旦金属层出现裂缝或破坏（在钢结构运输和安装过程中很容易出现），锌会提供阴极保护。在电镀系列中，锌比铁活泼得多，一旦同时处于腐蚀环境中时，锌会成为锈蚀循环中的阳极。当锌发生锈蚀后，锌的锈蚀产物基本是不溶的，可以密封涂层中的裂缝及任何孔隙，从而进一步阻止锈蚀的发生。根据已有资料显示，这三种防腐体系的长效防腐效果都十分理想，一般都能超过40 年。其中，以热浸镀锌体系最为突出，在澳大利亚，热浸镀锌体系有记载的最长服务期限为110年［７］。这对大多的建筑钢结构都是足够的。
4.热浸镀锌防腐体系的特点与应用
目前，随着国际市场中锌的价格持续的下降，以及电镀厂家的增加，较大的电镀槽不断建成。热浸镀锌作为一种良好的长效防腐体系，越来越被人们所重视。在美国已有可满足超过24米长、3米宽构件镀锌要求的电镀槽。2003年美国堪萨斯州进行了重达约39吨的钢构件镀锌，电镀槽为25×3.6×3（米）［８］，是世界上最大的热浸镀锌工程之一。在我国电镀企业已具有长16m、宽1.2m、深1.6m的电镀槽，可满足绝大部分建筑钢结构构件。与其他的防腐体系相比较，热浸镀锌防腐体系具有以下特点：
（1）防腐期限长，热浸镀锌的防腐服务期限定义在25至50年是非常普遍的，大部分的服务期限都能超过40年。一般镀锌量为600g/m2的热浸镀锌钢材，其防腐使用年限可达50年以上。
（2） 没有防腐体系维护问题。根据美国国家腐蚀工程协会（NACE）统计，涂料防腐方法大约11年左右就要重涂一次，即在钢结构使用年限内，涂料防腐体系需要维护。而根据目前已有的研究资料显示，热浸镀锌防腐体系在其服务期限之内是不需要维护的。这就从两个方面体现了热浸镀锌的优势。首先，对使用中的建筑重新喷涂防腐材料是不容易实施的，工程量非常大，而热浸镀锌防腐在其服务期限内是不需要维护的。其次，涂料防腐体系需要业主作长期的防腐维护的预算。大多数建筑物作预算时，增加初期投资比较容易，比较具体，业主也比较容易计划，但作长期的维护预算就比较复杂，它会牵扯到一些不确定因素，包括若干年后的人工费用、涂料费用等。热浸镀锌在初期投资会大一些，但是它不需要维护的预算，这一点越来越被业主和设计人员所青睐。
（3）工业化程度高。由于热浸镀锌的工业化程度高，因此它的涂装速度很快，一个全新无锈构件的镀锌过程可在一个小时左右完成。对于急需投入使用的建筑来讲，这一点是十分重要的。另外，由于其工业化程度高，所以表面处理和防腐层质量是非常容易保证的，这是大多手工涂装的防腐体系无法相比的。
（4）构件的各个表面具有同样的防腐保护。建筑用钢构件的开口截面形式有很多，由于尺寸的限制，对一些表面的防腐涂装是十分困难的。而热浸镀锌是把构件浸入电镀槽中镀锌，它对构件各个表面的涂装是相同的，这就很好解决了构件较难涂装所有表面的防腐问题。另外，热浸锌构件在焊接连接及螺栓连接时无需特殊的处理，基本与无镀锌构件相同。
（5）热浸镀锌对环境是无害的。锌是一种微量的营养元素，它对人类和其他物种都是有益的。相对于一些含有有机挥发物的涂层，热浸镀锌对环境是无害的。这一点在21世纪的防腐工程中显得更为重要。
当然，热浸镀锌并非适用于所有环境，在酸及碱环境中，热浸镀锌防腐层将很快腐蚀，一般也不推荐在地下环境使用。
由于热浸镀锌体系良好的防腐性能，很多学者对其进行了研究，包括锌浴中各种微量元素对其的影响，镀锌材料腐蚀状态下的力学性能研究，以及镀锌体系防腐期限研究，等等，而这些研究更进一步推动了热浸镀锌防腐体系的应用。在国外它的应用已非常广泛，如一些大型钢结构公共建筑，大型钢结构工业建筑及钢结构住宅，如澳洲墨尔本市Albert公园的体育娱乐中心［９］、美国新罕布什尔州曼彻斯特市的机场停车库等［１０］。目前国内的一些大型公共钢结构也采用了此种方法，比如首都机场，北京东方广场，上海八万人体育馆，浦东国际机场和黑龙江电视塔（龙塔）等。作为一种性能优良的长效防腐体系，热浸镀锌体系在建筑钢结构领域中必将得到越来越广泛的应用。
参考文献：
［1］AGA Guide.Hot-Dip Galvanizing for Corrosion Protection-A Specifier’s Guide［M］.US:American Galvanizers Association，2002.
［2］陈冬，金向雷.中国镀锌结构钢材生产现状及其对锌的需求前景.河北冶金，2002.
［3］Kwang-Lung Lin.Deformation and Corrosion in hot dip Galvanized Coatings［J］.Materials Chemistry and Physics，1997.
［4］Y.Sakumoto.Durability of Galvanized Light-gauge Steel Shapes［J］.Journal of Structure Engineering，2004.
［5］Corrosion of Metals And alloys――Classification of Corrosivity of Atmospheres［M］. ISO9223，1992.
［6］曹楚南等.九五基金重大项目材料在我国自然环境中腐蚀数据积累及规律性研究取得重要进展［J］.中国科学基金，2003.
［7］Pedro Albrecht.Atmospheric Corrosion Resistance of Structural Steels［J］. Journal of Materials in Civil Engineering，2003.
［8］Francis，R.A.An Update on The Corrosion Process and Protection of Structural Steelwork，Steel Construction［J］.1996.
［9］George Thomson.Why Galvanize［J］. Construction in Steel，1999.
［10］Beth，S.Pollak.Taking a Dip［J］. Modern Steel Construction，2003.
基金项目：宁夏大学自然科学基金项目（ZR200715）
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